菌群最新资讯热评 | COVID-19 消毒剂正在改变微生物群;利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

菌群最新资讯热评 | COVID-19 消毒剂正在改变微生物群;利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

01 杀菌剂和消毒剂正在改变微生物群落

随着 COVID-19 疫情的发展,相应的抗菌药物耐药性的加速确实令人担忧。疫情下,加剧了抗生素的大规模滥用,不仅用于治疗人类和动物疾病,而且也用于动物食品生产系统。

近日,BMJ发表一篇有关COVID-19的文章,消毒剂正在改变微生物群落。

幸运的是,现有的工具可用于研究抗生素耐药性的出现和蔓延,并作出“耐药”的知情预测。此外,全球和国家的具体行动计划已到位,以减轻抗生素耐药性威胁。

一个令人担忧的问题是,在Covid-19 大流行中,大量使用消毒剂,对人类、动物和环境中各种生态位的微生物群落产生了不可估量的影响。这种做法带来的结果可能是宿主-共生体相互作用中的失调,从而影响宿主的免疫功能新陈代谢生理参数以及对感染性和非传染性疾病的易感性

益生菌、免疫生物制剂、合生元等都是有望治疗失调的药物。但是,由于过度使用消毒剂而引起的问题,在全球范围内已经超出了生物失调的范畴,例如,医院内的致病菌粪肠球菌出现了抗酒精性,最近报道了万古霉素耐药菌株(如超级细菌)。

困境在于,通过使用消毒剂、杀菌剂和抗生素来遏制Covid-19,我们正在给微生物群落造成不可估量的附带损害,“抹去”了不同生态位的几个共生体,并可能为新的威胁制造 “地雷”。

我们需要利用现有的工具和技术,开发新的工具和技术,以便评估对微生物生态系统的损害,密切检查人与动物之间的微生物关系,预测新的威胁,并揭示控制这些威胁的检查点。

希望从使用抗生素、消毒剂和杀菌剂来遏制Covid-19的普遍智慧中学到的所有经验教训,都将引导我们进入一个装备更完善、威胁可控的未来。


02

能否利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

目前,人们对定义微生物群如何在癌症的背景下塑造免疫反应非常感兴趣。 在小鼠和人类中进行的各种研究都将特定的共生物种与不同癌症类型以及接受癌症免疫疗法治疗后的更好(或更坏)结果相关联。

但是,所涉及的机制仍然不确定,甚至存在争议。 在此观点下,《自然评论免疫学》邀请了该领域的六位著名科学家分享他们对该领域关键问题和挑战的看法

  Q1

越来越多的证据表明某些微生物可以对癌症的免疫反应产生正面或负面影响。 您能否评论一下我们对于微生物如何塑造免疫系统从而影响抗肿瘤免疫力机制的理解?

来自B. Brett Finlay 的看法:

毫无疑问,微生物可以塑造免疫系统。它们最深远的影响是在生命的早期,那时它们可以将免疫系统推向过敏性或非过敏性方向时,从而影响对许多免疫介导疾病的敏感性,例如哮喘,食物过敏和湿疹。

在小鼠中也有重要的证据表明,免疫系统的许多方面可以在以后的生命中通过依赖于微生物(如分段丝状细菌)的过程进行改变。

但是,目前严重缺乏对所有这些过程机制的理解。尽管有关于潜在机制的线索,但目前我们还没有从机制上理解微生物如何影响抗肿瘤免疫力。

来自Romina Goldszmid的看法:

我同意 Brett 的看法,不同的非相互排斥的情况下,细菌,其产物和/或其代谢物通过调节免疫系统的组成部分来影响肿瘤免疫。 

细菌及其产物可针对髓样细胞(例如,它们可以激活抗原呈递细胞,从而帮助引发抗肿瘤T细胞反应,调节促炎性细胞因子和活性氧的产生,或调节髓样细胞的免疫抑制活性)。 

细菌也可以作为抗原源,通过分子模拟影响肿瘤免疫反应(也就是说,识别细菌表位的T细胞可以识别在肿瘤细胞上表达的相似表位),或者可以驱动旁观者T细胞活化。 

其他人则提出了一种间接机制,细菌产物可通过这种间接机制诱导肿瘤中的免疫原性细胞死亡并随后进行免疫活化。对于不同的肿瘤类型和不同的治疗方式,该机制可能会有所不同。 

此外,到目前为止,大多数努力都集中在细菌微生物组的作用上,我们对病毒组(病毒),真菌组(真菌)和寄生组(寄生虫)对抗肿瘤免疫的作用了解甚少。

来自Kenya Honda的看法:

多项研究表明,微生物群至少部分通过系统激活CD8+T细胞(尤其是干扰素-γ(IFNγ)+亚群)增强免疫检查点阻断。

从理论上讲,微生物介导的肿瘤浸润IFNγ+ CD8 + T细胞的诱导可能是由多种机制引起的,包括

(1)肠道诱导的CD8 + T细胞的系统循环

(2)细菌抗原或载有细菌或细菌的树突状细胞

(3)细菌代谢物(由微生物群诱导或产生)和/或细胞因子。

根据我们实验室的观察,肠道来源的CD8 + T细胞不太可能迁移到肠道外,在远端组织中全身循环并调节抗肿瘤免疫力,因为IFNγ+ CD8 + T细胞在肠道和肠道外肿瘤中蓄积。在表型上是不同的。 

细菌抗原或负载细菌的树突状细胞的系统性循环也不大可能,因为在不同解剖部位的T细胞受体用途或T细胞的抗原特异性没有重叠。 

最简单,最可能的解释是,肿瘤中CD8 + T细胞的积累是由于微生物群中免疫调节分子和/或代谢产物的循环所致。由于免疫调节似乎独立于主要的先天免疫信号传导途径而发生,因此代谢产物(也许是几种)而不是与微生物相关的分子模式可能负责形成CD8 + T细胞的抗肿瘤免疫应答。

来自Giorgio trinchieri的看法:

微生物群还调节单核细胞衍生的细胞和嗜中性粒细胞的肿瘤浸润。

革兰氏阴性细菌可以响应CpG寡聚脱氧核苷酸(通过脂多糖介导的Toll样受体4(TLR4)信号转导)引发髓样细胞产生免疫调节细胞因子,例如肿瘤坏死因子(TNF)和IL-12。

微生物细胞介导的骨髓细胞引发活性氧的产生会影响铂类化学疗法药物的抗肿瘤功效。

微生物代谢产物(例如短链脂肪酸)和其他微生物产物调节调节性T细胞和细胞毒性T细胞。

在小鼠肝癌模型中,肠道微生物群中存在的梭状芽孢杆菌将原发性胆汁酸转化为继发性胆汁酸,降低了肝脏中原发性胆汁酸诱导的CXC-趋化因子配体16(CXCL16)的表达;因为这种趋化因子吸引具有抗肿瘤活性的自然杀伤性T细胞,这些细菌与抗肿瘤活性降低有关。

常规和非常规T细胞的细菌识别也可能有助于抗肿瘤免疫反应,并可能通过抗原模拟来激活抗肿瘤T细胞。

来自Jennifer wargo的看法:

正如Giorgio所提到的,特定的微生物和微生物群落可能会对癌症的免疫反应产生正面或负面的影响。  对于在肿瘤本身内发现的微生物以及对于肠道菌群中存在的微生物而言,都是如此。 

大量的证据与肠道微生物有关,其中肠道微生物群的多样性增加和组成差异与更有利的抗肿瘤免疫反应有关。

肠道微生物可通过肠道和肠系膜淋巴结水平上的相互作用以及代谢产物和其他循环因子介导的更远端效应来调节抗肿瘤免疫(以及一般的免疫系统)。

在过去的几年中,我们对所涉及的机制有了深刻的了解,但是仍然有很多值得学习的地方,并且存在难以置信的机会来获得进一步的机制见解。

来自Laurence Zitvogel的看法:

有几种独立的机制-有些加成机制,有些不是-当然也不能互斥,这可以解释不同的共生体对肿瘤免疫监视的免疫刺激(或抑制)作用。 我建议这里有四种主要的行动方式,其中一些已经被提及。

