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肠道菌群与恶性肿瘤研究进展

来源:
时间:2020-04-12 05:44
作者:admin666
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【指示性摘要】人类微生物群是由寄生在人体上皮屏障的细菌和其他微生物组成的,其中大部分位于肠道内,与宿主之间形成共生的关系。机体肠道微生物的组成虽然受到年龄、饮食、生活方式等因素的影响,但在正常生理情况下是相对稳定的。近年来,肠道菌群与恶性肿瘤的关系越来越受到重视。肠道菌群不但能够维持局部稳态,还能调节机体代谢、炎症和免疫等生理过程。有研究表明,微生物群,特别是肠道菌群能够显著调节机体对癌症治疗的反应性以及机体对毒副反应的敏感性。检查肠道菌群中各菌种之间的比例可作为筛查恶性肿瘤的新方法。本文将综述微生物群具有影响肿瘤的发生发展、抗肿瘤治疗疗效以及药物不良反应的证据,以及其中所涉及的微生物种类,从而为恶性肿瘤精准治疗提供证据。

【关键词】肠道菌群;恶性肿瘤;抗肿瘤治疗;不良反应

人类一生中接触到的微生物主要为细菌[1],其中人体肠道菌群占绝大部分,其组成受个人生活方式、饮食、接触抗生素机会等多种因素影响[2]。肠道菌群不但能够维持局部稳态,还能调节机体代谢、炎症和免疫等生理过程[3]。肠道菌群主要以拟杆菌属、真杆菌属、双歧杆菌属、梭杆菌属、消化链球菌属等在内的专性厌氧菌居多。生理情况下,肠道菌群与肠道上皮和间质细胞相互作用,保护人体免受病原微生物的入侵,促进免疫系统的发育以及营养物质的消化和吸收[4]。然而,在某些因素的刺激下,宿主与肠道菌群的平衡状态被打破,导致肠道菌群失调,继而引发疾病[5]。近年来,随着高通量测序技术的发展,人们逐渐认识到肠道微生物不但能影响肿瘤发生、发展,还是决定多种抗肿瘤药物的疗效以及毒性的重要因素[6]。在这篇综述中,我们将讨论肠道微生物群具有影响药物代谢、机体对抗肿瘤治疗反应性及药物不良反应能力的证据以及在此过程中所涉及的相关机制。

1肠道菌群影响恶性肿瘤发生和发展

人类的肠道菌群在肿瘤的发生、发展中发挥不同的作用。胃癌和幽门螺旋杆菌(Helicobacterpylori,Hp)感染之间的关系,已被大量的流行病学资料及动物实验数据所支持。通常认为Hp菌株的毒力是导致胃癌发生的主要因素之一[7]。近来研究者运用16sRNA测序分析法发现,从慢性非萎缩性胃炎发展至胃癌,Hp菌株定植密度下降,但胃内其他细菌开始占据主导地位,虽然胃内细菌丰度增多,但菌群多样性降低,最终导致胃内菌群失调,加速肿瘤的发展[8]。另有研究证实,肠道内分节状丝状杆菌可使树突状细胞、巨噬细胞分泌白细胞介素(interleukin,IL)-23,其可促进辅助性T(helperT,Th)细胞-17的分化及其产物IL-17的生成,而Th-17细胞和IL-17不但在肠道中有较强的促肿瘤作用外,还与非小细胞肺癌的发生和进展有关[9]。Luu等利用16sRNA基因测序技术检测了31例早期乳腺癌患者的粪便的菌群组成,结果显示肿瘤的组织学分级越高,其胃肠道中布劳特氏菌数目越多,这项研究提示,肠道菌群与肿瘤的恶性程度也密切相关[10]。除此之外,Peuker等发现肠道微生物可与小肠上皮细胞中Toll样受体(Toll-likerecep-tors,TLRs)结合激活树突状细胞里CaN-NFAT信号通路,促进癌细胞的增殖[11]。Yu等的研究阐述了肠道菌群的代谢产物脂多糖与肝脏内TLR4结合可促进肝癌的发生,发现肠道灭菌和TLR4的消耗可以降低肝癌肿瘤的发生率并抑制肿瘤的生长[12]。近来,多项研究还表明细菌的微生物相关分子模式(mi-crobe-associatedmolecularpatterns,MAMPs)与TLRs结合会促进癌症的发生。已有研究发现,TLR4可以促进肺脏、肝脏、胰腺、结肠和皮肤癌症的发生,TLR2可以促进胃癌的发生。TLRs促癌作用的关键是通过激活转录因子κB(nucleartranscriptionfactor-κB,NF-κB)途径、信号转导因子和转录激活因子3而触发肿瘤细胞的抗凋亡途径[13-16]。

