肠道微生物组重塑癌症治疗范式的潜力

重要性：肠道微生物组是驻留在肠道内的各种共生细菌和其他微生物的集合，曾被认为仅具有主要以消化功能为中心的作用。然而，测序技术的进展阐明了肠道微生物组在癌症发展和治疗反应疗效中的复杂作用，需要从临床转化的角度进行全面研究。

观察结果：本综述旨在强调目前对肠道微生物组与免疫治疗、化疗、放疗、癌症手术等治疗反应之间关系的理解，同时也阐述了与微生物组可能的协同策略，以应对一些具挑战性的肿瘤。还提供了有关靶向微生物群的当代方法的见解，以及当前从实验室到临床的研究进展。

结论和意义：总之，肠道细菌在癌症治疗中的重要性怎么强调都不为过，因为它具有开创癌症治疗新时代的潜力。认识到微生物组可能在肿瘤微环境中发挥关键作用后，应探索将微生物组调控治疗与生物、免疫、细胞和外科癌症治疗相结合的整体方法。

人类微生物群是细菌、古菌、真菌和病毒的大集合，它们在个体之间表现出巨大的种群内变异。长期以来，人们认为肠道微生物群的作用主要局限于帮助食物消化和营养获取。然而，随着新的分子技术的出现(如16S核糖体RNA[rRNA]测序、DNA测序和宏基因组学)和无菌小鼠的使用，肠道微生物群在系统稳态中的更大作用得以揭示。首先，微生物组通过神经递质、短链脂肪酸(SCFAs)、氨基酸和次级胆汁酸的产生或转化，对循环营养物质和代谢物水平的平衡做出了重大贡献，这些物质可以被宿主吸收或重吸收，然后进入循环。此外，微生物群在免疫系统的训练和发展中起着重要的作用。例如，某些共生细菌能够诱导不同的免疫细胞群极化并发挥促炎或抗炎作用，其中一些导致免疫抑制。因此，越来越需要将微生物群在癌症发展、诊断和治疗中的重要性与背景联系起来。

2 肠道微生物群失调与癌症发展

当肠道中细菌的微妙平衡被破坏时，就会导致微生物群的多样性降低、稳定性降低且通常更具致病性，从而通过对宿主代谢或宿主免疫反应和功能产生负面影响而导致各种疾病病理。值得注意的是，肠道微生物群失调越来越多地与肿瘤的发生相关(图1)。虽然相关研究占目前癌症微生物组研究的很大一部分，但致病作用已通过来自幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)的新证据得到强有力支持。幽门螺杆菌感染与随后诱发的胃炎的发展密切相关，被认为是癌症的前兆。在胃上皮细胞中，幽门螺杆菌诱导肿瘤抑制蛋白p53降解，进而导致胃癌的形成。此外，来自幽门螺杆菌的CagA蛋白与上皮E-钙粘蛋白相互作用，促进细胞增殖，增加致癌细胞转化的可能性。值得注意的是，幽门螺杆菌被列为I类致癌物。

幽门螺杆菌，现在已知几种其他几种细菌发挥致癌作用。细菌病原体释放的毒素，如来自大肠杆菌的大肠杆菌毒素和细胞致死膨胀毒素，具有DNA酶活性，有助于基因组不稳定性，可能导致肿瘤的形成和进展。另外，致病菌如福氏志贺菌(Shigella flexneri)和脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)分别通过宿主DNA损伤反应干扰或通过精胺氧化酶活性产生氧化应激，导致DNA损伤和基因组变异的积累。此外，某些物种甚至可以通过抑制宿主的抗肿瘤免疫反应来协助癌症的发生；在具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)的案例中，宿主自然杀伤(NK)细胞通过细菌毒力因子Fap2受到抑制，Fap2抑制了NK细胞攻击肿瘤细胞的能力。