一,共生体可以直接为免疫系统提供抗原性和佐剂性。 

二,它们确保上皮屏障的适应性。 

三,共生体调节宿主的新陈代谢。 

四,共生体调节微生物群生态系统(共生共存网络对于体内平衡至关重要)。

已有研究表明,肠道共生体(例如多形拟杆菌或海氏肠球菌)和自身抗原或癌细胞相关抗原出现在自身免疫性疾病和癌症中,这解释了通常维持在肠道中的T细胞池调动,通常维持在肠道内,向远处和肠外炎症性病变发展。

双歧杆菌属或脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和Akkermansia muciniphila可以介导对肿瘤引流淋巴结中存在的树突状细胞产生辅助作用,从而触发1型干扰素或IL-12指纹,这与保护性1型T辅助细胞(TH1细胞)和CD8 + T细胞抗肿瘤免疫反应相关。 

通过直接影响上皮的完整性,抗癌疗法(例如化学疗法,酪氨酸激酶抑制剂或抗CTLA4免疫检查点阻断)调节了微生物群的组成,最终导致肠道上皮细胞(IEC)的凋亡,主要发生在肠道隐窝中。

根据回肠微生物群的组成,IEC的死亡可以是免疫原性或耐受性的,因此可以调节抗肿瘤免疫监测。

与微生物群落从专性厌氧菌转变为兼性厌氧菌有关的失调会导致结肠变形杆菌种类的增加。 这与抵抗免疫检查点的抵抗力相关。  

IECs上微生物依赖的MHC II类表达上调也可引发移植物抗宿主病(GVHD),从而控制某些血液系统恶性肿瘤。

注:移植物抗宿主病(GVHD)是由于移植后异体供者移植物中的T淋巴细胞,经受者发动的一系列“细胞因子风暴”刺激,大大增强了其对受者抗原的免疫反应,以受者靶细胞为目标发动细胞毒攻击,其中皮肤、肝及肠道是主要的靶目标。

  Q2

我们是否即将知道“好”的微生物菌群是什么样子? 而且这也将取决于个体环境吗? 例如,促进抗癌免疫力的微生物群还会增加自身免疫的可能性吗?

这仍然是微生物群领域中的主要问题。我们非常擅长将某些疾病个体中存在的不良微生物群与健康个体中的微生物群区分开来,但要确定“正常”微生物群是什么仍然难以捉摸。

问题的一部分是微生物学家强烈希望定义单个微生物物种或操作分类单位。但是,重点应该真正放在“好”菌群的作用上。物种之间的路径有很大的冗余,这意味着两个物种可以执行相同的功能,因此微生物群落在个体之间存在着主要的异质性。这方面的例子可以在抗癌研究中看到,每项研究都发现与不同的微生物有关。

关于良好的菌群是什么样还没有共识。实际上,在健康个体之间,微生物群组成存在巨大差异。

如果一个人健康,是否应该假设他/她拥有良好的微生物群?考虑到许多因素,例如宿主遗传学,饮食,地理位置和生活方式,这些因素会不断影响微生物菌群的组成和功能状态。

因此对于具有特定病理状况的个体可能有益的微生物菌群可能对另一个个体或个体都不那么有利。 即使是同一个人在不同情况下。所以我会说是的。这肯定是个体环境相关的。

良好的微生物群组成的共性仍然难以捉摸。的确,即使是单一优良菌群的概念也是模棱两可的,因为不同的成分可能有效地保护了不同宿主中的不同生物。 

这是因为细菌可以适应给定的生态系统,该生态系统由宿主衍生因子和微生物群落的其他成员组成,并因此以个体环境相关的方式发挥作用。

微生物诱导的T细胞的免疫学作用类似地取决于环境,因此在个体之间可以不同。

但是,我相信有效促进抗癌免疫力的微生物群并不一定会诱发自身免疫,因为可以在不影响CTLA4和PD1表达或不影响调节性T细胞和自身反应性T细胞频率的情况下实现微生物群介导的效应T细胞活化。 

因此,在我看来,良好或有效的微生物群可以增强针对非自我的免疫反应,包括肿瘤新抗原,而不会破坏免疫耐受性。

微生物群对炎症和免疫力的调节在预防癌症和治疗癌症方面有不同的作用。与抗PD1治疗有效反应相关的细菌种类已被鉴定,但在各种研究中发现不一致。这可能是由于人体肠道微生物群组成的个体差异和环境因素(例如,饮食和地理分布)的影响。

在我们的早期分析中,我们发现在某些情况下,相同的细菌种类可能与抗肿瘤免疫水平和免疫治疗后发生的免疫相关不良事件有关,尽管Laurence的小组已经报道,将抗CTLA4治疗的增强作用与自身免疫诱导分离开来的细菌组成。

现在,已在人类队列中发表了大量研究,证明了癌症类型中反应者与非反应者肠道微生物组的差异性特征。 但是,在所有这些队列中识别出的分类单元之间只有适度的重叠。

一项研究表明,具有 “1型” 肠道微生物组特征,含丰富的“有利”微生物(如瘤胃球菌科)的患者对免疫检查点阻断治疗更有反应。

但重要的是要记住,可能不是特定的分类群驱动,而是微生物群落的整体功能。研究表明,给定微生物群落的功能能力可能比给定微生物群落中微生物的分类学更为重要,从而支持“功能超过系统发育”的概念。

尽管人们可能认为一种促进抗癌免疫力的特定微生物群也可能增加自身免疫的可能性;但有证据却恰恰相反,也就是说,与更好的抗肿瘤免疫反应有关的肠道菌群实际上也与较低的自身免疫可能性有关。同时,较低的微生物多样性与治疗毒性增加有关。

是的,在我看来,我们接近于描述有益和有害的微生物群组成。

不同的肠道细菌群落与良好的健康状况有关;A. muciniphila、瘤胃球菌科和双歧杆菌属与预防胰岛素抵抗、延长寿命或对免疫检查点阻断的更好反应有关。

相比之下,其他的共生厌氧细菌(如Proteobacteriaceae科和肠杆菌科)则利用IEC压力,并具有对免疫检查点阻滞或化学疗法的抵抗力。

在抗PD1或抗PDL1治疗前1个月给药时,抗生素会降低免疫检查点阻断在肾癌和肺癌中的功效,它们会消除有益细菌,包括瘤胃球菌和梭菌科。

然而,如已经提到的,特定的共生菌株是否具有有益或有害作用将取决于个体微环境。

例如,多形拟杆菌表达的肽模拟肌球蛋白重链,它是心肌的组成部分,在自体免疫性心肌炎的背景下,这种共生体可以引发产生致病性IL-17的T辅助细胞(TH17细胞)反应。 

然而,在抗CTLA4的癌症免疫治疗中,多形拟杆菌也可以促进保护性的IL-12依赖性TH1型免疫应答。

另一个例子是鸡肠球菌。当以单药疗法给予小鼠时,某些鸡肠球菌显示出抗肿瘤活性,而其他菌株与小鼠和人体内系统性红斑狼疮的发生有关。

  Q3

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的功效有多可行? 您是否希望有一天将生物药物作为癌症治疗的组成部分?

