免疫检查点抑制剂对肠道菌群的影响及机制研究进展*

柯林俊,王立生

(暨南大学第二临床医学院,广东 深圳 518020)

人体肠道中寄宿着300～1000种细菌,总计约有1014个,其中优势菌主要是拟杆菌门、厚壁菌门、放线杆菌门和变形杆菌门[1]。肠道菌群与人体健康息息相关,它们能合成人体所需的物质、促进矿物元素吸收、调节免疫治疗的药物反应。近年来,以免疫检查点为药物靶点的免疫检查点抑制剂(immune checkpoints inhibitors,ICIs)治疗癌症受到越来越多学者的关注,免疫检查点抑制剂可调节T淋巴细胞的激活和效应功能[2],用于治疗转移性黑色素瘤、晚期非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)、肾细胞癌(renal cell carcinoma,RCC)、经典霍奇金淋巴瘤、膀胱癌、默克尔细胞癌、头颈癌以及错配修复缺陷的实体肿瘤等[3-5],但其疗效存在明显的个体差异,研究发现肠道菌群对免疫检查点抑制剂的疗效具有调节作用[6],但有关免疫检查点抑制剂与肠道菌群间确切的相互作用关系及作用机制仍不清楚。目前大部分研究聚焦于肠道菌群对ICIs疗效的影响,但有关ICIs对患者肠道菌群的影响及其影响机制的研究却不多。本文参阅近年相关文献,综述ICIs对肠道菌群的影响及可能机制,以期从另一个角度,更全面的认识两者之间的作用关系。

1 免疫检查点抑制剂对肠道菌群的影响

1.1 免疫检查点抑制剂使肠道某些细菌丰度降低

许多学者发现使用不同类型的ICIs后,都使肠道拟杆菌丰度降低。Vétizou等[7]发现单次注射伊匹单抗(CTLA-4抑制剂)可以在属水平上显著影响小鼠肠道微生物组,并发现拟杆菌丰度降低。Dubin等[8]观察到转移性黑色素瘤患者在使用CTLA-4抑制剂后发生结肠炎的患者肠道拟杆菌丰度降低。此外,He等[9]在使用PD-1/PD-L1抑制剂的非小细胞肺癌患者中发现厌氧菌的相对丰度显著降低。Mao等[10]在使用PD-1抑制剂的肝细胞癌或胆道癌患者中发现韦荣球菌相对丰度显著降低。Wang等[11]在右旋糖苷诱导的ICIs相关性肠炎小鼠模型中发现乳酸杆菌相对丰度显著降低。Zheng等[12]观察到使用PD-1抑制剂的肝细胞癌患者拟杆菌的丰度降低,且无反应组降低更加显著,Peng等[13]也观察到了这一现象。

1.2 免疫检查点抑制剂使肠道某些细菌丰度增加

ICI治疗肿瘤的观察性研究中,对ICIs有治疗反应的称为有反应组(R),无治疗反应的称为无反应组(NR)。在ICIs治疗肿瘤前的基线水平,R组与NR组的肠道菌群构成相似,拟杆菌富集且丰度最高[12-14],这符合健康人群肠道菌群的构成。同时,Peng等[13]观察到普雷沃氏菌的富集,Andrews等[14]观察到梭菌的富集。值得注意的是,Zheng等[12]观察到丰度最高的依次为拟杆菌、厚壁菌、变形菌和放线菌,这与正常健康人群的肠道菌群构成高度一致。

肿瘤患者使用ICIs后,R组与NR组的肠道菌群有显著区别。R组显示出比NR组更高的菌群丰度,且R组的肠道微生物群α多样性显著高于NR组[12,15-19]。

使用CTLA-4抑制剂的转移性黑色素瘤患者中,R组肠道厚壁菌[7]、梭状芽孢杆菌[7]、瘤胃球菌[15]、粪杆菌[15]、普雷沃氏菌[20]、拟杆菌[14,20]、卡介菌[20]、丝状霍尔德曼杆菌[20]和马氏四叠球菌[14]丰度增加,NR组拟杆菌[15]、大肠杆菌[15]和克雷伯杆菌[14]丰度增加。Frankel等[20]在R组中观察到拟杆菌的富集,而Gopalakrishnan等[15]仅在NR组中观察到。

