最新研究进展|肠道微生物组在改善抗癌治疗效果方面的强大作用

最新研究进展|肠道微生物组在改善抗癌治疗效果方面的强大作用

世界卫生组织(WHO)已将癌症确立为一种全球威胁,每年夺去大量生命。 仅在2018年,它就造成960万人死亡,是全球第二大死亡原因。癌症仍然是主要的健康灾难。

最近的研究已指出人类共生肠道微生物群参与调节化学疗法和免疫疗法的结果。 它主要是通过调节药物的代谢和宿主免疫反应来实现的。

癌症的治疗方式探索

在过去的十年中,在诸如外科手术,化学疗法,放射疗法,免疫疗法和激素疗法之类的针对癌症的治疗方式的进步上的不懈而巨大的努力已经成功地改善了大多数患有该疾病的个体的临床结果。

然而依然会发现许多不利因素,例如,肿瘤复发和转移的频率增加以及新兴的癌症耐药性,此外,大多数抗癌药物对正常细胞仍具有攻击性。这些都影响了生活质量,且癌症患者的死亡人数仍然居高不下。

我们需要对肿瘤发生基础的多因素病因有更清楚的理解,这有助于增强抗癌治疗的有效性。值得关注的是,一些研究表明,人体中存在的微生物是致癌作用的关键决定因素,可以影响癌症的发生,进展,最重要的是对治疗的反应。

人体微生物组

人体是数万亿种微生物的生态家园,它们与宿主健康的维护密切相关。诺贝尔奖获得者约书亚·莱德伯格(Joshua Lederberg)于2001年将这样的微生物群落称为“微生物组”。

微生物遍布全身,其中肠道微生物群是最受欢迎和研究最深入的系统。人的肠道微生物主要包含细菌,病毒,真菌,古细菌和小型原生动物的异质等。

最新研究强调了肠道菌群对宿主健康的不同作用。 肠道内的微生物通过调节大量的基本生物学过程,在宿主系统内提供保护并维持体内平衡。 这些可能包括监测上皮的发育,营养吸收,代谢功能和先天免疫反应,包括免疫细胞的活化和成熟,防止全身性渗透和肠道病原体排出。

相反,对这种自然存在的原有菌群的扰动,被称为微生物失调,与各种病理状况有关,例如糖尿病,肥胖症,炎性疾病,代谢综合症,肝硬化甚至各种癌症。

肠道菌群对健康的作用

宿主和肠道微生物群共同努力的结果是,全身功能(如能量平衡,营养,代谢,认知功能,心血管功能,昼夜节律,炎症,先天性和适应性免疫)之间的微妙平衡。

肠道菌群的各种成员,包括拟杆菌属,乳杆菌属和双歧杆菌属,与某些食物的消化密切相关。肠道微生物群除了影响脂类和蛋白质的稳态以及必需营养维生素的合成外,还有助于维持能量平衡。

此外,肠道体液和细胞黏膜免疫系统的正常发育是由肠道菌群分泌的代谢物和信号分子介导的。

肠道微生物群可调节多种生理功能

肠道微生物通过调节大量的系统功能,在维持宿主正常健康方面起着关键作用。它对中枢免疫系统、消化系统和其他系统有很大的贡献。肠道微生物群本身会受到多种外部因素的影响,如饮食、抗生素的使用和不同的治疗模式。这种修改反过来又会影响其监管功能。

随着宏基因组学以及涉及下一代测序(NGS)和16S rRNA扩增子计算分析的多学科方法的出现,人们对肠道微生物组多样性和丰富度有了更多的了解,宏基因组测序已揭示癌症患者中微生物群落的显著改变。

癌症中微生物群的变化

胃癌:

从胃癌患者提取的组织中检测到厚壁菌、变形菌、放线杆菌和梭杆菌。此外,胃癌症患者表现出21个细菌类群的显著富集,包括核梭杆菌、微小微胞菌、血管紧张链球菌和消化链球菌口炎,并减少了10个分类群。

胰腺癌:

一项宏基因组研究还表明,口腔中存在嗜血杆菌、卟啉单胞菌、瘦肉杆菌和梭杆菌属物种与胰腺癌的风险增加有关。

16srrna基因测序预测卟啉单胞菌、放线菌、奈瑟菌、链球菌、类双歧杆菌和梭杆菌在胰腺癌的发生发展中起重要作用。

结直肠癌:

研究表明,大肠埃希菌、脆弱类杆菌和厌氧消化链球菌具有致癌潜力,可诱导遗传毒性应激、胆固醇生物合成和激活Th1免疫反应。宏基因组分析发现,在结直肠肿瘤患者中,除了明显的病毒组特征外,微小单胞菌、消化链球菌、梭杆菌和卟啉菌都有明显的积累。

另有更详细的研究表明,CRC相关菌群可分为三种不同的模式。

肝细胞癌:

肝癌发生发展涉及慢性肝细胞死亡、炎症和肝组织修复诱导的纤维化等多个阶段。肠道菌群的变化趋势如下:

注:HCC-肝细胞癌;HBV-HCC: 乙肝感染引起肝细胞癌;HCV-HCC: 丙肝感染引起肝细胞癌;NV-HCC: 非病毒性肝细胞癌

癌变起因于肠道微生物群的生态失调

良好平衡的肠道微生物群对健康生活十分重要。而肠道微生物群的失调会加剧不同癌症的致癌发展。

几项使用无菌小鼠模型的临床前研究揭示了肠道微生物组通过不同机制在癌症发生和进展中的作用。

肠道微生物群积极参与肿瘤的发生和发展


Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020

癌症的发生是一个动态的过程,许多内在因素促成了它的发生。肠道微生物群在决定转化细胞的命运方面起着至关重要的作用。微生物失调可能会促进肿瘤的发生,并导致肿瘤转移。

促癌微生物最突出的例子是幽门螺杆菌,它会感染胃并刺激胃癌的形成。幽门螺杆菌是唯一获得IARC认可的I类人类致癌物的细菌。 其主要作用方式包括分泌毒力因子,主要是空泡细胞毒素A(vacA)和细胞毒素相关基因A(CagA).

这些已被证明可以激活致癌途径,从而异常转化细胞增殖,细胞周期转变和细胞死亡。 可以诱发癌变的其他间接机制包括氧化应激的产生。

这有助于促进突变的基因组不稳定性和宿主炎症和免疫反应的操控,从而帮助肿瘤细胞逃避免疫监视. 例如,幽门螺杆菌和粪肠球菌成功诱导氧化应激,从而导致基因组损伤并最终导致肿瘤发生。

参与肿瘤发生的肠道菌群列表

其他毒素,例如大肠杆菌产生的大肠杆菌杆菌毒素和细胞致死性扩张毒素(CDT)表现出DNase活性,为DNA损伤铺平了道路,最终导致异常的细胞周期,基因组攻击和致瘤性进展。肠杆菌科的Colibactin类似地在宿主细胞中诱导DNA双链断裂。

致病性弗氏志贺氏菌是肠道微生物的另一个例子,其酶肌醇磷酸磷酸酶D(IpgD)和半胱氨酸蛋白酶样毒力基因A(VirA)介导宿主p53降解。

另一方面,梭菌梭状芽胞杆菌(Clostridium scindens)参与胆酸向脱氧胆酸(DCA)的转化,所述脱氧胆酸起肿瘤诱导剂的作用。DCA还参与了花生四烯酸的释放,花生四烯酸被COX-2和脂氧合酶转化为炎症分子前列腺素和DNA损伤剂活性氧(ROS).

粪肠球菌可促进细胞外超氧化物(O2-)的产生,从而引入DNA双链断裂和点突变。

某些炎性细菌,例如沃兹沃氏菌(Bilophilia wadsworthia)参与了肿瘤诱导剂的生成,例如牛磺胆酸。

核梭状芽孢杆菌的FadA通过凝集素和宿主上皮细胞的E-钙粘着蛋白的结合诱导β-连环蛋白。β-catenin的核易位通过激活c-MYC癌基因诱导细胞增殖。

具核梭杆菌的另一种细菌致病因子Fap2抑制T淋巴细胞和自然杀伤(NK)细胞的作用,从而阻止了髓样抑制细胞在肿瘤部位的募集。

在免疫系统中,肠道菌群如何调控?