正在进行大量的改变微生物群的工作,诸如Vedanta之类的公司正在积极地使用确定的活微生物混合物进行临床试验。

本质上,需要替换或增强生态系统,因此用抗生素(以破坏驻留的微生物)或抗炎剂(以允许传入的微生物混合物建立自身)进行预处理可以有所帮助。 

毫无疑问,在接下来的几年中,将有多种微生物混合物被用作治疗疾病的生物。 几个小组正在尝试将其用于癌症治疗,并且根据小鼠的数据,如果可以建立正确的微生物混合物,则很有可能起作用。

可以使用不同的策略:

粪便移植,转移确定的细菌联合体或单个细菌分离物,使用益生元或通过饮食干预来改变现有微生态或个别菌群,以及从整体性改变菌群(使用广谱抗生素)到局部性改变(例如,使用窄谱抗微生物剂或噬菌体)。尚不清楚应单独或组合使用这些策略中的哪一个(如果有)。

然而,鉴于越来越多的证据表明微生物群会影响治疗结果,因此可以预见,考虑微生物群有一天将成为癌症治疗不可或缺的一部分。

来自健康捐献者或治疗反应者的粪便微生物菌群移植(FMT)的初步研究显示出的结果表明,可以合理地控制微生物菌群的组成。 

但是,考虑到FMT的机理和成分的不确定性,我认为由定义好的一组特征良好的细菌组成的微生物疗法既可行,也更理想。 

然而,实现外源细菌菌株在复杂的常驻菌群内的稳定植入可能是具有挑战性的

研究表明,外在因素(例如营养素和抗生素)可以促进稳定的移入(尽管我们将尽可能避免使用抗生素,如下文更详细地讨论)。 补充确定的营养可以为特定的菌群提供食物,因此可以诱导肠道菌群的系统发育和功能重构,从而产生更有利于外源细菌植入的环境。

成人微生物群具有弹性,如果不消除现有微生物群,很难诱导患者微生物群发生重大变化。

但是,在与匹兹堡大学和MD安德森癌症中心合作正在进行的临床研究中,以及我们自己的小鼠研究中,我们有早期证据表明FMT以及影响微生物菌群的饮食变化可能会改善正在接受抗PD1治疗的黑色素瘤患者的抗肿瘤免疫反应。 

我认为,对于改变微生物群的这类方法的广泛临床应用,我们仍然需要更好地了解有利于抗肿瘤反应的物种和微生物群组成以及潜在的机制。

但正如Romina所说,这些很可能最终成为癌症治疗的标准程序。

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的效力当然是可行的。确实,在美国癌症研究协会(AACR)2019年年会上提出的两项研究表明可能是这种情况。 

肠道菌群的调节可通过多种不同的策略来完成,在考虑使用最合适的策略时,必须考虑许多因素(以及相关因素,如治疗期间的饮食)

正如我的一些同事已经提到的那样,在癌症患者中使用FMT并短暂影响宿主微生物群的组成是可行的。 

鉴于在PD1阻断开始后的头6-8周内进行免疫刺激至关重要,我们推测即使同种异体菌群未定植于受体,患者仍将从移植中受益。

然而,采用最佳选择粪便样本的标准(基于尚待确定的最佳成分,或基于健康状况-完全应答者与健康志愿者的比较)仍然是一个难题。

是的,我设想抗癌益生菌将有一天取代FMT,前提是单克隆益生菌或极简生态系统不会导致具有调节生物活性的α多样性降低和菌群补偿性增加(而非免疫刺激性)。

间歇性使用活体生物疗法可能比连续治疗更受青睐。

  Q4

2013年发表的开创性研究表明,微生物群的耗竭削弱了对化学疗法和免疫疗法的反应。这项工作是否引起了我们对癌症患者应如何使用抗生素的重新思考?

这都是抗生素更大问题的一部分-我们现在意识到,它们对癌症患者不再无害。

我们很久以来就已经意识到抗生素耐药性问题,但现在我们意识到它们还以显著的长期影响干扰了微生物群。因为癌症患者接受许多抗生素治疗,这对癌症来说是一个特别的问题。

需要记住的是,不同的抗生素会影响不同的微生物,因此不能将它们混在一起。关于影响免疫治疗的某些抗生素可能会好坏,我们只是不知道。 

当我们定义免疫治疗涉及哪些微生物时,它将有助于指导抗生素治疗及其谨慎使用。

它无疑提高了人们的认识,并促使调查人员仔细观察。

最近对癌症患者的研究发现,在治疗开始前不久或短时间内使用抗生素会降低化疗和免疫疗法的反应率,而其他人则未发现临床影响。

但是,所有这些研究都有一些警告,需要进行大规模的前瞻性临床试验。抗生素在癌症治疗中的使用还带来了其他毒性作用,例如与GVHD相关的死亡率增加,以及自相矛盾的是,接受造血干细胞移植的血液系统恶性肿瘤患者感染的风险更高。及时治疗癌症患者的感染至关重要。

因此,如何在这些患者中使用抗生素以最大程度地减少对微生物群的附带损害是医生面临的挑战,需要进一步研究。

这些研究无疑使我们重新考虑了在癌症中使用抗生素的情况。这些开创性研究发表后,随后的几项研究报道,微生物群多样性是与有效的癌症免疫力相关的最重要的特征之一。 

一直以来,我从临床医生那里听说,抗生素的使用会削弱免疫检查点阻断的功效。临床医生倾向于在特别害怕机会性感染的情况下预防性地使用抗生素,免疫功能低下的患者就是这样。

高度多样化的微生物群具有通过多种机制抑制病原体感染,包括通过营养竞争,抗菌产物的分泌和宿主免疫系统的激活。 

因此,除了可以增强抗癌免疫力的效应菌群外,重要的是要确定抑制病原体入侵的支持性微生物群。 以活菌疗法的形式综合利用这些微生物活性,是一种在不使用抗生素的情况下同时根除肿瘤和对抗机会性感染的有希望的方法。

这些研究大量使用了几乎完全消灭肠道菌群的抗生素混合物,并不代表抗生素的临床使用。

一些研究表明,单一抗生素的施用可能会增强抗肿瘤反应,例如,通过影响胆汁酸的代谢。 用单一抗生素治疗还可以逆转肿瘤相关细菌对药物分解代谢和对免疫抑制性肿瘤微环境的作用。 

但是,许多研究小组的最新发现清楚地表明,在抗PD1治疗前60天使用抗生素治疗会大大降低治疗效果。 这表明在癌症患者中应避免非必要地使用抗生素,并且在使用抗生素后我们应考虑将免疫疗法的启动延迟一定时间。

正如已经提到的,很明显,肠道微生物的有意(或无意)改变可能会影响对免疫检查点阻断的反应。

这包括抗生素的使用,现在有几项研究表明,在癌症患者中开始用免疫检查点阻断治疗之前服用抗生素,会导致生存率下降和对治疗的临床反应较差。

但是,我们对此的理解还不完整,需要做更多的研究以更好地了解影响肠道和其他部位的菌群的抗生素(以及其他药物和因素,例如饮食)如何影响癌症的发展和对肿瘤治疗的反应

根据这些发现,在癌症患者甚至潜在的健康个体中,我们可能需要发展并承担起抗生素管理的新角色。

在12项回顾性研究中,有11项研究表明抗生素对接受PD1或PDL1免疫检查点阻滞治疗的肺癌,肾癌或黑色素瘤患者的临床结果具有负面影响。 

在两个三级学术转诊中心进行的一项前瞻性,多中心队列研究招募了196名癌症患者,这些患者在2015年至2018年之间按常规临床实践(而非临床试验)接受了免疫检查点阻断疗法。

这项研究前瞻性地证实了在常规临床实践中,未经选择的接受免疫检查点阻断治疗的患者,先前(而非同时)抗生素治疗与较差的客观反应和总体生存率有关。

然而,许多问题仍未得到解答,例如用抗生素治疗后微生物群组成的表征,已使用抗生素的持续时间和光谱,以及潜在的混杂因素(例如,较差的体质)。 

许多癌症中心正在考虑如何延迟首次抗PD1或抗PDL1疗法的给药,并缩短抗生素的递送时间。

  Q5

您对益生菌在癌症免疫治疗中的潜在作用有何看法?