使用PD-1抑制剂的转移性黑色素瘤患者中,R组肠道双歧杆菌[17]、普雷沃氏菌[19-20]、颤螺菌[19]、另枝菌[19]、萨特氏菌[19]、拟杆菌[20]、卡介菌[20]和丝状霍尔德曼杆菌[20]丰度增加,NR组瘤胃球菌[19]、布劳特氏菌[19]和阿氏厌氧菌[19]丰度增加。mcculloch等[19]认为与R组相关的是厚壁菌与放线菌,而与NR组相关的是拟杆菌与普雷沃氏菌。其进行荟萃分析后,与R组相关的优势菌为放线杆菌门和毛螺菌,与NR组相关的优势菌为拟杆菌和变形杆菌。荟萃分析明确许多菌群与PD-1抑制剂治疗的反应有关。R组中主要是毛螺菌科和放线菌科中的几个属,包括双歧杆菌属,而NR组中则是普氏菌属和拟杆菌属。

使用PD-1抑制剂的非小细胞肺癌患者中,R组肠道嗜粘蛋白阿克曼菌[9]和双歧杆菌[18]丰度增加。NR组肠道嗜黏蛋白阿克曼菌[18]和卵形布劳特氏菌[18]丰度增加。相反的是,He等[9]在R组中观察到嗜黏蛋白阿克曼菌的富集,而Lee等[18]在NR组中观察到。

使用PD-1抑制剂的肝细胞癌或胆道癌患者中,R组肠道肺炎克雷伯杆菌[12]、毛螺菌[10,12]、瘤胃球菌[16]、嗜粘蛋白阿克曼菌[12]、粪杆菌[16]、双歧杆菌[16]、普雷沃氏菌[10]、反刍球菌[10]、另枝菌[10]、拟杆菌[10]、变形杆菌[10]、放线杆菌[10]、韦氏杆菌[10]、布鲁氏菌[16]、巨型单胞菌[16]和嗜血杆菌[16]丰度增加,NR组变形杆菌[10,12]、拟杆菌[10]、放线杆菌[10]、韦氏杆菌[10]、隐杆菌[16]、细毛杆菌[16]、弯曲杆菌[16]、大蒜素杆菌[16]、甲烷短杆菌[16]、双歧杆菌[16]和乳杆菌[16]丰度增加。Wu等[16]在治疗肝细胞癌的患者中发现乳酸杆菌和双歧杆菌也在NR组中富集,这与其他学者在结直肠癌中观察到的不同,且与传统的益生菌印象相反。导致研究结果不同的原因可能与研究的肿瘤类型有关,具体机制尚有待进一步研究。Mao等[10]观察到拟杆菌和变形杆菌在临床受益组和非临床受益组的肠道微生物群落中同时占主导地位,其次是放线杆菌和韦氏杆菌。

使用PD-1抑制剂的结直肠癌患者中,R组肠道毛螺菌、瘤胃球菌、双歧杆菌、普雷沃氏菌、反刍球菌、乳杆菌和副杆菌丰度增加,NR组拟杆菌、链杆菌、瘤胃球菌、副杆菌、辅球菌、毛螺菌、单胞菌和阿加特杆菌丰度增加[13]。值得注意的是,副杆菌及毛螺菌同时在R组及NR组中富集。Peng等[13]从16S rRNA测序结果中观察到R组肠道中普雷沃氏菌的相对丰度较高,而拟杆菌的丰度较低,在NR组中拟杆菌的相对丰度也明显较低。但在R组和NR组之间,肠道普雷沃氏菌与拟杆菌的比例有显著差异。他们在结直肠癌和食管癌中观察到这一趋势,但在胃癌中未发现此现象,这可能与肿瘤微环境有关。

Wind等[21]观察肠道菌群的相对丰度与ICIs的治疗反应有关联。微小弧菌和拟杆菌的相对丰度与ICIs治疗的反应呈正相关。但在该研究中观察到了与以前的研究相反的现象,即高丰度的埃氏拟杆菌与治疗反应呈正相关,而先前的研究中埃氏拟杆菌与治疗无关[22]。并且,先前被认为与治疗有关的相对丰度较高的副链球菌和长链球菌,在该研究中与ICIs治疗的反应呈负相关[20,22]。这些研究结果的差异在一定程度上可能与患者癌症类型和ICIs种类的不同有关,此外,不同研究的粪便样本采集程序、反应定义和统计方法的不同也可能对结果产生影响。

