靶向微生物群以优化癌症治疗结果

导读  

尽管免疫检查点抑制剂(ICIs)等新的癌症疗法取得了可喜的进展，但治疗耐药性和毒性等局限性仍然存在。近年来，人们对肠道微生物群与癌症的关系进行了广泛的研究。越来越多的证据表明微生物群在决定癌症治疗疗效和毒性方面的作用。与宿主遗传不同，微生物群可以通过多种策略很容易地改变，如粪便微生物群移植(FMT)、益生菌和抗生素。临床前研究已经确定了微生物影响癌症治疗结果的机制；临床试验也证明了微生物群调节在癌症治疗中的潜力。本文综述了肠道微生物与化疗和ICIs相互作用的机制，尤其是肠道细菌与癌症治疗的药代动力学(如代谢、酶降解)或药效学(如免疫调节)之间的相互作用。然后探讨了这些基本发现在临床环境中的转化潜力，包括使用微生物作为预测性生物标志物，以及抗生素、益生菌、益生元、饮食调节和FMT对微生物群的调节。进一步讨论了当前癌症患者肠道微生物群调节的局限性，并提出了未来研究的基本方向。在个性化医疗时代，了解微生物群及其与癌症的相互作用至关重要。调控肠道微生物群来增强癌症治疗反应可以为癌症治疗提供新的见解。

综述目录

1 前言

2 微生物群和化疗

2.1 机制概述

2.2 基础研究到临床应用

3 微生物群和ICIs

3.1 机制概述

3.2 基础研究到临床应用

4 未来展望与结论

主要内容

1 前言

人类微生物群是40万亿种微生物的动态集合，其中包括3000种细菌、真菌和病毒。它们主要定殖在上皮表面，尤其是胃肠道。肠道微生物群协调广泛的生理功能，如营养反应以及肠道和免疫系统稳态。生态失调，即微生物群组成发生变化，体内稳态被破坏，与包括胃肠道、神经和代谢紊乱在内的疾病有关。特定的肠道微生物也与癌症的发病机制有关，特别是胃肠道恶性肿瘤。例如，具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)抗原黏附素A(FadA)通过E-钙粘蛋白-Wnt-β-连环蛋白信号通路促进结直肠癌(CRC)发生；聚酮合酶(PKS)阳性大肠杆菌基因毒素可促进结直肠肿瘤发生；脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)毒素产生活性氧(ROS)，导致DNA损伤。虽然这些细菌对肿瘤的发生有直接影响，但一些微生物会促进炎症或削弱免疫监视，从而间接促进癌症的发展。这些微生物免疫调节活动被称为免疫-肿瘤-微生物轴。

除了发病机制，微生物群也调节癌症治疗反应。虽然癌症治疗发展迅速，但挑战仍然是获得性耐药，不良反应和异质性治疗结果。药物基因组学是研究遗传变异对个体药理学反应影响的前沿科学研究。然而，药物基因组学不能完全阐明药物反应的个体间差异，这意味着存在其他贡献者。由于肠道微生物群被认为是人类的第二基因组，因此提出了药物微生物学的概念来解释药物基因组学尚未解决的问题。药物微生物组学侧重于通过改变药代动力学(即改变药物吸收、分布、代谢或消除)或药效学(即改变药物靶点或生物通路，导致对药理作用的敏感性不同)来改变肠道微生物群与药物反应之间的相互作用。越来越多的证据表明，肠道微生物群与抗癌治疗(如化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗)之间存在密切关系。利用微生物群优化癌症治疗已经成为个性化医疗的另一种途径。

本文综述了微生物群的细菌和化疗或免疫检查点抑制剂(ICIs)之间的药物微生物学相互作用，强调了微生物在药代动力学和药效学方面对抗癌药物影响的机制见解。本文还探讨了这些基本发现的转化潜力，进一步讨论了当前癌症药物微生物组学的局限性，并提出了可行的未来方向。

2 微生物群和化疗

烷化剂、抗代谢物、拓扑异构酶抑制剂、有丝分裂抑制剂和细胞毒性抗生素是具有不同作用机制的化疗药物，其抗癌活性依赖于破坏DNA完整性、DNA修复和合成的酶。但由于其非特异性，化疗也会损害正常细胞。研究结果表明，靶向微生物群可能有希望提高化疗疗效并降低毒性(表1)。一般来说，共生微生物主要通过调节药物代谢(即药代动力学)和宿主免疫(即药效学)与化疗药物相互作用。