虽然大多数信息与胃癌和结直肠癌有关，但肠道细菌也与其他癌症有关。众所周知，伤寒沙门氏菌(Salmonella typhi)和幽门螺杆菌(Helicobacter)与胆管癌的发生有关，推测肠道微生物群也可能影响肝癌和乳腺癌的发展。肝脏通过门静脉系统独特地暴露于肠道细菌、代谢物和副产物的通讯中。通过微生物诱导的初级胆汁酸转化为次级胆汁酸，可能会产生DNA损伤、肝毒性、NK T细胞浓度改变和致癌作用。在乳腺癌的案例中，人们推测类固醇代谢可能与肠道细菌有关，导致植物雌激素和雌激素的分布发生变化，这可能在抗癌中发挥作用。随着人们对微生物群-肠-脑轴的了解越来越多，脑肿瘤代表了另一个被推测受微生物群影响的新兴领域。

癌症发展中的微生物群。肠道微生物群失调越来越多地与肠道附近和远离肠道的肿瘤的发展相关联。目前已知，微生物病原体(如幽门螺杆菌、大肠杆菌、具核梭杆菌和脆弱拟杆菌)通过释放毒力因子和毒素参与肿瘤的发生，这些毒力因子和毒素会增加DNA损伤和染色体不稳定的机会，促进氧化应激和炎症并抑制免疫反应。

2.1 新兴角色:肠道微生物群和免疫疗法

以程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)和细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)为靶点，使用免疫检查点阻断(ICB)疗法治疗各种癌症已取得了相当大的进展。然而，尽管前景看好，但这些新的ICB策略在个体间有相当大的差异，而且对肿瘤治疗的效果在不同肿瘤类型之间并不一致。因此，迫切需要一种预测反应的生物标志物，并更好地理解为什么存在这种异质性，以提高治疗效果和扩大反应人群。

有趣的是，一些研究已经注意到ICB治疗反应者和无反应者的粪便样本中微生物多样性和组成的重要差异，这表明临床反应的差异可能归因于肠道微生物群。例如，一项临床研究指出，给药粪杆菌(Faecalibacterium)与无进展生存率正相关；粪杆菌丰度较高的患者肿瘤床中细胞毒性CD8+ T细胞浸润程度较高，以及其他先前存在的抗肿瘤免疫反应。虽然相关性和因果关系的分离尚不清楚，但ICB治疗在无菌和抗生素治疗小鼠中的成功率明显较低，这削弱了PD-1阻断治疗的疗效和上皮性癌患者的总体生存时间。此外，已发现用某些细菌类群操纵无菌小鼠和移植反应者的粪便材料可增强对ICB的治疗反应。

虽然进展缓慢，但新的研究正在出现，这些研究通过实验证明微生物组调节在减弱ICB治疗中的疗效。已知某些活细菌物种或益生菌在癌症治疗中发挥关键作用，包括影响抗炎细胞因子水平、检测和降解潜在致癌物、激活吞噬细胞以消除早期癌细胞，以及产生影响细胞死亡和增殖的SCFAs。特别是双歧杆菌(Bifidobacterium)和乳杆菌(Lactobacillus)，它们与降低癌症发病率有关，而且由于它们在免疫调节中的已知作用，也被认为能带来其他健康益处。一项在无菌小鼠中进行的研究发现，多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)和脆弱拟杆菌通过提高IL-12依赖性Th1免疫反应来增强CTLA-4阻断治疗的疗效。双歧杆菌给药也被证明通过刺激细胞毒性CD8+ T细胞、诱导树突状细胞成熟、招募其他免疫细胞和激活I型干扰素(IFN)信号传导，从而发挥抗肿瘤作用。实验发现，口服给药鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)GG可增强PD-1免疫疗法的抗肿瘤活性，还可通过诱导树突状细胞产生I型IFN，并使肠道成分转变为富含鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus murinus)和单形拟杆菌(Bacteroides uniformis)，这2种众所周知的菌种可增加肿瘤浸润性树突状细胞和T细胞。重要的是，该研究还从机制上描述了鼠李糖乳杆菌GG如何通过模拟cGAS/STING/TBK1/IFN-regulatory-factor-7依赖性信号通路触发树突状细胞中IFN生成。