肠道菌群通常有助于产生短链脂肪酸(SCFA),例如甲酸,乙酸,丙酸和丁酸。这些SCFA通常参与多种生理功能,例如激活G偶联受体,抑制组蛋白脱乙酰基酶(HDAC)以及将T细胞分化为效应T细胞(例如Th1和Th17细胞),从而赋予整体抗肿瘤功能。 

肠道菌群负责循环中性粒细胞的成熟以及循环单核细胞的昼夜波动。通过分泌白介素(IL)-10和转化生长因子(TGF)-β参与促炎反应下调的调节性T细胞(Tregs)也被某些肠道菌群激活。例如,脆弱的共生拟杆菌(Bacteroides fragilis)有助于Treg细胞的成熟和抗炎细胞因子IL-10的分泌。

重要的是,丁酸和丙酸参与了CD8+ 细胞毒性T淋巴细胞的调节表达,而CD8+ 细胞毒性T淋巴细胞是抵抗肿瘤活性的主要哨兵。已知微生物配体的产生会诱导核因子κB(NF-κB)的活化,从而驱动促炎性细胞因子,例如肿瘤坏死因子(TNF)-α或IL-1的分泌。共生菌在肠道内的定植还导致了来自Paneth细胞的重要抗菌肽的表达。

脂多糖(LPS)和肽聚糖是革兰氏阴性细菌外膜的重要组成部分,它们通过激活宿主Toll样受体(TLR)导致肠道免疫调节,而Toll样受体主要由肠上皮细胞和树突状细胞表达(DC)。这些TLR积极参与介导针对肿瘤细胞的T细胞反应。

除此之外,细菌产物诱导IFN-γ的表达,从而影响中性粒细胞的存活和成熟。低水平的细菌LPS可能会对髓样细胞的活化产生巨大影响,从而引发增强的炎症反应。

更具体地说,细菌产生的吡哆醇可用于刺激宿主免疫监视。几种活细菌,如果摄入足够的量,它们能够给宿主带来健康益处,因此可能发挥益生菌的作用。此类益生菌微生物有助于保护宿主肠道稳态,并在很大程度上调节宿主生理和免疫力。这些结果揭示了健康肠道微生物群的日常功能,这是维持宿主内正常内环境平衡的必要条件。

探讨肠道微生物在化疗调控中的重要性

一些证据清楚地表明,调节肠道菌群可以提高治疗效果,减轻化疗药物的副作用。

肠道菌群对化疗药物疗效和毒性的调节作用


Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020

上表总结了几种常用的治疗各种恶性肿瘤的化疗药物及其与肠道微生物的关系。

细菌通过多种机制影响化疗药物和免疫检查点抑制剂的疗效,如下图:

肠道细菌调节抗癌药物疗效的机制

微生物代谢产物与癌症

微生物转化的代谢物一旦进入循环,就可以到达人体内遥远的器官,影响那里的癌症发生。例如,在肝癌中,肠道定植者代谢胆汁酸,胆汁酸经过再循环,调节免疫细胞向癌区募集。

肠道微生物的雌激素代谢也改变了绝经后妇女患乳腺癌的风险。肠道失调加上分泌β-葡萄糖醛酸酶的微生物水平增加,如瘦肉梭菌和球菌,显著激活雌激素受体,刺激靶细胞(主要是乳腺和子宫内膜)的细胞增殖。雌激素摄取的增加与乳腺癌的发生直接相关。

肠道微生物群的变化是否会导致癌症的发生,或者致癌转化是否会刺激微生物组的这些变化,仍然是个模棱两可的问题,因此需要进行深入的研究。

细菌素是主要由所有细菌核糖体合成的阳离子肽。癌细胞膜的主要负电荷使细菌素优先结合到癌细胞而不是健康细胞上。

革兰氏阴性菌的细菌素分为微球菌素、大肠杆菌素和泰洛霉素。牛链球菌HC5的牛维素HC5抑制MCF-7等乳腺癌细胞的生长。

大肠杆菌和其他肠杆菌科合成的大肠杆菌素,特别是大肠杆菌素E1和A,可以抑制乳腺癌细胞系MCF7、ZR75、BT549、BT474、MDAMB231、SKBR3和T47D等多种乳腺癌细胞株的生长,对结肠、骨和子宫等恶性肿瘤也有抗肿瘤作用。