尽管某些益生菌在某种程度上可对某些疾病起作用,但在临床试验中很少进行严格测试。

我非常乐观的是,第二代益生菌将会从肠道中分离出,这样它们就能够真正在肠道中定植,这与目前大多数益生菌不同。 这些将是微生物的混合物,而不是单个菌株,以帮助建立新的微生物生态系统。

我相信在不久的将来,人们会发现可以增强癌症免疫疗法的混合物。也就是说,希望我们能够超越微生物而进入影响免疫疗法的分子中,因为这样我们就可以将这些微生物产品用作常规药物,而我们的卫生系统就是为这些药物而设计的。

我们对此必须非常非常谨慎。 人们普遍认为益生菌对人体有好处,但这是相对的,并取决于多种因素,包括本地宿主微生物群,任何潜在的医疗状况和饮食。  “益生菌”一词指的是活微生物,如果给予足够的量,可以为宿主带来健康益处。

但是,没有足够的科学证据证明疗效,也没有任何监管机构(例如美国食品和药物管理局)批准将其用于任何治疗用途; 相反,这些被许可用作膳食补充剂。 例如,非处方益生菌被广泛用于帮助抗生素治疗后恢复肠道菌群。需要注意的是,最近的研究表明,它们可能会产生相反的效果,这突出了仔细研究的必要性。

通常,使用非处方益生菌减轻胃肠道疾病有关,在许多情况下,这与它们的抗炎特性有关。重要的是,尽管研究仍在进行中,但尚未适当评估其在癌症免疫治疗中的作用。

这并不意味着新鉴定的益生菌可能不会对癌症免疫治疗有所帮助,而这些益生菌应该包含具有特定健康效应的安全性和有效性的明确证据的特定菌株(单个或联合体)。

传统的益生菌已被用于通过发酵保存食品。 因此,它们还没有出于特定目的从人的微生物群中合理地分离出来,它们也不一定是正常微生物群的一部分。  

此外,单一菌株的接种不能恢复正常微生物群中通常可见的多样性,并且缺乏强有力,长期益生菌植入的证据。 

因此,我认为常规的益生菌在临床上至多具有中等程度的作用。 从健康的供体或治疗反应者中分离出来的合理设计的微生物联合体可能会更有效。

传统的商业益生菌不太可能使接受免疫治疗的患者受益,因为它们会改变微生物群的组成和多样性,并可能导致营养不良,因此可能产生负面影响。 

但是,某些益生菌含有细菌(例如,双歧杆菌种),它们已在实验动物模型和癌症患者中均显示出,以增强对免疫疗法的反应。 

目前正在使用单一细菌菌株或已被初步确定为促进免疫疗法的细菌组合进行临床试验。一旦我们清楚地确定了有利的细菌种类并定义了它们的作用机制,它们在患者体内的定殖能力以及它们如何与现有微生物群落一起起作用,这种细菌疗法可能具有提高免疫疗法应答率的巨大潜力。

益生菌一词范围很广,是指被宣传为食用时具有健康益处的微生物。目前的非处方益生菌还没有在癌症患者中进行广泛的测试,甚至有证据表明报告服用非处方益生菌的患者在癌症免疫治疗后可能会有较少的多样性微生物群和更糟糕的结果。

临床前模型中的证据表明,大肠癌模型中非处方益生菌的施用与肿瘤发生的增加有关。因此,应警告癌症患者,非处方益生菌可能无益,在癌症治疗中应避免使用。

但是,我们需要把握机会,开发基于新见识而合理设计的下一代益生菌,但要进行广泛的测试以确保功效并证实其主张。

尽管益生菌通常被认为是一种营养素,可以补偿在使用抗生素、化疗和放疗治疗后出现的腹泻副作用,但许多益生菌菌株和制剂的结果是相互矛盾的。

临床前和回顾性研究似乎表明,使用益生菌可能会降低肠道菌群的α多样性,从而损害免疫检查点阻断的全面功效。 

因此,我们仍然需要评估单个微生物菌株如何在肠道中定居,并且需要研究它们对宿主代谢和免疫系统的影响。

在任何广泛和无针对性的使用之前,这些研究需要在来自不同类型癌症患者的本土微生物群的背景下进行。

  Q6

您认为该领域仍面临哪些关键问题和最大争议?

我认为动物模型和人类都有足够的初步证据表明微生物可以影响癌症的免疫治疗。 但是,还有许多其他问题。

这些包括以下内容。 

涉及的机制是什么? 

涉及哪些微生物? 

微生物产生什么分子来影响免疫治疗? 

我们能否开发出一种可靠的微生物群筛查方法,以识别哪些人会从生物素中受益,哪些人会在没有生物素的情况下做出反应?

最后,所有这些信息是否可以用来开发(1)活的细菌混合物和(2)微生物分子,它们可以可靠地用于接受免疫治疗的患者的临床。

对我来说,关键问题是这一切如何运作

一旦我们对系统学有了更深入的了解,就可以解决一些争议(例如,不同的研究人员发现与治疗结果相关的不同细菌类群,以及有关抗生素对反应率的正面和负面影响的报道)。 

另一个重要的问题是它会随着时间变化吗? 微生物群落,宿主免疫系统和癌细胞之间发生的三向相互作用不仅复杂,而且高度动态。这可能意味着在疾病/治疗的整个过程中将需要采用不同的针对微生物菌群的方法。

近年来,我们获得了大量知识; 然而,就我们对这些过程的理解而言,我们可能只是在摸索表面。

大量研究各自确定了不同的细菌,这些细菌可促进癌症患者免疫检查站阻断的功效。 

关键问题是这些细菌是否通过保守的功能途径增强了对免疫检查点的阻断,还是通过简单的机制简单地促进了相同的表型。 

如果保守的代谢途径起作用,则可以将功能上多余的一组细菌一起使用,以克服将单个细菌群落治疗性移植到不同患者微生物群上的可变成功率。

展望未来,我认为我们的主要目标如下:

首先,我们需要通过消除混杂因素(如早期接触,生活方式和地理差异)来预测有利于抗肿瘤免疫的微生物群组成。 

其次,我们需要确定特定的分类单元和/或调节抗肿瘤免疫力的微生物群的代谢途径和产物。 

第三,我们必须表征宿主免疫系统和微生物群之间发生串扰的潜在机制。 

第四,我们应该将这些分析扩展到理解除肠道以外的其他屏障组织的微生物群,确定与肿瘤相关的微生物群的作用,并阐明该微生物群的其他非细菌成分的作用,如真菌、病毒、噬菌体和原生动物。

最后,一旦确定了单个菌株或联合体,我们需要评估它们在患者体内的定殖能力,以及在现有微生物群落生态中以功能状态共存的能力。

我认为,需要考虑三个关键问题:

首先,什么是“完美”的肠道菌群? 同时,这种促进癌症免疫治疗反应的完美微生物群是否也有助于预防癌症的发生呢?它甚至能增强对疫苗的反应并促进整体免疫健康吗? 

第二,肿瘤微生物组的影响是什么? 我们能把这一点作为癌症预防的目标吗?

最后,我们如何协调微生物组学研究?

我认为在“免疫肿瘤学”领域中存在四个主要问题:

首先,我们如何在临床上定义肠道失调并开发适当的工具以进行准确诊断? 

第二,肠道失调是晚期癌症的原因和/或后果吗? 如果答案是肯定的,那么这是对任何一种癌症还是只对特定类型的癌症有效? 

第三,肠道失调是否会导致对癌症免疫疗法的“原发性耐药”? 

最后,我们能通过干预癌症相关的肠道失调来治愈这个问题吗?如果答案是肯定的,那么这种治愈是短暂的还是会产生长期影响?

03

结  语 

微生物群由共生细菌和生活在宿主上皮屏障上的其它微生物组成,影响着大量的生理功能,包括维持屏障的内稳态,调节新陈代谢、造血作用、神经系统、炎症、免疫力等。微生物群也参与了癌症的发生、进展和转移。

不断积累的研究表明,微生物群,尤其是肠道微生物群能够调节机体对癌症疗法的响应以及对毒副作用的敏感性。一旦确定了每一种临床状况所对应的最有利的微生物群组成,如何修改患者的微生物群将是下一步挑战。 

科学家们普遍认为在癌症和其它疾病中靶向微生物群可能会成为精准医疗和个性化医疗的下一个前沿方向之一,肠道微生物群的弹性、稳定性以及它对生理、病理以及环境变化的响应性使得我们能够利用微生物组的组成作为一种生物标志物、一种诊断工具或者一种治疗靶标。尽管通过靶向微生物组实现治疗干预这一研究领域还处在初始阶段,但一些途径已经证明了其可能性。

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参考文献:

BMJ 2020 07 14;370:m2795. Epub 2020 Jul 14.

