肠道微生物与肿瘤治疗关系的研究进展

傅佳琦 余志红

人类肠道中存在数万亿个微生物菌群。肠道微生物参与了维持宿主健康的多种生理功能，包括提供营养和维生素、分解代谢药物和毒物、保护机体免受病原体侵害、促进免疫系统发育和维持上皮黏膜稳态等，是决定机体生理或病理状况的重要因素[1]。癌症是人类死亡的主要原因之一，约10%～20%的癌症发生与微生物有关，而多项研究均证实肠道微生物在胃肠道肿瘤的发生、发展中起重要作用[1]。微生物及其产物不仅具有直接致癌作用，还可通过改变循环代谢物使其成为促癌物质、诱导炎症反应、抑制免疫途径以及干扰宿主肿瘤免疫监视等多种机制促进肿瘤的发生、发展[2]。此外，肠道微生物还影响肿瘤治疗的疗效及治疗相关的不良反应。本文就肠道微生物对肿瘤治疗效果的影响及如何通过调节肠道微生物来改善肿瘤治疗疗效作一综述。

1 肠道微生物对肿瘤治疗效果的影响

临床前研究证实化疗、免疫治疗和放疗等抗肿瘤治疗可以改变患者的肠道微生物，同时肠道微生物也可影响宿主对此类治疗的反应。虽然具体机制尚不清楚，但可能与药物代谢、菌群易位、免疫调节、生物多样性和丰度的减少以及菌群失调有关。

1.1 化疗 肠道微生物可通过调节代谢、生态失衡、免疫调节等多种机制影响多种肿瘤的化疗疗效。在直肠癌动物模型的肠道中，梭状芽孢杆菌属产生的β葡萄糖醛酸酶可重新激活伊立替康及其活性代谢物SN-38，引起肠上皮细胞损伤，从而导致严重腹泻[3]。猪鼻支原体具有胞苷脱氨酶活性，可将吉西他滨代谢成非活性产物，影响该药物在直肠癌、胰腺癌治疗中的疗效[4]。体内外研究证实核粒梭形杆菌通过刺激固有免疫途径激活自噬，导致凋亡抑制蛋白BIRC3过度表达，从而对5-氟尿嘧啶产生耐药[5]。研究发现希氏肠球菌和肠道巴恩斯菌通过诱导Th1和致病性Th17免疫反应，增加瘤内CD8+T细胞与调节性T细胞比值，从而提高瘤内产生INF-γ的浸润γδT淋巴细胞的水平，最终加强环磷酰胺的疗效[6]。上述研究表明，肠道微生物可能是改善化疗方案的重要生物标志物，但需进一步的临床研究进行评估。

1.2 免疫治疗 肠道微生物与宿主免疫反应之间的复杂相互作用影响了免疫治疗的疗效。在结肠癌和黑色素瘤小鼠模型中，抗生素治疗后肠道微生物负荷减少，导致肿瘤中产生促炎细胞因子的髓系细胞减少，进而损害抗IL-10/胞苷酸鸟苷寡脱氧核苷酸免疫治疗疗效[7]。但是，肠道微生物也可对免疫治疗带来有利影响。双歧杆菌通过增加肿瘤内IFN-γ+CD8+T细胞和树突状细胞，使机体对抗程序性死亡配体1（programmed cell deathligand 1,PD-L1）产生有效应答。将应答者的粪便微生物移植到无菌小鼠中，可以激活类似的免疫机制，改善实体瘤对PD-L1治疗的反应[8]。此外，多形拟杆菌、脆弱拟杆菌和洋葱伯克霍尔德菌与抗细胞毒性T淋巴细胞抗原4抑制剂（cytotoxic T lymphocyte antigen 4,CTLA-4）有效应答及治疗后更少不良反应相关[9]。微生物菌群的组成还可预测实体肿瘤中对抗程序性细胞死亡1（programmed death 1，PD-1）/PD-L1 治疗的应答状态，将应答者的粪便微生物群移植到无菌小鼠体内，可提高免疫检查点抑制剂的效率[10]。上述研究表明在抗肿瘤免疫治疗的同时联合靶向调节微生物治疗可以使其疗效增强。然而，微生物对免疫治疗的临床转化受到限制，因为大多数临床前研究都是在携带异位同基因肿瘤的小鼠身上进行的，这些小鼠在转移到新的宿主之前已经经历了一个免疫编辑过程。这些模型不能解释免疫系统与肿瘤这两者在癌症消除、平衡和逃逸阶段不断变化的相互作用。为了更深入地了解其潜在的分子机制，可能需要采用人源化动物模型或自发肿瘤发生的模型。