2.1 机制概述

2.1.1 肠道细菌与化疗药代动力学

肠道细菌拥有数以百万计的蛋白质编码基因，不仅能处理摄入的营养物质，还能改变药物的药代动力学。微生物介导的药物代谢可分为直接作用和间接作用。微生物可以直接将药物转化为活性、非活性甚至有毒的代谢物。另外，这一过程可以间接介导微生物衍生的代谢物。本文讨论了细菌代谢如何影响化疗结果。

伊立替康(CPT-11)是一种拓扑异构酶I抑制剂，对各种癌症有效，并已成为转移性CRC的一线治疗方法。从机制上讲，组织和血清羧酸酯酶激活静脉CPT-11代谢物7-乙基-10-羟基喜树碱(SN-38)，然后抑制拓扑异构酶I以阻止肿瘤细胞的DNA复制和转录。CPT-11的主要缺点是其剂量限制性副作用，即多达40%的患者发生严重腹泻。SN-38在被肝脏尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶解毒为SN-38G后排泄到肠道，细菌β-葡萄糖醛酸酶可将SN-38G转化为细胞毒性SN-38，引起严重腹泻(图1A)。虽然梭菌属XIVa和IV簇菌群(包括梭菌Clostridium、真杆菌Eubacterium和瘤胃球菌Ruminococcus)是β-葡萄糖苷酶的主要生产者，但CPT-11可以增加大鼠体内梭菌和肠杆菌科(Enterobacteriaceae)的丰度，说明CPT-11本身可以提高细菌β-葡萄糖苷酶的活性。一个合乎逻辑的问题是，β-葡萄糖苷酶是否可以被抑制以降低CPT-11的毒性。现已开发出选择性β-葡萄糖苷酶抑制剂来预防CPT-11诱导的微生物改变和上皮损伤。例如，吡唑并[4,3-c]喹啉衍生物(TCH-3562)和糖醛异法戈明衍生物可以减少CPT-11引起的并发症而不影响其疗效。降低CPT-11的毒性反过来可以增加患者对更高剂量的耐受性，从而导致更好的治疗结果。这个例子说明了共生菌和化疗之间的相互作用，展示了微生物群调节在降低治疗毒性和提高疗效方面的潜力。

除了药物毒性外，细菌代谢对药物作用也至关重要。研究使用秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)模型确定了介导化疗疗效的细菌基因，特别是那些涉及核糖核苷酸和维生素B6和B9代谢的基因。从机制上讲，细菌核糖核酸代谢需要将5-氟尿嘧啶(5-FU)激活为具有细胞毒性的5-氟尿苷三磷酸，从而在秀丽隐杆线虫中表现出其对RNA的破坏作用(图1B)。破坏与核糖核苷酸代谢有关的细菌维生素B6和B9的产生会降低5-FU的功效，从而表明细菌代谢物对化疗药物的影响。值得注意的是，抗糖尿病药物二甲双胍可以抑制5-FU发挥抗癌作用所需的细菌单碳代谢，导致5-FU疗效降低。因此，对于有合并症的癌症患者，在化疗时应特别谨慎。

肿瘤内的微生物可以通过酶促反应调节化疗疗效。吉西他滨是一种核苷类似物，用于治疗胰腺导管腺癌(PDAC)。然而，吉西他滨化疗耐药在PDAC中很常见，怀疑是由肿瘤感染的猪鼻支原体(Mycoplasma hyorhinis)的胞苷脱氨酶(CDD)引起的。后来，科学家发现只有细菌CDD的长亚型(CDD-L)而非短亚型(CDD-S)可以将吉西他滨代谢成无活性代谢产物2’,2’-二氟脱氧尿苷。超过98%的CDD-L细菌是γ-变形菌(Gammaproteobacteria)，通常富集在PDAC肿瘤组织中。然而，猪鼻支原体携带CDD-S，但仍具有吉西他滨耐药性，这表明除了CDD亚型外，其他因素也会导致化疗耐药。值得注意的是，一项转化研究发现，联合使用抗生素环丙沙星可以逆转小鼠对吉西他滨的化疗耐药。但目前的研究主要集中在肿瘤内微生物群与化疗耐药性之间的相互作用，而肠道微生物对肿瘤内微生物群组成的影响尚不明确。目前尚不清楚这些微生物如何进入肿瘤以及使吉西他滨失活所需的微生物数量。在将机制发现转化为临床应用之前，需要更多的临床前研究。