Covid-19: disinfectants and sanitisers are changing microbiomes.  Department of Veterinary Microbiology, Lajpat Rai University of Veterinary and Animal Sciences, Hisar-125004, India.  doi.org/10.1136/bmj.m2795

Finlay, B. B., Goldszmid, R., Honda, K., Trinchieri, G., Wargo, J., & Zitvogel, L. (2020). Can we harness the microbiota to enhance the efficacy of cancer immunotherapy? Nature Reviews Immunology. doi:10.1038/s41577-020-0374-6 

01

杀菌剂和消毒剂正在改变微生物群落

随着 COVID-19 疫情的发展,相应的抗菌药物耐药性的加速确实令人担忧。疫情下,加剧了抗生素的大规模滥用,不仅用于治疗人类和动物疾病,而且也用于动物食品生产系统。

近日,BMJ发表一篇有关COVID-19的文章,消毒剂正在改变微生物群落。

幸运的是,现有的工具可用于研究抗生素耐药性的出现和蔓延,并作出“耐药”的知情预测。此外,全球和国家的具体行动计划已到位,以减轻抗生素耐药性威胁。

一个令人担忧的问题是,在Covid-19 大流行中,大量使用消毒剂,对人类、动物和环境中各种生态位的微生物群落产生了不可估量的影响。这种做法带来的结果可能是宿主-共生体相互作用中的失调,从而影响宿主的免疫功能新陈代谢生理参数以及对感染性和非传染性疾病的易感性

益生菌、免疫生物制剂、合生元等都是有望治疗失调的药物。但是,由于过度使用消毒剂而引起的问题,在全球范围内已经超出了生物失调的范畴,例如,医院内的致病菌粪肠球菌出现了抗酒精性,最近报道了万古霉素耐药菌株(如超级细菌)。

困境在于,通过使用消毒剂、杀菌剂和抗生素来遏制Covid-19,我们正在给微生物群落造成不可估量的附带损害,“抹去”了不同生态位的几个共生体,并可能为新的威胁制造 “地雷”。

我们需要利用现有的工具和技术,开发新的工具和技术,以便评估对微生物生态系统的损害,密切检查人与动物之间的微生物关系,预测新的威胁,并揭示控制这些威胁的检查点。

希望从使用抗生素、消毒剂和杀菌剂来遏制Covid-19的普遍智慧中学到的所有经验教训,都将引导我们进入一个装备更完善、威胁可控的未来。


02

能否利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

目前,人们对定义微生物群如何在癌症的背景下塑造免疫反应非常感兴趣。 在小鼠和人类中进行的各种研究都将特定的共生物种与不同癌症类型以及接受癌症免疫疗法治疗后的更好(或更坏)结果相关联。

但是,所涉及的机制仍然不确定,甚至存在争议。 在此观点下,《自然评论免疫学》邀请了该领域的六位著名科学家分享他们对该领域关键问题和挑战的看法

  Q1

越来越多的证据表明某些微生物可以对癌症的免疫反应产生正面或负面影响。 您能否评论一下我们对于微生物如何塑造免疫系统从而影响抗肿瘤免疫力机制的理解?

来自B. Brett Finlay 的看法:

毫无疑问,微生物可以塑造免疫系统。它们最深远的影响是在生命的早期,那时它们可以将免疫系统推向过敏性或非过敏性方向时,从而影响对许多免疫介导疾病的敏感性,例如哮喘,食物过敏和湿疹。

在小鼠中也有重要的证据表明,免疫系统的许多方面可以在以后的生命中通过依赖于微生物(如分段丝状细菌)的过程进行改变。

但是,目前严重缺乏对所有这些过程机制的理解。尽管有关于潜在机制的线索,但目前我们还没有从机制上理解微生物如何影响抗肿瘤免疫力。

来自Romina Goldszmid的看法:

我同意 Brett 的看法,不同的非相互排斥的情况下,细菌,其产物和/或其代谢物通过调节免疫系统的组成部分来影响肿瘤免疫。 

细菌及其产物可针对髓样细胞(例如,它们可以激活抗原呈递细胞,从而帮助引发抗肿瘤T细胞反应,调节促炎性细胞因子和活性氧的产生,或调节髓样细胞的免疫抑制活性)。 

细菌也可以作为抗原源,通过分子模拟影响肿瘤免疫反应(也就是说,识别细菌表位的T细胞可以识别在肿瘤细胞上表达的相似表位),或者可以驱动旁观者T细胞活化。 

其他人则提出了一种间接机制,细菌产物可通过这种间接机制诱导肿瘤中的免疫原性细胞死亡并随后进行免疫活化。对于不同的肿瘤类型和不同的治疗方式,该机制可能会有所不同。 

此外,到目前为止,大多数努力都集中在细菌微生物组的作用上,我们对病毒组(病毒),真菌组(真菌)和寄生组(寄生虫)对抗肿瘤免疫的作用了解甚少。

来自Kenya Honda的看法:

多项研究表明,微生物群至少部分通过系统激活CD8+T细胞(尤其是干扰素-γ(IFNγ)+亚群)增强免疫检查点阻断。

从理论上讲,微生物介导的肿瘤浸润IFNγ+ CD8 + T细胞的诱导可能是由多种机制引起的,包括

(1)肠道诱导的CD8 + T细胞的系统循环

(2)细菌抗原或载有细菌或细菌的树突状细胞

(3)细菌代谢物(由微生物群诱导或产生)和/或细胞因子。

根据我们实验室的观察,肠道来源的CD8 + T细胞不太可能迁移到肠道外,在远端组织中全身循环并调节抗肿瘤免疫力,因为IFNγ+ CD8 + T细胞在肠道和肠道外肿瘤中蓄积。在表型上是不同的。 

细菌抗原或负载细菌的树突状细胞的系统性循环也不大可能,因为在不同解剖部位的T细胞受体用途或T细胞的抗原特异性没有重叠。 

最简单,最可能的解释是,肿瘤中CD8 + T细胞的积累是由于微生物群中免疫调节分子和/或代谢产物的循环所致。由于免疫调节似乎独立于主要的先天免疫信号传导途径而发生,因此代谢产物(也许是几种)而不是与微生物相关的分子模式可能负责形成CD8 + T细胞的抗肿瘤免疫应答。

来自Giorgio trinchieri的看法:

微生物群还调节单核细胞衍生的细胞和嗜中性粒细胞的肿瘤浸润。

革兰氏阴性细菌可以响应CpG寡聚脱氧核苷酸(通过脂多糖介导的Toll样受体4(TLR4)信号转导)引发髓样细胞产生免疫调节细胞因子,例如肿瘤坏死因子(TNF)和IL-12。

微生物细胞介导的骨髓细胞引发活性氧的产生会影响铂类化学疗法药物的抗肿瘤功效。

微生物代谢产物(例如短链脂肪酸)和其他微生物产物调节调节性T细胞和细胞毒性T细胞。

在小鼠肝癌模型中,肠道微生物群中存在的梭状芽孢杆菌将原发性胆汁酸转化为继发性胆汁酸,降低了肝脏中原发性胆汁酸诱导的CXC-趋化因子配体16(CXCL16)的表达;因为这种趋化因子吸引具有抗肿瘤活性的自然杀伤性T细胞,这些细菌与抗肿瘤活性降低有关。

常规和非常规T细胞的细菌识别也可能有助于抗肿瘤免疫反应,并可能通过抗原模拟来激活抗肿瘤T细胞。

来自Jennifer wargo的看法:

正如Giorgio所提到的,特定的微生物和微生物群落可能会对癌症的免疫反应产生正面或负面的影响。  对于在肿瘤本身内发现的微生物以及对于肠道菌群中存在的微生物而言,都是如此。 

大量的证据与肠道微生物有关,其中肠道微生物群的多样性增加和组成差异与更有利的抗肿瘤免疫反应有关。

肠道微生物可通过肠道和肠系膜淋巴结水平上的相互作用以及代谢产物和其他循环因子介导的更远端效应来调节抗肿瘤免疫(以及一般的免疫系统)。

在过去的几年中,我们对所涉及的机制有了深刻的了解,但是仍然有很多值得学习的地方,并且存在难以置信的机会来获得进一步的机制见解。

来自Laurence Zitvogel的看法:

有几种独立的机制-有些加成机制,有些不是-当然也不能互斥,这可以解释不同的共生体对肿瘤免疫监视的免疫刺激(或抑制)作用。 我建议这里有四种主要的行动方式,其中一些已经被提及。