1.3 放疗 放射治疗时电离辐射通过产生活性氧或活性氮间接的能量转移诱导肿瘤细胞以及正常细胞的DNA损伤。胃肠道因其对电离辐射的高敏感性，是放疗中损伤的主要部位[11]。研究表明肠道微生物可能影响放射敏感性。Cui等[11]用经抗生素处理的小鼠模型分析了肠道细菌群落与辐射敏感性之间的相关性，结果发现抗生素治疗组小鼠肠道细菌组成与对照组有明显差异，接受辐照后存活率明显高于对照组。此外，电离辐射可导致菌群失调，从而产生某些病理状态。放疗后肠道菌群α多样性显著降低，高丰度的梭菌属、罗斯菌属和考拉杆菌属导致与肠壁维持相关稳态的肠黏膜细胞因子明显减少，TNF-α和IL-1β表达增强，诱导肠上皮炎症和屏障功能障碍，进而引起放射性肠病[12-13]。以上研究提示肠道微生物失调可能是预测、预防和治疗放疗相关不良反应的一个有用的生物标志物。然而，肠道菌群对放疗疗效的直接影响及有关机制仍需进一步研究确定。

1.4 手术 目前，肠道微生物对手术结果的潜在影响仅在结直肠癌中被证实。结直肠手术引起肠上皮屏障完整性受损，过度暴露于细菌等有害的腔内因素中，影响吻合口愈合，导致吻合口瘘的发生[14]。van Praagh等[15]发现吻合口瘘的发生与微生物多样性低有关，与高丰度的拟杆菌科和毛螺菌科以及低丰度的口腔普氏菌有关。此外，放疗或手术诱导应激等环境宿主信号可引起吻合口毒性细菌定植增加[16]及侵袭性增强[17]，进而导致愈合障碍。需进一步研究结直肠术后尤其吻合口愈合过程中宿主与微生物菌群之间的相互作用，以识别存在术后并发症风险的微生物特征，并制定有效的靶向肠道微生物菌群的预防策略。

2 调节肠道微生物以提高治疗效果：从预测潜力到临床试验

肠道微生物与宿主之间的复杂相互作用影响肿瘤治疗，确定影响肠道微生物的因素并对其进行干预可能是改善抗癌治疗相关毒性以及提高抗癌治疗效果的关键。

2.1 抗生素 抗生素通过诱导菌群失调对肿瘤治疗产生不利影响[6-7]，但研究显示万古霉素可增强肿瘤免疫治疗疗效[9，18]。Vetizou等[9]发现万古霉素可增强小鼠对CTLA-4抑制剂的应答，这可能与其诱导革兰阴性拟杆菌和伯克菌的过度表达，而抑制梭菌属等革兰阳性菌的生长有关。此外，在接受T细胞过继免疫治疗的宫颈癌和肺癌小鼠模型中，万古霉素通过对细菌的耗竭，诱导全身产CD8α+树突状细胞的增加，后者增加IL-12浓度，通过诱导肿瘤微环境重塑，从而维持全身性过继转移的抗肿瘤T细胞，进而抑制肿瘤生长[18]。最近一项包括40项研究在内的Meta分析证实口服抗生素可减少结直肠术后吻合口瘘、术后感染等多种并发症[19]。由于抗生素诱导的菌群失调缺乏特异性，其使用在肿瘤治疗中作用尚不明确，仍需更多的研究明确如何减少在癌症治疗期间使用抗生素的不利影响而增加其有利影响。

2.2 中医药 中医药在肿瘤治疗中可发挥一定疗效，近年来研究发现，中医药可通过调节肠道菌群提高抗肿瘤疗效。白术挥发油和人参总皂苷的联合使用可逆转5-氟尿嘧啶引起的肠道菌群紊乱，恢复厚壁菌门与拟杆菌门的比值，减少多形杆状菌、瘤胃球菌和厌氧菌等潜在致病菌的丰度，抑制小鼠化疗相关腹泻[20]。同样，有研究报道，中医药可以增加因放疗所致的肠道菌群的总数和多样性，改变菌群结构[21]。临床前研究表明生脉姜黄散在保护菌落多样性的同时，可部分恢复辐照引起的菌群失衡，联合放疗可提高肿瘤治疗效果[21]。

2.3 粪便微生物移植 粪便微生物移植已被广泛应用于治疗艰难梭状芽孢杆菌耐药感染[22]、异基因干细胞移植后的移植物抗宿主病[23]。临床前研究表明粪便微生物移植可减少肿瘤治疗相关不良反应，提高疗效[10-11]。放疗可导致菌群失调，从而产生放射性肠病、腹泻等肠道毒性，而粪便移植不仅可以改善受辐射小鼠的胃肠道功能，也可以防止辐射相关死亡[11]。Gopalakrishnan等[10]将对抗PD-1治疗有反应或无反应患者的粪便菌群分别移植到黑色素瘤无菌小鼠模型体内，发现接受应答者粪便样本的小鼠肿瘤生长缓慢，这与肿瘤微环境中CXCR3+CD4+T细胞的积累以及PD-1阻断后脾T细胞中PD-L1的上调有关，而接受无应答者粪便样本的模型则表现出对抗PD-1治疗的耐药性。虽然粪便微生物移植在肿瘤治疗中展现了一定有效性，但此过程仍然缺乏可控性，因为操作过程中需要将供体整个肠道微生物与治疗细菌物种一起转移至受体，因此，对捐献者及特定肠道微生物组的严格筛选至关重要。目前正在进行的临床试验旨在评估粪便微生物移植在癌症患者中的应用，包括预防肿瘤发生、发展，改善肿瘤治疗中的肠道不良反应和提高肿瘤治疗疗效等方面[24]。