通过抗生素药物和噬菌体靶向肠道种群也引起了免疫疗法的额外关注。例如，万古霉素可以通过减少有害的革兰氏阳性细菌而增强CTLA-4阻断治疗的疗效，同时不影响革兰氏阴性菌伯克霍尔德氏菌(Burkholderiales)和拟杆菌(Bacteroidales)。然而，由于对相似类型的细菌菌株的靶向不精确，在某些情况下，抗生素药物通过减少细菌多样性可能弊大于利。例如，一项研究发现，联合使用抗生素和免疫疗法会导致癌症患者的无进展生存期和总生存期缩短。因此，可以设计噬菌体来代替抗生素，专门针对有害的病原菌。例如，一项研究确定了生物无机杂合噬菌体对肿瘤微环境的抗结直肠癌修饰，该噬菌体靶向并杀死具核梭杆菌，已知其可增加肿瘤微环境中的免疫抑制性骨髓源性抑制细胞。具核梭杆菌结合M13噬菌体与银纳米颗粒的组合具有卓越的抗菌特性，当与检查点抑制剂或化学疗法联合使用时，可减少小鼠模型中骨髓源性抑制细胞并延长总体生存时间。

总体而言，利用微生物组来增强免疫疗法的疗效是有希望的。然而，虽然我们可以得出结论，抗肿瘤免疫反应与健康和多样化的微生物群呈正相关，但在识别不同临床队列中重叠细菌物种方面存在差异。例如，在检查对PD-1检查点阻断免疫疗法有积极反应的癌症患者粪便样本的类似研究中，1项研究发现长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)、产气柯林斯菌(Collinsella aerofaciens)和屎肠球菌(Enterococcus faecium)的丰度增加，而另一项研究发现瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)的丰度更高，三分之一的研究讨论了更丰富的多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)和普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium prausnitzii)。很有可能有更多的细菌参与了这一过程，这些细菌会因不同的癌症和肠道生态而有所不同。因此，有必要了解分类群中的这种差异并寻找共同的功能输出和产生的代谢物。一项研究提供了支持这一观点的证据，表明各种肠道细菌产生的SCFAs如何促进抗原激活的CD8+ T细胞的记忆潜能。此外，SCFAs的次级效应因环境和宿主特异性因素而异，提供大量的级联表型和对免疫系统的影响。考虑到所有这些因素，免疫疗法可能需要重新设计，以纳入微生物组调节治疗元素，例如补充益生菌或微生物衍生代谢物，作为一种标准化方法，以大限度地减少反应的异质性并提高抗肿瘤免疫功效。

基于微生物组的癌症治疗。展望未来，重要的是要注意到，有许多方法可以调节肠道微生物群来治疗癌症。广泛地说，整个患病的肠道微生物群可以通过健康供体的粪便微生物群移植(FMT)来替代。抗生素和噬菌体等策略也可用于清除肠道中的致病细菌，否则会促进DNA损伤、细胞增殖、氧化应激和慢性炎症。另外，某些细菌菌株可以通过饮食或益生菌口服摄入，这些益生菌对宿主生理具有有益作用，例如减少炎症、抑制细胞增殖、增强肠道屏障功能以及检测和降解致癌物。值得注意的是，在许多临床前和临床研究中积极使用的两种益生菌菌株是双歧杆菌和乳杆菌。

2.2 肠道微生物群和化疗

微生物群也参与介导对化疗化合物的治疗反应。例如，环磷酰胺是一种用于化疗的免疫刺激烷化剂，由于缺乏相关的记忆性Th1和致病性Th17免疫反应，已被发现在无菌或抗生素治疗小鼠中降低了抗肿瘤疗效。有趣的是，可以通过给药肠球菌(Enterococcus)和巴氏杆菌(Barnesiella)来恢复疗效，这对于产生有效的免疫反应是必要和充分的，包括诱导Th1、Th17和肿瘤特异性CD4+和CD8+ T细胞。甚至发现一些细菌物种(如具核梭杆菌)通过激活癌症自噬来促进对结直肠癌的化疗耐药。特别是对于具核梭杆菌，其机制是通过靶向TLR4-MYD88免疫信号通路，下调miRNA-4802和miRNA-18a水平，进而上调ATG7和ULK1这两种自噬信号元件的表达。因此，了解具核梭杆菌如何诱导自噬的知识可以用来克服化疗耐药。例如，自噬抑制剂(如氯喹或3-甲基腺嘌呤或ATG7基因敲除/沉默)可用于预防或逆转具核梭杆菌介导的细胞死亡。微生物群参与减轻化疗中的治疗后毒性，其中化合物的一些副作用非常严重，以至于它们会阻碍患者接受适当的剂量或治疗持续时间。一个主要的例子是伊立替康，一种常用于治疗结肠癌的化疗药物，它引入了一种活性化疗药物SN38，当它排泄到胃肠道时会导致严重腹泻。这导致患者经常需要降低剂量或调整剂量，同时双歧杆菌和乳杆菌物种的丰度也会降低。有趣的是，在肝脏将SN38转化为非活性形式后，完整的微生物群通过分泌β-葡萄糖醛酸酶重新激活SN38，从而增加SN38水平。临床前实验表明，与具有完整微生物群的常规小鼠相比，无菌小鼠可以接受更多剂量的伊立替康，而胃肠道损伤更小。利用这一知识，随后的临床前研究将伊立替康与β-葡萄糖醛酸酶抑制剂共同给药于具有健康微生物群的小鼠，并指出伊立替康很可能不会引起腹泻。展望未来，进一步研究微生物组与化疗的交叉点将非常重要；治疗范式可能会在未来几年中发展，将不断增长的知识体系纳入微生物组介导的机制中，从而减弱或增强治疗反应