2肠道菌群影响抗肿瘤治疗疗效及机制

2.1肠道菌群影响化疗疗效化疗是目前治疗癌症最有效的手段之一,由于化疗药物缺乏作用的特异靶点,因此目前仍缺乏特异性强的药物疗效的预测标志物和方法。肠道菌群与恶性肿瘤治疗的关系是目前肿瘤研究治疗的热点和难点。目前已有多项体外动物实验证实,多种化疗药物和微生物群之间确实存在复杂的相互作用。2.1.1肠道微生物促进ROS分泌增加铂类疗效细胞毒性化疗药物是临床中较为常见的化疗药物之一。以铂为基础的抗肿瘤药物,如奥沙利铂和顺铂,以DNA为作用部位,铂原子通过与DNA链形成链内和链间交联,阻断DNA复制和转录而杀死肿瘤细胞。已知铂类药物诱导DNA损伤及其他组织细胞凋亡的过程中起作用的有效成分是活性氧(reac-tiveoxygenspecies,ROS)。Iida等发现嗜酸乳杆菌等益生菌能够刺激免疫细胞分泌ROS,可增强肿瘤细胞的DNA损伤,阻断肿瘤细胞的DNA修复和转录,导致细胞死亡,进而增强奥沙利铂的疗效,而当小鼠肠道益生菌缺乏时,ROS的分泌会随之减少。同样,对于抗生素治疗的小鼠,嗜酸乳杆菌等益生菌可恢复顺铂的抗肿瘤作用,并能使其重新表达在常规饲养小鼠体内观察到的炎症基因[17]。2.1.2菌群异位诱导肿瘤细胞死亡增强环磷酰胺疗效与奥沙利铂类似,烷化剂环磷酰胺也可诱导免疫性细胞死亡。Viaud等发现,对荷瘤小鼠使用环磷酰胺后,发现其肠道约氏乳杆菌、鼠乳杆菌和希拉肠球菌等革兰阳性菌的丰度增加。另外,环磷酰胺能使肠道黏膜通透性增加,从而使这些菌群通过肠道异位到肠系膜淋巴结[18]。这些异位的细菌能够促进CD4阳性T细胞向辅助性Th-17记忆T细胞分化,促进IL-17和IFN(interferon,IFN)-γ的分泌,从而诱导免疫原性肿瘤细胞死亡的发生[19]。另外,研究者们还发现在无菌小鼠经抗生素处理后无革兰阳性菌小鼠体内,辅助性Th-17细胞反应及环磷酰胺的抗肿瘤作用均降低[17]。进而,又通过对无菌小鼠进行辅助性Th-17细胞转移,结果发现环磷酰胺的抗肿瘤作用增强。2.1.3肠道微生物产物可介导吉西他滨耐药吉西他滨为嘧啶类抗肿瘤药物,美国食品药品监督管理局(FoodandDrugAdministration,FDA)在1996年批准该药用于晚期胰腺癌的一线治疗,但不可避免的是,大部分胰腺患者对其产生了耐药性。研究者们将皮肤细胞与胰腺癌细胞一起培养,发现使用10倍于正常剂量的吉西他滨也无法产生抗肿瘤作用。继而,研究人员又从皮肤细菌中分离出猪鼻支原体,发现猪鼻支原体内的胞嘧啶核苷脱氨酶(cytidinedeaminase,CDD)将吉西他滨代谢为其不活跃的形式2',2'-二氟脱氧基吡啶才是导致吉西他滨耐药的真正原因[20]。而在胰腺癌细胞内能够产生CDD的细菌属于γ-变形菌纲,因此只有能够产生长链CDD的细菌才具有吉西他滨代谢失活的功能,例如大肠杆菌和假单胞菌等。2.2肠道菌群影响免疫治疗疗效目前,免疫检查点抑制剂在实验动物体内已显示出较强的抗肿瘤活性,并被证实在癌症患者中疗效持久[21]。至今,美国食品药品监督管理局批准了3种免疫检查点抑制剂:细胞毒T淋巴细胞相关抗原4(cytotoxicTlymphocyte-associat-edantigen-4,CTLA-4)单抗、程序性死亡受体1(pro-grammedcelldeathprotein-1,PD-1)单抗、细胞程式死亡-配体1(programmedcelldeath-ligand1,PD-L1)抗体[22]。已有研究报告了肠道微生物群与CTLA-4治疗和PD-L1治疗疗效的相关性。CTLA-4抗体治疗的T细胞应答,与肠道中多形拟杆菌和脆弱类杆菌有关。而双歧杆菌属的存在,有利于PD-L1抑制剂发挥抗肿瘤作用[23]。MarieVétizou还发现荷瘤小鼠在使用抗生素处理后,CTLA-4抑制剂在其体内抗肿瘤作用明显降低,这是因为抗CTLA-4治疗能够导致免疫性结肠炎发生,引起树突状细胞的浸润,树突状细胞可部分地控制抗CTLA-4疗效。研究者进一步研究发现,对以上小鼠进行胃内灌注脆弱拟杆菌,其体内CTLA-4抑制剂的抗肿瘤作用均可逆转[24]。随着近年来对肿瘤免疫治疗认识加深,肠道菌群与PD-1/PD-L1抑制剂疗效相关性的研究备受关注。Gajewski团队分析了42例转移性黑色素瘤患者的粪便菌群构成,发现PD-L1抑制剂治疗有效患者肠道菌群中,有高丰度的双歧杆菌、产气柯林斯菌和屎肠球菌,把这些患者的粪便移植给无菌小鼠后,小鼠的肿瘤免疫应答增强,也让抗PD-L1治疗的效果显著增强[23]。Routy等发现,肠道菌群的组成情况可能是导致免疫检查点抑制剂耐药的主要原因。该研究将对PD-1抑制剂敏感的乳腺癌患者的粪便移植到小鼠肠道内,小鼠便可表现出较好的疗效,并通过进一步研究发现,对PD-1抑制剂反应性较好的患者,其粪便中含有较多的嗜黏蛋白-艾克曼菌,而治疗反应较差患者的粪便中该菌含量较少[25]。