然后，SN-38在肝脏中被UGT解毒，变成SN-38G，并排泄到胃肠道。肠道细菌可以重新激活并将SN-38G转化回SN-38，进而对肠道细胞造成毒性。(B)细菌核糖核苷酸代谢将氟嘧啶前药激活为活化形式以产生细胞毒性作用。新陈代谢需要产生维生素B6和B9。(C)肿瘤内带有CDD长亚型的γ-变形菌可以灭活吉西他滨，导致化疗耐药性。(D) CTX可增加肠道通透性，促进Enterococcus hirae易位进入脾脏，增加致病性Th17细胞和肿瘤内CD8+/CD4+ T细胞比例。(E)肠道微生物可以通过MYD88依赖性途径激活肿瘤浸润性髓样细胞，在化疗药物的作用下产生ROS。(F)奥沙利铂诱导的上皮细胞凋亡以及免疫原性细菌(包括非产肠毒素型脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和丹毒丝菌科(Erysipelotrichaceae))的抗原性可刺激迁移性DCs分化为TFH细胞，激活B细胞。(G)丁酸等微生物代谢物可激活细胞毒性CD8+ T细胞，增强奥沙利铂的疗效。(H)具核梭杆菌可以激活TLR4/MYD88依赖性通路，抑制某些miRNAs，使肿瘤细胞从凋亡转变为自噬，导致化疗耐药性。该图通过BioRender.com创建。CPT-11，伊立替康；CTL，细胞毒性T淋巴细胞；CTX，环磷酰胺；DCs，树突状细胞；FdUMP，5-氟脱氧尿苷5’-一磷酸；FUMP，5-氟尿苷5’-一磷酸；FUTP，5-氟尿苷5’-三磷酸；GzmB，颗粒酶B；IFN-γ，干扰素-γ；IL，白介素；miRNA，微小核糖核酸；MYD88，髓样分化因子88；NK，自然杀伤细胞；PFN，穿孔素；pTH17 cells，致病性辅助性T细胞；ROS，活性氧；SN-38，7-乙基-10-羟基喜树碱；TFH，滤泡辅助性T细胞；TLR4，toll样受体4；TNF-α，肿瘤坏死因子；Treg，调节性T细胞；UGT，尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶。

2.1.2 肠道细菌与化疗药效学

除了药代动力学外，肠道微生物群还可以通过免疫调节改变患者对化疗的敏感性和反应(即药效学)。除了细胞毒性作用，化疗药物如环磷酰胺(CTX)也能刺激抗癌免疫。本文探讨肠道细菌的免疫调节对化疗疗效的影响。

CTX是一种烷基化化疗药物，通过消耗免疫抑制调节性T细胞(Treg)和促进辅助性T细胞(Th)-1的细胞分化来诱导抗癌免疫。CTX还可以改变肠道微生物群以增强其免疫调节作用。使小鼠肠绒毛缩短，增加肠道通透性，促进海氏肠球菌(Enterococcus hirae)和约氏乳杆菌(Lactobacillus johnsonii)易位到次级淋巴器官。这种易位积累了致病性Th17和记忆性Th1细胞，这对于CTX诱导的抗癌免疫反应至关重要。海氏肠球菌还增加了抗生素治疗小鼠肿瘤内CD8+ T细胞与CD4+ Treg细胞的比例，甚至逆转了CTX化疗耐药性(图1D)。相反，Barnesiella intestinihominis并没有易位，而是在结肠中积聚以刺激系统性多功能CD8+细胞毒性T细胞和Th1细胞，促进产生干扰素(IFN)-γ-的γδT细胞的肿瘤内浸润。值得注意的是，这些细菌的抗癌作用受到模式识别受体核苷酸结合寡聚结构域2(NOD2)的限制，这表明将NOD2靶向治疗与CTX结合以优化治疗反应的可能性。

奥沙利铂和顺铂是铂类抗肿瘤药物，其早期细胞毒性作用依赖于ROS的产生，而ROS的产生依赖于完整的微生物群。肠道微生物(尤其是革兰氏阳性细菌)调节髓样分化因子88(MYD88)