2.4 益生菌和益生元 益生菌定义为“摄入足量有益宿主健康的活微生物”，通过恢复肠道微生物平衡，可改善肿瘤治疗相关胃肠毒性，提高治疗疗效[20]。益生菌鼠李糖乳杆菌具有抗炎特性，是益生菌中研究最多、表征最好的乳酸菌之一，可减轻动物模型中5-氟尿嘧啶介导[25]的以及辐射介导[26]的肠道上皮损伤，从而有助于维持肠道微生物平衡和肠道上皮屏障功能。乳酸菌通过恢复患者肠道菌群而显著增强免疫反应，已被指南推荐用于预防盆腔癌放化疗相关腹泻[24]。口服双歧杆菌通过增加肿瘤内树突状细胞和IFN-γ+CD8+T细胞浸润，增强了黑色素瘤小鼠抗PD-L1的抗肿瘤效果[8]。而拟杆菌属可诱导肿瘤引流淋巴结中的Th1免疫反应，并促进瘤内树突状细胞的成熟，最终恢复小鼠对CTLA-4抗体的疗效[9]。最近，Tanoue等[27]从健康的捐赠者粪便中分离出一个由11株细菌组成的联合体，能强有力诱导小鼠肠道IFN-γ+CD8+T细胞，显著增强宿主对免疫检查点抑制剂的反应。为证实益生菌对肿瘤患者的疗效，多项临床试验仍在进行中[24]。

益生元指不被宿主消化或吸收的有机物质，通过促进特定细菌定植及代谢而对机体产生有利影响。在肿瘤治疗期间加入包含益生菌和益生元的合生剂，可保持微生物多样性，从而提高疗效。一项双盲随机试验发现围术期服用包括嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌、双歧杆菌和低聚果糖等混合制剂可降低壶腹周围癌患者术后死亡率和并发症发生率[28]。

虽然益生菌通常被认为是安全的，但给免疫功能低下的癌症患者服用益生菌存在机会性感染和抗生素耐药性转移的风险[24]。无论观察到的有益效果如何，仍需更大型且可控的临床试验来证实在肿瘤治疗期间或之后使用特定种类益生菌的有效性和安全性。一项于2019年开始的Ⅱ期随机研究（NCT03870607）正在进行中，旨在评估益生菌和益生元在局限性肛管鳞癌放化疗中的作用，期待可提高治疗效果。

2.5 体育运动 恶病质是一种以脂肪组织和肌肉萎缩为特征的消瘦综合征，是影响肿瘤患者预后的关键因素[29]。临床前数据支持肠道微生物可能是“肠道微生物-骨骼肌”轴的关键角色，可导致肌肉萎缩，而益生菌通过恢复健康的微生物群可改善恶病质、减少肿瘤扩散并延长小鼠生存期[2，29]。研究表明体育运动通过调节代谢、减轻炎症、降低体重和调节肿瘤微环境等机制在预防肿瘤发生、提高治疗效果、减少治疗不良反应等方面产生持久的有利影响[30]。研究发现运动对肠道微生物有独立的影响，较高水平的锻炼与肠道菌群α多样性有关，但受到运动强度、运动时间及个体体重的干预[31]。鉴于“肠道微生物-骨骼肌”轴的潜在重要性，通过运动调节微生物群可能是一个创新想法。为研究运动是否对肿瘤患者肠道微生物多样性、组成和代谢产生影响并减少胃肠道并发症，相关临床试验正在进行中[32]。

3 小结和展望

肠道微生物通过产生致癌毒素和代谢物、促进炎症、免疫抑制等多种机制参与肿瘤的发生、发展，降低了化疗、放疗、免疫治疗以及手术治疗等传统肿瘤治疗方式的疗效，对患者预后产生负面影响。通过调节肠道微生物，宿主的反应得到改善。因而肠道微生物也成为了可预测预后的生物标志物。益生菌、益生元、抗生素、中医药、粪便微生物移植和体育运动等辅助治疗可能有利于提高肿瘤患者疗效及预后。通过靶向调节特定肠道微生物以优化抗肿瘤治疗是具有前景的研究方向，未来需进一步探索宿主与微生物群之间的复杂相互作用关系，识别并筛选有利于人体健康的菌种，将靶向调节肠道微生物及其产物与现有抗肿瘤治疗方案结合起来，期待改善患者预后，延长其生存期。