肺炎克雷伯菌分泌的大肠杆菌素microcin也具有很好的肿瘤抑制和凋亡功能,在Jurkat、HeLa和结直肠癌细胞系中都有观察到。然而,它对正常细胞没有任何毒性。

对HeLa和HT29细胞株特异性的细胞毒性作用与从Pediococcus acidlicati中提取的pediocin有关。

细胞溶血素A是一种细菌毒素,可引起胱天蛋白酶介导的细胞死亡。用大肠杆菌或鼠伤寒沙门氏菌治疗的小鼠,可以产生细胞溶血素A,已经显示出很有前景的抗癌机制。

同样,革兰氏阳性菌的侧凸蛋白10(LS10)对MCF-7乳腺癌细胞的抑制活性最高。

此外,Nisin是世卫组织批准的乳酸乳杆菌Ⅰ类细菌素,可显著抑制人肝细胞癌、头颈癌和乳腺癌细胞的侵袭和转移。

铜绿假单胞菌产生的一种含铜金属蛋白Azurin(14kda,128个氨基酸),通过抑制肿瘤细胞中cop1介导的泛素化和蛋白酶体降解,增强p53的细胞内稳定性。Azurin对乳腺癌细胞株MCF7、ZR-75-1、T47D、MDA-MB-157、MDD2和MDA-MB-231也具有潜在的抗癌活性。

此外,肺炎链球菌分泌的Pep27anal2可诱导胱天蛋白酶非依赖性和细胞色素依赖性凋亡,从而显著阻断白血病、胃癌和乳腺癌细胞系的细胞增殖。

肠球菌产生的Entap对三阴性乳腺癌细胞株MDA-MB-231具有良好的抗增殖活性。

白喉毒素(DT)由白喉棒状杆菌产生。交叉反应物质197(CRM197)是白喉毒素的无毒突变体,通过与肝素结合的表皮生长因子结合促进细胞凋亡和抑制血管生成,从而抑制人肾上腺皮质癌的增殖。CRM197和顺铂的组合方法触发胶质瘤细胞凋亡介导的死亡。

肉毒梭菌的A型肉毒毒素(BoNT-A)通过激活程序性细胞死亡阻止前列腺增生的生长和增殖。这些研究代表了一些在肿瘤发生中具有独特抑制作用的微生物代谢物的显著例子。

研究模型的运用

临床前小鼠模型和癌症患者的测序数据是微生物组学研究中有价值的工具,有助于癌症患者新疗法的开发。

临床前小鼠模型是在没有微生物(无菌小鼠)或存在有限数量的微生物(抗生素治疗)的情况下剖析特定细菌机制的有价值工具。

然而,由于选择偏差等局限性,这些临床前模型无法完全重现人类肠道微生物群与癌细胞之间的相互作用。抗生素治疗可能选择耐药菌或促进真菌生长,这与实验结果相混淆。

其他因素,包括居住环境、饮食和遗传背景,也会影响小鼠体内的微生物群落及其与肿瘤细胞或抗癌药物的相互作用。为了补充这些临床前模型,癌症患者的测序数据在抗癌治疗前后根据宿主基因组、代谢组和免疫谱进行检查。

总之,小鼠模型和人类测序数据的META分析为肠道微生物群和癌症治疗之间的关系提供了见解。通过选择性地用噬菌体靶向癌相关细菌、通过施用益生菌或进行FMT来调节肠道微生物群,可以重塑肿瘤微环境和宿主免疫反应,从而增强抗癌药物的疗效,改善癌症患者的预后。

抗生素的作用

抗生素用于治疗多种疾病,从常见感染到更严重和更严重的疾病,清楚地说明了抗生素在我们日常生活中的重要性。

抗生素对于预防术后或免疫功能低下患者的致病微生物的生长极为有用,然而,不加控制地使用抗生素可能会在不同程度上改变我们的肠道共生菌群。这有时可能会对健康造成有害影响。