免疫治疗、化疗和治疗后毒性中的微生物组。微生物群与许多一线癌症疗法及其相关的治疗后毒性有关。A，免疫治疗：益生菌鼠李糖乳杆菌GG通过激活cGAS/STING/TBK1/IFNregulatory-factor-7依赖性信号通路触发树突状细胞产生I型干扰素(IFN)；这增强了程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)免疫疗法的抗肿瘤活性。B，化疗：给药海氏肠球菌(Enterococcus hirae)和Barnesiella intestinihominis可诱导Th1和Th17的产生，并激活肿瘤特异性CD4+和CD8+ T细胞，这些细胞共同增强环磷酰胺的疗效。此外，了解具核梭杆菌如何通过TLR4-MY88信号通路激活自噬从而导致化疗耐药，可用于通过将化疗与自噬抑制剂联合来增强治疗反应。C，治疗后毒性：给药益生菌，如鼠李糖乳杆菌GG和VSL#3制剂(由链球菌、乳杆菌和双歧杆菌组成)可保护肠道黏膜免受放疗引起的毒性。此外，给药植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)可以通过促进调节肠-脑-皮肤轴的催产素分泌来促进肿瘤手术后的伤口愈合，还可以防止通常与手术部位感染有关的病原体在手术部位定植。cGAMP，环鸟苷酸-腺苷酸；cGAS，环鸟苷酸-腺苷酸合成酶；PD-L1，PD-1配体1；STING，干扰素基因刺激因子。

2.3 肠道微生物群和其他常规癌症治疗引起的毒性效应

至关重要的是，要考虑癌症治疗如何相互影响微生物组，导致一系列并发症；因此，了解治疗时微生物组的组成对于预测和寻找治疗后并发症的对策具有重要意义。支持肠道微生物群对癌症治疗反应和毒性影响的证据之一是用于血液癌症的异基因造血干细胞移植(HSCT)。临床研究表明，与微生物多样性较高的患者相比，HSCT期间和之后的生态失调和微生物多样性丧失与总生存期缩短和移植相关死亡率较高相关。对HSCT反应者和幸存者的进一步临床研究将较高丰度的Blautia与提高生存率联系起来，而较高丰度的粘液真杆菌(Eubacterium limosum)与降低复发风险联系起来。进一步发现，Blautia与移植物抗宿主病致死率降低有关，这是HSCT的一种严重不良反应，其特征是微生物多样性的丧失，特别是促进健康的专性厌氧菌的丧失(如乳杆菌和Blautia)，并因艰难梭菌(Clostridioides difficile)等致病菌株的定植而加剧。重要的是，来自健康供体的粪便微生物群移植(FMT)可能是补偿与细菌多样性丧失和致病菌增加相关的不利影响的有效方法。事实上，在一项异基因HSCT受体移植后并发症的临床试验中，来自健康供体的FMT恢复了微生物多样性，降低了腹泻频率和腹泻量，完全缓解了腹痛综合征，并包括艰难梭菌感染在内的致病杂质。然而，必须指出的是，FMT治疗非消化系统癌症的研究仍处于起步阶段，并且在用于FMT的健康供体中，微生物多样性存在巨大的异质性，因此由于缺乏标准化而限制了治疗的使用。