一,共生体可以直接为免疫系统提供抗原性和佐剂性。 

二,它们确保上皮屏障的适应性。 

三,共生体调节宿主的新陈代谢。 

四,共生体调节微生物群生态系统(共生共存网络对于体内平衡至关重要)。

已有研究表明,肠道共生体(例如多形拟杆菌或海氏肠球菌)和自身抗原或癌细胞相关抗原出现在自身免疫性疾病和癌症中,这解释了通常维持在肠道中的T细胞池调动,通常维持在肠道内,向远处和肠外炎症性病变发展。

双歧杆菌属或脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和Akkermansia muciniphila可以介导对肿瘤引流淋巴结中存在的树突状细胞产生辅助作用,从而触发1型干扰素或IL-12指纹,这与保护性1型T辅助细胞(TH1细胞)和CD8 + T细胞抗肿瘤免疫反应相关。 

通过直接影响上皮的完整性,抗癌疗法(例如化学疗法,酪氨酸激酶抑制剂或抗CTLA4免疫检查点阻断)调节了微生物群的组成,最终导致肠道上皮细胞(IEC)的凋亡,主要发生在肠道隐窝中。

根据回肠微生物群的组成,IEC的死亡可以是免疫原性或耐受性的,因此可以调节抗肿瘤免疫监测。

与微生物群落从专性厌氧菌转变为兼性厌氧菌有关的失调会导致结肠变形杆菌种类的增加。 这与抵抗免疫检查点的抵抗力相关。  

IECs上微生物依赖的MHC II类表达上调也可引发移植物抗宿主病(GVHD),从而控制某些血液系统恶性肿瘤。

注:移植物抗宿主病(GVHD)是由于移植后异体供者移植物中的T淋巴细胞,经受者发动的一系列“细胞因子风暴”刺激,大大增强了其对受者抗原的免疫反应,以受者靶细胞为目标发动细胞毒攻击,其中皮肤、肝及肠道是主要的靶目标。

  Q2

我们是否即将知道“好”的微生物菌群是什么样子? 而且这也将取决于个体环境吗? 例如,促进抗癌免疫力的微生物群还会增加自身免疫的可能性吗?

这仍然是微生物群领域中的主要问题。我们非常擅长将某些疾病个体中存在的不良微生物群与健康个体中的微生物群区分开来,但要确定“正常”微生物群是什么仍然难以捉摸。

问题的一部分是微生物学家强烈希望定义单个微生物物种或操作分类单位。但是,重点应该真正放在“好”菌群的作用上。物种之间的路径有很大的冗余,这意味着两个物种可以执行相同的功能,因此微生物群落在个体之间存在着主要的异质性。这方面的例子可以在抗癌研究中看到,每项研究都发现与不同的微生物有关。

关于良好的菌群是什么样还没有共识。实际上,在健康个体之间,微生物群组成存在巨大差异。

如果一个人健康,是否应该假设他/她拥有良好的微生物群?考虑到许多因素,例如宿主遗传学,饮食,地理位置和生活方式,这些因素会不断影响微生物菌群的组成和功能状态。

因此对于具有特定病理状况的个体可能有益的微生物菌群可能对另一个个体或个体都不那么有利。 即使是同一个人在不同情况下。所以我会说是的。这肯定是个体环境相关的。

良好的微生物群组成的共性仍然难以捉摸。的确,即使是单一优良菌群的概念也是模棱两可的,因为不同的成分可能有效地保护了不同宿主中的不同生物。 

这是因为细菌可以适应给定的生态系统,该生态系统由宿主衍生因子和微生物群落的其他成员组成,并因此以个体环境相关的方式发挥作用。

微生物诱导的T细胞的免疫学作用类似地取决于环境,因此在个体之间可以不同。

但是,我相信有效促进抗癌免疫力的微生物群并不一定会诱发自身免疫,因为可以在不影响CTLA4和PD1表达或不影响调节性T细胞和自身反应性T细胞频率的情况下实现微生物群介导的效应T细胞活化。 

因此,在我看来,良好或有效的微生物群可以增强针对非自我的免疫反应,包括肿瘤新抗原,而不会破坏免疫耐受性。

微生物群对炎症和免疫力的调节在预防癌症和治疗癌症方面有不同的作用。与抗PD1治疗有效反应相关的细菌种类已被鉴定,但在各种研究中发现不一致。这可能是由于人体肠道微生物群组成的个体差异和环境因素(例如,饮食和地理分布)的影响。

在我们的早期分析中,我们发现在某些情况下,相同的细菌种类可能与抗肿瘤免疫水平和免疫治疗后发生的免疫相关不良事件有关,尽管Laurence的小组已经报道,将抗CTLA4治疗的增强作用与自身免疫诱导分离开来的细菌组成。

现在,已在人类队列中发表了大量研究,证明了癌症类型中反应者与非反应者肠道微生物组的差异性特征。 但是,在所有这些队列中识别出的分类单元之间只有适度的重叠。

一项研究表明,具有 “1型” 肠道微生物组特征,含丰富的“有利”微生物(如瘤胃球菌科)的患者对免疫检查点阻断治疗更有反应。

但重要的是要记住,可能不是特定的分类群驱动,而是微生物群落的整体功能。研究表明,给定微生物群落的功能能力可能比给定微生物群落中微生物的分类学更为重要,从而支持“功能超过系统发育”的概念。

尽管人们可能认为一种促进抗癌免疫力的特定微生物群也可能增加自身免疫的可能性;但有证据却恰恰相反,也就是说,与更好的抗肿瘤免疫反应有关的肠道菌群实际上也与较低的自身免疫可能性有关。同时,较低的微生物多样性与治疗毒性增加有关。

是的,在我看来,我们接近于描述有益和有害的微生物群组成。

不同的肠道细菌群落与良好的健康状况有关;A. muciniphila、瘤胃球菌科和双歧杆菌属与预防胰岛素抵抗、延长寿命或对免疫检查点阻断的更好反应有关。

相比之下,其他的共生厌氧细菌(如Proteobacteriaceae科和肠杆菌科)则利用IEC压力,并具有对免疫检查点阻滞或化学疗法的抵抗力。

在抗PD1或抗PDL1治疗前1个月给药时,抗生素会降低免疫检查点阻断在肾癌和肺癌中的功效,它们会消除有益细菌,包括瘤胃球菌和梭菌科。

然而,如已经提到的,特定的共生菌株是否具有有益或有害作用将取决于个体微环境。

例如,多形拟杆菌表达的肽模拟肌球蛋白重链,它是心肌的组成部分,在自体免疫性心肌炎的背景下,这种共生体可以引发产生致病性IL-17的T辅助细胞(TH17细胞)反应。 

然而,在抗CTLA4的癌症免疫治疗中,多形拟杆菌也可以促进保护性的IL-12依赖性TH1型免疫应答。

另一个例子是鸡肠球菌。当以单药疗法给予小鼠时,某些鸡肠球菌显示出抗肿瘤活性,而其他菌株与小鼠和人体内系统性红斑狼疮的发生有关。

  Q3

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的功效有多可行? 您是否希望有一天将生物药物作为癌症治疗的组成部分?