多项研究表明,由于抗生素的使用,免疫治疗的益处可能会大大中断。艾哈迈德等人研究表明在抗PD-1治疗期间使用抗生素会对患有各种癌症的个体的治疗结果产生不利影响,包括黑色素瘤、头颈部癌、肺癌、肾癌、肝癌和尿路上皮癌。

事实上,没有接受任何广谱抗生素治疗的病人完全受益于免疫治疗。根据Huemer等人的观点抗生素和免疫检查点抑制疗法的引入削弱了免疫治疗的益处。然而,也有一些相互矛盾的报道,表明在这方面计划周密的临床试验对于阐明抗生素和免疫治疗之间的确切联系是非常重要的。

益生菌、合生元、益生元等对癌症的作用

益生菌参与改变肠道微生物群,增强肠道屏障的完整性,抑制致病菌的生长,并降低原癌物质的代谢。

一些临床前研究和临床试验已经确定了益生菌在改善传统肿瘤抑制模块的风险、严重程度和相关毒性方面的整体功能。给癌症患者服用益生菌的主要目的是重新填充受损的肠道微生物群,恢复微生物群落的正常功能。

一项针对CRC患者的前瞻性干预研究显示,嗜酸乳杆菌NCFM和乳酸双歧杆菌Bl-04的使用改变了患者的微生物特征。益生菌增加了产生丁酸盐的细菌(例如粪杆菌属和梭状芽孢杆菌)的数量,同时降低了CRC相关属(包括梭菌属和消化链球菌)的数量。

除了改变微生物特征外,研究表明益生菌还可以抑制癌症的发展。

益生菌在抗癌反应和治疗中的作用

尽管益生菌通常是安全的,但在免疫功能受损的癌症患者中引入益生菌,有时可能会促进机会性感染的潜在风险和抗生素耐药性的转移。

大多数益生菌产品是从乳酸产生菌(LAB)中获得的,它们属于乳酸杆菌和双歧杆菌。酪乳杆菌和嗜酸乳杆菌已被证明能增强肿瘤细胞的凋亡。鼠李糖菌GG株还具有抗胃癌和结肠癌细胞的增殖作用。

展望未来

人类肠道微生物组是遗传多样性不可缺少的资源来源,是宿主免疫系统的重要组成部分,是调节代谢、影响药物相互作用和疾病结果的功能实体。

肠道微生物的双重作用体现在其诱人的益生菌和有益的特性上,它们可以预防或治疗某些疾病,而肠道微生物的失调似乎是癌症等疾病发展的关键决定因素。

目前正在进行的临床试验主要关注肠道菌群在治疗不同癌症中的作用,如下表:

这些数据清楚地强调了癌症患者在接受不同的抗癌治疗策略时所遇到的各种临床挑战。同时也指出了共生微生物在避免这些并发症方面的潜在用途。

应用微生物组学诱导抗肿瘤反应在肿瘤治疗中具有潜在的应用前景。益生菌/抗生素与手术、放疗和化疗的组合方法可能被认为是未来新的抗肿瘤策略。

 结 语 

目前,大多数与微生物组效应有关的研究都是在小鼠肿瘤模型上进行的,在人类身上的重复性是一个需要深入研究的领域。

了解微生物组特征和个体微生物特征可能有助于个性化治疗。微生物组学领域的研究进展为宿主和微生物群之间复杂的相互作用,调节癌症发生带来大量信息,可以说是挖掘出了一座金矿。

控制肠道微生物群可以推动癌症系统朝着理想的方向发展。确定化疗和免疫治疗药物、肠道微生物和宿主之间复杂的相互作用途径,以及我们对系统性微生物致癌作用的进一步理解,可能会为癌症的管理和控制带来前所未有的机遇。

最近的研究结果支持微生物标志物或肠型在癌症诊断和预后方面的潜力,噬菌体疗法在靶向输送癌症药物方面的潜力,以及FMT或益生菌在重塑肿瘤微环境或增强抗癌免疫方面的潜力。

而延长患者寿命,改善患者生活质量的合理解决方案可能在于我们能够利用微生物群对癌症进行控制及长期管理。

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【 参考文献 】

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