众所周知，电离辐射治疗是另一种双刃癌症疗法，它会引起辐射诱发的旁观者效应和基因组不稳定性。尽管对肠道微生物群如何影响放射敏感性的认识还非常缺乏，但近年来一些临床转化信息已被阐明。例如，一些研究已经证明了包括鼠李糖乳杆菌GG和VSL#3制剂(由链球菌、乳酸杆菌和双歧杆菌组成)在内的益生菌如何保护肠道黏膜免受放射治疗引起的毒性作用。此外，对于接受放疗和化疗的头颈部癌症患者，联合口服短乳杆菌(Lactobacillus brevis)CD2含片可提高治疗疗效并降低治疗诱发的黏膜炎的风险。同时，一项独立的临床前研究表明，使用抗生素万古霉素可增强放疗的抗肿瘤活性并阻止肿瘤生长。有趣的是，同一研究指出，随后施用丁酸盐(一种万古霉素敏感细菌产生的代谢物)可逆转抗肿瘤作用，从而加强了在未来研究中寻找共同功能输出和产生的代谢物的重要性。

众所周知，癌症手术或手术切除会有许多术后并发症。以结直肠癌为例，很大一部分患者经常经历手术部位感染(SSIs)或吻合口瘘(AL)。值得注意的是，一些关键的围手术期干预措施(包括抗菌治疗和机械肠道准备)旨在大限度地降低手术期间粪便污染的风险，大大降低了微生物多样性，从而引发了一个问题，即肠道多样性或组成是否可能与术后并发症有关。事实上，SSIs和ALs与较低的微生物群生物多样性有关；一项转化研究表明，由60%或更多的粘蛋白降解微生物科(毛螺菌科Lachnospiraceae和拟杆菌科Bacteroidaceae)组成的肠道微生物组是AL的预测指标。同时，一项临床前研究表明，在结直肠吻合术后，两种产生胶原酶的细菌(粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa))的定植可诱导小鼠发生AL。然而，口服局部磷酸盐(已知可控制细菌毒力)可降低粘质沙雷氏菌和铜绿假单胞菌在吻合口组织中的定植和胶原酶活性，从而防止吻合口脓肿的形成和渗漏。此外，益生菌也越来越多地影响术后结果。例如，植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)已被证明通过促进催产素的分泌来促进伤口愈合，催产素调节肠-脑-皮肤轴，并防止通常与SSIs发生相关的病原体在手术部位定植。

总体而言，这些研究结果支持利用肠道微生物群来减少HSCT、放疗和癌症手术治疗引起的毒性的副作用的潜力。由于目前大部分信息来自结直肠癌，未来的研究应该致力于更好地描述可转化的微生物群靶向策略如何在众多癌症类型中纠正治疗后的毒性作用或并发症。

3 临床试验中的癌症微生物组

有许多正在进行的临床试验将研究结果从实验室转化到临床(表1)。例如，利用粪便微生物群移植对接受免疫治疗的肾癌患者进行预防毒性研究(PERFORM)是积极寻求减少或预防治疗后毒性作用方法的几项试验之一。有些甚至将靶向肠道微生物群的不同方法与免疫疗法相结合，包括微生物生态系统疗法(从健康供体粪便中提取的活肠道细菌培养物的确定混合物)、FMT和基于药物的代谢调节剂，包括二甲双胍、罗格列酮、纳武单抗或派姆单抗。大量分析肠道微生物群在癌症预后和治疗中作用的临 床试验可能会改变未来癌症治疗的范式。

4 展望

然而，仍然有许多限制和知识空白需要通过进一步的研究来解决。例如，在鉴定微生物组组成时，分析方法存在相当大的差异。一些研究可能对粪便使用16S rRNA测序，而其他研究则检查胆汁或唾液；因此，很难在研究中达成共识，因为不同样本类型的细菌组成可能不同。此外，特别是在将16S rRNA测序作为细菌菌株分类鉴定的实际方法时，根据测量的可变区域(V1-9)的不同，分辨率存在差异。

一项详细的比较研究检查了