1.3 免疫检查点抑制剂不改变肠道菌群

Jin等[23]分析了37例接受纳武单抗(一种PD-1抑制剂)治疗晚期非小细胞肺癌患者肠道菌群与ICIs疗效的相关性,发现在治疗前后,均未观察到R组和NR组在门水平上的统计差异,并且在属水平上的肠道微生物组成也明显相似。进一步对10名患者(7名来自R组,3名来自NR组)肠道微生物群进行PCoA分析,发现主要细菌在门水平上的相对丰度随时间保持稳定。治疗前NR差异丰富的七个属在治疗期间表现出轻微的湍流,但未发现统计学差异。这些数据表明,纳武单抗治疗不会改变晚期非小细胞肺癌患者的肠道菌群。

Chaput等[24]在伊匹单抗(一种CTLA-4抑制剂)治疗转移性黑色素瘤患者的研究中也发现,治疗后菌群多样性及优势肠道菌群并没有发生明显改变,主要细菌门(厚壁菌门和拟杆菌门)随着时间的推移保持稳定,同时发现粪杆菌及厚壁菌的富集可使患者获得更长的无进展生存期,这一结果与Gopalakrishnan等[15]的研究结果类似。

总之,这些学者通过测序发现患者肠道菌群在使用ICIs治疗前后并未发生改变,说明免疫检查点抑制剂并不改变肠道菌群。值得注意的是,由于Jin等[23]和Chaput等[24]研究的样本量过少(分别为10名和26名患者),加之采样流程与其他文献不同,其结论尚待进一步的研究证实。

2 免疫检查点抑制剂影响肠道菌群的可能机制

ICIs影响肠道菌群的机制目前不清楚,相关研究极少,可能的机制包括肠道屏障功能受损、引发肠道炎症,或通过刺激Th1免疫反应导致肠道菌群改变。

2.1 肠道屏障功能受损、引发肠道炎症

Berman等[25]在采用伊普利单抗阻断CTLA-4的研究中发现,患者肠道菌群抗体滴度升高、免疫细胞浸润肠黏膜以及粪便钙保护素水平升高。粪便钙保护素主要来源于迁移到肠黏膜的中性粒细胞,是肠炎的生物标志物,这些研究结果证明,ICIs导致了肠道黏膜免疫功能紊乱、肠道屏障功能受损,继之发生肠道炎症,并最终导致肠道菌群发生改变。

Dubin等[8]观察了34名转移性黑色素瘤患者在使用伊匹单抗(一种CTLA-4抑制剂)后结肠炎的发展与肠道菌群的改变,发现转移性黑色素瘤患者在使用CTLA-4抑制剂后发生结肠炎的患者肠道拟杆菌丰度降低,说明在使用ICIs的患者中,肠道菌群的改变与ICIs相关性肠炎的发展有关,具体机制尚需进一步研究。

2.2 刺激免疫反应

Routy等[22]发现使用PD-1抑制剂治疗NSCLC和RCC后,患者肠道厚壁菌、嗜黏蛋白阿克曼菌和另枝菌属的丰度明显增加,这些细菌丰度的增加与PD-1抑制剂引发针对嗜黏蛋白阿克曼菌的局部和全身性Th1免疫反应有关,其确切机制尚未有研究予以阐明。

Mager等[26]研究发现ICIs可以影响某些肠道细菌增强其抗肿瘤效应,正常情况下假长毛芽孢杆菌的定植并不能抑制肿瘤的生长,但在使用CTLA-4抑制剂的情况下,CTLA-4抑制剂可刺激假长毛芽孢杆菌代谢产物肌苷增加,从而增强假长毛芽孢杆菌诱导Th1分化能力,并与CTLA-4抑制剂一起激活Th1效应T细胞。其次,由于ICIs可以削弱肠道屏障功能,导致特定肠菌(假长双歧杆菌、约氏乳杆菌、龈乳杆菌)的代谢产物肌苷进入全身,在共刺激因子CPG寡核苷酸的协同下激活抗肿瘤T细胞,从而增强CTLA-4抑制剂的抗肿瘤效应。

3 总结与展望

综观文献,近年来,探讨肠道菌群与免疫检查点抑制剂间相互作用关系的研究较多,但研究的重心主要集中在肠道菌群对免疫检查点抑制剂疗效的影响以及如何通过改善肠道菌群以提高免疫检查点抑制剂的疗效方面,而探讨免疫检查点抑制剂对患者肠道菌群的影响及其影响机制的研究较少,已有的研究结果不仅存在不同的发现,更存在矛盾之处。探讨免疫检查点抑制剂对患者肠道菌群的影响可以从另一个角度、更全面的揭示两者之间相互作用的机理,并对免疫检查点抑制剂的治疗提供参考,从而提高肿瘤患者对免疫检查点抑制剂的有效率及治疗效果,值得今后进一步研究。