正在进行大量的改变微生物群的工作,诸如Vedanta之类的公司正在积极地使用确定的活微生物混合物进行临床试验。

本质上,需要替换或增强生态系统,因此用抗生素(以破坏驻留的微生物)或抗炎剂(以允许传入的微生物混合物建立自身)进行预处理可以有所帮助。 

毫无疑问,在接下来的几年中,将有多种微生物混合物被用作治疗疾病的生物。 几个小组正在尝试将其用于癌症治疗,并且根据小鼠的数据,如果可以建立正确的微生物混合物,则很有可能起作用。

可以使用不同的策略:

粪便移植,转移确定的细菌联合体或单个细菌分离物,使用益生元或通过饮食干预来改变现有微生态或个别菌群,以及从整体性改变菌群(使用广谱抗生素)到局部性改变(例如,使用窄谱抗微生物剂或噬菌体)。尚不清楚应单独或组合使用这些策略中的哪一个(如果有)。

然而,鉴于越来越多的证据表明微生物群会影响治疗结果,因此可以预见,考虑微生物群有一天将成为癌症治疗不可或缺的一部分。

来自健康捐献者或治疗反应者的粪便微生物菌群移植(FMT)的初步研究显示出的结果表明,可以合理地控制微生物菌群的组成。 

但是,考虑到FMT的机理和成分的不确定性,我认为由定义好的一组特征良好的细菌组成的微生物疗法既可行,也更理想。 

然而,实现外源细菌菌株在复杂的常驻菌群内的稳定植入可能是具有挑战性的

研究表明,外在因素(例如营养素和抗生素)可以促进稳定的移入(尽管我们将尽可能避免使用抗生素,如下文更详细地讨论)。 补充确定的营养可以为特定的菌群提供食物,因此可以诱导肠道菌群的系统发育和功能重构,从而产生更有利于外源细菌植入的环境。

成人微生物群具有弹性,如果不消除现有微生物群,很难诱导患者微生物群发生重大变化。

但是,在与匹兹堡大学和MD安德森癌症中心合作正在进行的临床研究中,以及我们自己的小鼠研究中,我们有早期证据表明FMT以及影响微生物菌群的饮食变化可能会改善正在接受抗PD1治疗的黑色素瘤患者的抗肿瘤免疫反应。 

我认为,对于改变微生物群的这类方法的广泛临床应用,我们仍然需要更好地了解有利于抗肿瘤反应的物种和微生物群组成以及潜在的机制。

但正如Romina所说,这些很可能最终成为癌症治疗的标准程序。

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的效力当然是可行的。确实,在美国癌症研究协会(AACR)2019年年会上提出的两项研究表明可能是这种情况。 

肠道菌群的调节可通过多种不同的策略来完成,在考虑使用最合适的策略时,必须考虑许多因素(以及相关因素,如治疗期间的饮食)

正如我的一些同事已经提到的那样,在癌症患者中使用FMT并短暂影响宿主微生物群的组成是可行的。 

鉴于在PD1阻断开始后的头6-8周内进行免疫刺激至关重要,我们推测即使同种异体菌群未定植于受体,患者仍将从移植中受益。

然而,采用最佳选择粪便样本的标准(基于尚待确定的最佳成分,或基于健康状况-完全应答者与健康志愿者的比较)仍然是一个难题。

是的,我设想抗癌益生菌将有一天取代FMT,前提是单克隆益生菌或极简生态系统不会导致具有调节生物活性的α多样性降低和菌群补偿性增加(而非免疫刺激性)。

间歇性使用活体生物疗法可能比连续治疗更受青睐。

  Q4

2013年发表的开创性研究表明,微生物群的耗竭削弱了对化学疗法和免疫疗法的反应。这项工作是否引起了我们对癌症患者应如何使用抗生素的重新思考?

这都是抗生素更大问题的一部分-我们现在意识到,它们对癌症患者不再无害。

我们很久以来就已经意识到抗生素耐药性问题,但现在我们意识到它们还以显著的长期影响干扰了微生物群。因为癌症患者接受许多抗生素治疗,这对癌症来说是一个特别的问题。

需要记住的是,不同的抗生素会影响不同的微生物,因此不能将它们混在一起。关于影响免疫治疗的某些抗生素可能会好坏,我们只是不知道。 

当我们定义免疫治疗涉及哪些微生物时,它将有助于指导抗生素治疗及其谨慎使用。

它无疑提高了人们的认识,并促使调查人员仔细观察。

最近对癌症患者的研究发现,在治疗开始前不久或短时间内使用抗生素会降低化疗和免疫疗法的反应率,而其他人则未发现临床影响。

但是,所有这些研究都有一些警告,需要进行大规模的前瞻性临床试验。抗生素在癌症治疗中的使用还带来了其他毒性作用,例如与GVHD相关的死亡率增加,以及自相矛盾的是,接受造血干细胞移植的血液系统恶性肿瘤患者感染的风险更高。及时治疗癌症患者的感染至关重要。

因此,如何在这些患者中使用抗生素以最大程度地减少对微生物群的附带损害是医生面临的挑战,需要进一步研究。

这些研究无疑使我们重新考虑了在癌症中使用抗生素的情况。这些开创性研究发表后,随后的几项研究报道,微生物群多样性是与有效的癌症免疫力相关的最重要的特征之一。 

一直以来,我从临床医生那里听说,抗生素的使用会削弱免疫检查点阻断的功效。临床医生倾向于在特别害怕机会性感染的情况下预防性地使用抗生素,免疫功能低下的患者就是这样。

高度多样化的微生物群具有通过多种机制抑制病原体感染,包括通过营养竞争,抗菌产物的分泌和宿主免疫系统的激活。 

因此,除了可以增强抗癌免疫力的效应菌群外,重要的是要确定抑制病原体入侵的支持性微生物群。 以活菌疗法的形式综合利用这些微生物活性,是一种在不使用抗生素的情况下同时根除肿瘤和对抗机会性感染的有希望的方法。

这些研究大量使用了几乎完全消灭肠道菌群的抗生素混合物,并不代表抗生素的临床使用。

一些研究表明,单一抗生素的施用可能会增强抗肿瘤反应,例如,通过影响胆汁酸的代谢。 用单一抗生素治疗还可以逆转肿瘤相关细菌对药物分解代谢和对免疫抑制性肿瘤微环境的作用。 

但是,许多研究小组的最新发现清楚地表明,在抗PD1治疗前60天使用抗生素治疗会大大降低治疗效果。 这表明在癌症患者中应避免非必要地使用抗生素,并且在使用抗生素后我们应考虑将免疫疗法的启动延迟一定时间。

正如已经提到的,很明显,肠道微生物的有意(或无意)改变可能会影响对免疫检查点阻断的反应。

这包括抗生素的使用,现在有几项研究表明,在癌症患者中开始用免疫检查点阻断治疗之前服用抗生素,会导致生存率下降和对治疗的临床反应较差。

但是,我们对此的理解还不完整,需要做更多的研究以更好地了解影响肠道和其他部位的菌群的抗生素(以及其他药物和因素,例如饮食)如何影响癌症的发展和对肿瘤治疗的反应

根据这些发现,在癌症患者甚至潜在的健康个体中,我们可能需要发展并承担起抗生素管理的新角色。

在12项回顾性研究中,有11项研究表明抗生素对接受PD1或PDL1免疫检查点阻滞治疗的肺癌,肾癌或黑色素瘤患者的临床结果具有负面影响。 

在两个三级学术转诊中心进行的一项前瞻性,多中心队列研究招募了196名癌症患者,这些患者在2015年至2018年之间按常规临床实践(而非临床试验)接受了免疫检查点阻断疗法。

这项研究前瞻性地证实了在常规临床实践中,未经选择的接受免疫检查点阻断治疗的患者,先前(而非同时)抗生素治疗与较差的客观反应和总体生存率有关。

然而,许多问题仍未得到解答,例如用抗生素治疗后微生物群组成的表征,已使用抗生素的持续时间和光谱,以及潜在的混杂因素(例如,较差的体质)。 

许多癌症中心正在考虑如何延迟首次抗PD1或抗PDL1疗法的给药,并缩短抗生素的递送时间。

  Q5

您对益生菌在癌症免疫治疗中的潜在作用有何看法?