3肠道菌群与抗肿瘤治疗毒性的关系

药物进入体内后随血液系统地分布到体内各组织中,导致不良毒性反应。临床中常见患者无法顺利完成化疗,其中多数是因为无法耐受药物毒性。3.1肠道菌群与伊立替康化疗药物腹泻毒性关系伊立替康是一种用于结直肠癌治疗的静脉注射化学治疗药物,它在肝脏中被羧基酯酶转化为其活性代谢产物SN-38,再由肝脏中葡萄糖醛酸化进而转化为无活性的SN-38-G51,然后经胆管排入肠道,在肠道中,SN-38-G可由细菌β-葡萄糖醛酸酶转化为活性SN-38,从而引起明显的肠道毒性和腹泻[26]。而能够表达β-葡萄糖醛酸酶的肠道菌主要有肠杆菌、梭菌等[26]。研究者进一步研究发现使用细菌β-葡萄糖醛酸梅抑制剂,可以有效治疗实验动物因伊立替康化疗而引起的肠道反应,并且通过临床试验发现使用益生菌后可降低由伊立替康引起腹泻的发生率[27]。因此伊立替康腹泻的发生率可能与肠道菌群结构密切相关。3.2益生菌干预减少化疗药物的肠道毒性目前关于益生菌能够减少铂类毒性的报道较少。研究表明口服含嗜酸杆菌和双歧杆菌的益生菌,可有效预防顺铂引起的肠道毒性。Wang等认为,这可能是因为肠道菌群阻断了组织中ROS的生成,从而减轻顺铂的毒性[28]。Frank等发现甲氨蝶呤的肠道毒性一部分是由于免疫受体TLR4的激活引起的,而该受体的激活因子之一即为微生物产物[29],因此,这项研究为减轻甲氨蝶呤毒性的治疗提供了新方向。3.3益生菌干预可减轻放疗不良反应放射性治疗的安全性和有效性目前仍受到其局部及全身毒性的限制。放疗能够诱导肠道隐窝细胞凋亡,破坏肠道屏障,改变肠道微生物组成[30],引起口腔黏膜炎和肠道疾病。目前,益生菌已在一些临床研究中被证明对预防辐射诱发的肠道疾病有效。已发现含有嗜酸乳杆菌、双歧杆菌、干酪乳杆菌的益生菌制剂可以减少放射引起的严重肠炎的发生率[31]。Sharma等[21]也发现,在头颈部癌症患者的放疗过程中,使用乳酸菌可降低辐射引起的黏膜炎的发生率,提高治疗完成率。此类研究均提示在肿瘤放疗期间,菌群分布的调节可以防止放疗相关不良反应的对患者的影响。

4结语及展望

近年来,人们对肠道菌群研究较多,关于肠道菌群与癌症之间关系的研究主要集中在:①肠道菌群在肿瘤发生中的作用;②肠道菌群调节抗肿瘤治疗的疗效及机制;③肠道菌群代谢对化疗不良反应的影响。肠道菌群作为肿瘤微环境的一个组成部分。无论其是参与肿瘤的发病机制或作为机会致病菌存在,它们都可能影响化疗药物代谢,调节抗肿瘤治疗及不良反应发生率。然而,目前对于肠道菌群影响药物代谢及机体对恶性肿瘤治疗反应的详细机制研究较少。除此之外,在目前研究领域中,大多数研究都是在小鼠身上进行的,而临床实验较少,想要将这些实验结果运用到临床上需要更多的临床数据的支持。我们的最终目标是发现一种肠道细菌或使一种细菌组合,既能够延长药物作用时间、促进抗癌治疗,又能够减少药物的不良反应、确保抗癌治疗的顺利进行。因此,对肠道微生物群进行干预很可能成为恶性肿瘤治疗的另一前沿领域。

作者:战娜 徐君南 孙涛