尽管某些益生菌在某种程度上可对某些疾病起作用,但在临床试验中很少进行严格测试。

我非常乐观的是,第二代益生菌将会从肠道中分离出,这样它们就能够真正在肠道中定植,这与目前大多数益生菌不同。 这些将是微生物的混合物,而不是单个菌株,以帮助建立新的微生物生态系统。

我相信在不久的将来,人们会发现可以增强癌症免疫疗法的混合物。也就是说,希望我们能够超越微生物而进入影响免疫疗法的分子中,因为这样我们就可以将这些微生物产品用作常规药物,而我们的卫生系统就是为这些药物而设计的。

我们对此必须非常非常谨慎。 人们普遍认为益生菌对人体有好处,但这是相对的,并取决于多种因素,包括本地宿主微生物群,任何潜在的医疗状况和饮食。  “益生菌”一词指的是活微生物,如果给予足够的量,可以为宿主带来健康益处。

但是,没有足够的科学证据证明疗效,也没有任何监管机构(例如美国食品和药物管理局)批准将其用于任何治疗用途; 相反,这些被许可用作膳食补充剂。 例如,非处方益生菌被广泛用于帮助抗生素治疗后恢复肠道菌群。需要注意的是,最近的研究表明,它们可能会产生相反的效果,这突出了仔细研究的必要性。

通常,使用非处方益生菌减轻胃肠道疾病有关,在许多情况下,这与它们的抗炎特性有关。重要的是,尽管研究仍在进行中,但尚未适当评估其在癌症免疫治疗中的作用。

这并不意味着新鉴定的益生菌可能不会对癌症免疫治疗有所帮助,而这些益生菌应该包含具有特定健康效应的安全性和有效性的明确证据的特定菌株(单个或联合体)。

传统的益生菌已被用于通过发酵保存食品。 因此,它们还没有出于特定目的从人的微生物群中合理地分离出来,它们也不一定是正常微生物群的一部分。  

此外,单一菌株的接种不能恢复正常微生物群中通常可见的多样性,并且缺乏强有力,长期益生菌植入的证据。 

因此,我认为常规的益生菌在临床上至多具有中等程度的作用。 从健康的供体或治疗反应者中分离出来的合理设计的微生物联合体可能会更有效。

传统的商业益生菌不太可能使接受免疫治疗的患者受益,因为它们会改变微生物群的组成和多样性,并可能导致营养不良,因此可能产生负面影响。 

但是,某些益生菌含有细菌(例如,双歧杆菌种),它们已在实验动物模型和癌症患者中均显示出,以增强对免疫疗法的反应。 

目前正在使用单一细菌菌株或已被初步确定为促进免疫疗法的细菌组合进行临床试验。一旦我们清楚地确定了有利的细菌种类并定义了它们的作用机制,它们在患者体内的定殖能力以及它们如何与现有微生物群落一起起作用,这种细菌疗法可能具有提高免疫疗法应答率的巨大潜力。

益生菌一词范围很广,是指被宣传为食用时具有健康益处的微生物。目前的非处方益生菌还没有在癌症患者中进行广泛的测试,甚至有证据表明报告服用非处方益生菌的患者在癌症免疫治疗后可能会有较少的多样性微生物群和更糟糕的结果。

临床前模型中的证据表明,大肠癌模型中非处方益生菌的施用与肿瘤发生的增加有关。因此,应警告癌症患者,非处方益生菌可能无益,在癌症治疗中应避免使用。

但是,我们需要把握机会,开发基于新见识而合理设计的下一代益生菌,但要进行广泛的测试以确保功效并证实其主张。

尽管益生菌通常被认为是一种营养素,可以补偿在使用抗生素、化疗和放疗治疗后出现的腹泻副作用,但许多益生菌菌株和制剂的结果是相互矛盾的。

临床前和回顾性研究似乎表明,使用益生菌可能会降低肠道菌群的α多样性,从而损害免疫检查点阻断的全面功效。 

因此,我们仍然需要评估单个微生物菌株如何在肠道中定居,并且需要研究它们对宿主代谢和免疫系统的影响。

在任何广泛和无针对性的使用之前,这些研究需要在来自不同类型癌症患者的本土微生物群的背景下进行。

  Q6

您认为该领域仍面临哪些关键问题和最大争议?

我认为动物模型和人类都有足够的初步证据表明微生物可以影响癌症的免疫治疗。 但是,还有许多其他问题。

这些包括以下内容。 

涉及的机制是什么? 

涉及哪些微生物? 

微生物产生什么分子来影响免疫治疗? 

我们能否开发出一种可靠的微生物群筛查方法,以识别哪些人会从生物素中受益,哪些人会在没有生物素的情况下做出反应?

最后,所有这些信息是否可以用来开发(1)活的细菌混合物和(2)微生物分子,它们可以可靠地用于接受免疫治疗的患者的临床。

对我来说,关键问题是这一切如何运作

一旦我们对系统学有了更深入的了解,就可以解决一些争议(例如,不同的研究人员发现与治疗结果相关的不同细菌类群,以及有关抗生素对反应率的正面和负面影响的报道)。 

另一个重要的问题是它会随着时间变化吗? 微生物群落,宿主免疫系统和癌细胞之间发生的三向相互作用不仅复杂,而且高度动态。这可能意味着在疾病/治疗的整个过程中将需要采用不同的针对微生物菌群的方法。

近年来,我们获得了大量知识; 然而,就我们对这些过程的理解而言,我们可能只是在摸索表面。

大量研究各自确定了不同的细菌,这些细菌可促进癌症患者免疫检查站阻断的功效。 

关键问题是这些细菌是否通过保守的功能途径增强了对免疫检查点的阻断,还是通过简单的机制简单地促进了相同的表型。 

如果保守的代谢途径起作用,则可以将功能上多余的一组细菌一起使用,以克服将单个细菌群落治疗性移植到不同患者微生物群上的可变成功率。

展望未来,我认为我们的主要目标如下:

首先,我们需要通过消除混杂因素(如早期接触,生活方式和地理差异)来预测有利于抗肿瘤免疫的微生物群组成。 

其次,我们需要确定特定的分类单元和/或调节抗肿瘤免疫力的微生物群的代谢途径和产物。 

第三,我们必须表征宿主免疫系统和微生物群之间发生串扰的潜在机制。 

第四,我们应该将这些分析扩展到理解除肠道以外的其他屏障组织的微生物群,确定与肿瘤相关的微生物群的作用,并阐明该微生物群的其他非细菌成分的作用,如真菌、病毒、噬菌体和原生动物。

最后,一旦确定了单个菌株或联合体,我们需要评估它们在患者体内的定殖能力,以及在现有微生物群落生态中以功能状态共存的能力。

我认为,需要考虑三个关键问题:

首先,什么是“完美”的肠道菌群? 同时,这种促进癌症免疫治疗反应的完美微生物群是否也有助于预防癌症的发生呢?它甚至能增强对疫苗的反应并促进整体免疫健康吗? 

第二,肿瘤微生物组的影响是什么? 我们能把这一点作为癌症预防的目标吗?

最后,我们如何协调微生物组学研究?

我认为在“免疫肿瘤学”领域中存在四个主要问题:

首先,我们如何在临床上定义肠道失调并开发适当的工具以进行准确诊断? 

第二,肠道失调是晚期癌症的原因和/或后果吗? 如果答案是肯定的,那么这是对任何一种癌症还是只对特定类型的癌症有效? 

第三,肠道失调是否会导致对癌症免疫疗法的“原发性耐药”? 

最后,我们能通过干预癌症相关的肠道失调来治愈这个问题吗?如果答案是肯定的,那么这种治愈是短暂的还是会产生长期影响?

03

结  语 

微生物群由共生细菌和生活在宿主上皮屏障上的其它微生物组成,影响着大量的生理功能,包括维持屏障的内稳态,调节新陈代谢、造血作用、神经系统、炎症、免疫力等。微生物群也参与了癌症的发生、进展和转移。

不断积累的研究表明,微生物群,尤其是肠道微生物群能够调节机体对癌症疗法的响应以及对毒副作用的敏感性。一旦确定了每一种临床状况所对应的最有利的微生物群组成,如何修改患者的微生物群将是下一步挑战。 

科学家们普遍认为在癌症和其它疾病中靶向微生物群可能会成为精准医疗和个性化医疗的下一个前沿方向之一,肠道微生物群的弹性、稳定性以及它对生理、病理以及环境变化的响应性使得我们能够利用微生物组的组成作为一种生物标志物、一种诊断工具或者一种治疗靶标。尽管通过靶向微生物组实现治疗干预这一研究领域还处在初始阶段,但一些途径已经证明了其可能性。

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参考文献:

BMJ 2020 07 14;370:m2795. Epub 2020 Jul 14.

Covid-19: disinfectants and sanitisers are changing microbiomes.  Department of Veterinary Microbiology, Lajpat Rai University of Veterinary and Animal Sciences, Hisar-125004, India.  doi.org/10.1136/bmj.m2795

Finlay, B. B., Goldszmid, R., Honda, K., Trinchieri, G., Wargo, J., & Zitvogel, L. (2020). Can we harness the microbiota to enhance the efficacy of cancer immunotherapy? Nature Reviews Immunology. doi:10.1038/s41577-020-0374-6 

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