编译：莫沉，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
恶性肿瘤作为一种多因素的病理过程，严重威胁着人类健康，是全球第二大致死原因。近年来，越来越多的研究表明，微生物在人体健康和疾病中发挥着重要作用。肠道细菌能够产生许多必需的代谢产物以保护宿主和肠道的动态平衡。相反地，某些微生物亚群可能会在宿主发生病理性的菌群失调期间进行扩张，同时产生较高水平的毒素，进而触发炎症和肿瘤发生。与此同时，肠道微生物还可以直接与宿主相互作用，调节肠道上皮细胞或免疫系统。多项研究结果已经证实益生菌对肿瘤具有一定的抑制作用。研究表明，益生菌可以维持肠道的稳态平衡，因此，研究者目前正在探索益生菌对接受化疗和放疗的癌症患者菌群失调的改善作用。近来，有三项独立的研究表明，肠道的某些特定微生物可以增强肿瘤免疫治疗的治疗效果。
在这篇综述中，研究者详细介绍了肠道微生物和肿瘤发生、发展之间的密切联系及相关领域的最新研究进展。此外，本文还报道了在抗肿瘤治疗中适当补充益生菌的重要性，包括在肿瘤研究中常用的益生菌鼠李糖乳杆菌的关键作用和未来的应用前景，而该菌株目前通常用于治疗肿瘤患者的肠道菌群失调。综上所述，根据本文总结的研究结果，研究者建议将益生菌(例如Lactobacillusrhamnosus GG, LGG)与传统抗肿瘤治疗相结合可以作为一种肿瘤治疗的新策略
原名：Gut Microbiota and Cancer: From Pathogenesis to Therapy
译名：肠道微生物与肿瘤：从发病机制到治疗
期刊：Cancers
IF：6.162
发表时间：2019
通讯作者：Massimo Libra
1.肠道微生物与宿主肿瘤发生
1.1肠道微生物和宿主相互作用
肠道通过 “肠-脑轴”(gut-brain axis, GBA)与人体的神经系统双向连接，GBA包括中枢神经系统(central nervoussystem, CNS)、自主神经系统(autonomicnervous system, ANS)、肠神经系统(entericnervous system, ENS)、下丘脑-垂体-肾上腺轴(hypothalamicpituitary adrenal, HPA)和肠-内分泌系统(entero-endocrinesystem, EES)，而在上述列出的各个系统水平上，所分泌的激素和神经激素可能调节胃肠的消化和代谢活动，反之亦然。正因为如此，肠道作为肠道菌群和人体之间的一个复杂界面，在肠道内驻留的微生物和宿主的GBA之间存在双向反馈。尤其是，宿主的荷尔蒙和神经相关荷尔蒙也能够改变肠道微生物群的组成。胃肠道的分泌细胞可以分泌30多种不同的肽类激素，参与多种功能，如胃肠动力、消化功能和神经调节。肠道微生物可以感知到许多这样的物质，例如瘦素和胃泌素，进而反过来调节啮齿类动物的肠道微生物组成。与此同时，由肠道微生物分泌的活性小分子也可以被肠道内的宿主细胞感觉到，进而将信号传递到GBA。事实上，研究者已经发现，肠道微生物可以产生或转化人体健康的多种分子，包括：宿主的新陈代谢调节、肠道屏障完整性的维持、外源性物质和药物代谢、对胃肠道病原体的保护和宿主免疫系统的调节。在宿主的新陈代谢过程中，某些共生菌能够产生人体所必需的微量营养素，如维生素K和维生素B及其相关的多种成分。此外，Bacterioides属还能够合成抗糖尿病的相关的化合物，亚油酸，来分解次级胆汁酸和酚类化合物。同时，许多肠道共生菌可以将小分子氨基酸修饰成信号分子，例如将组氨酸变成组胺，谷氨酸变成氨基丁酸(g-aminobutyricacid, GABA)。此外，研究还发现，肠道的共生菌还能产生类似激素的代谢产物，如由细菌发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸(shortchain fatty acids, SCFAs)。SCFAs的合成取决于饮食和微生物的特定组成，而SCFAs一旦由肠道细菌产生，就会通过血液运输，并被肝脏用作主要的能量来源。重要的是，SCFAs还可以通过影响肠激素肽的分泌，包括肠激素肽YY(Peptide YY, PYY)和胰高血糖素样肽1(Glucagon-like peptide 1, GLP-1)，在控制葡萄糖和脂质代谢方面发挥作用。
1.2 肠道微生物与肿瘤抑制
鉴于在宿主和其肠道微生物之间复杂的相互作用，肠道菌群可能会以积极或消极的方式影响宿主的病理过程，如肿瘤的发生和发展，这取决于其自身的组成。值得注意的是，许多微生物衍生的小分子物质也显示出了较好的抗肿瘤活性。肠道微生物抗肿瘤功能的总结如图1所示。特别是，微生物衍生的SCFAs可能具有一定的抗肿瘤活作用。例如，肠道细菌代谢产生的丁酸和丙酸能够抑制肿瘤细胞的组蛋白去乙酰化酶，具有普遍的抗癌效果，同时这也是丁酸盐在结直肠癌(colorectalcancer, CRC)和淋巴瘤中观察到的体内外抗肿瘤作用的机制之一。益生菌的一些衍生小分子物质和代谢产物能够调节宿主的免疫系统，从而触发针对肿瘤进展的间接免疫介导反应。例如，被广泛研究的细菌脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是革兰氏阴性菌外膜的主要成分，可以激活宿主细胞表面Toll样受体4(toll-like receptor4, TLR4)，属于模式识别受体(patternrecognition receptors, PRRs)家族，从而激活免疫T细胞介导的针对肿瘤细胞的反应。同样的，沙门氏菌(Salmonella enterica)的单磷酰脂A(monophosphoryllipid, MPL)目前已被用作宫颈癌疫苗配方中的佐剂。此外，由肠道细菌衍生的维生素B6(吡哆醇)是一种B族维生素，可以刺激宿主的抗肿瘤免疫监视。一些肠道共生细菌发挥着益生菌的作用，这是因为它们能够有益于宿主健康，既可以保护肠道功能，防止菌群失调，还可以增强宿主的免疫防御机制。给予这样的益生菌，例如Mutaflor(Escherichia coli Nissle 1917)与肠道抗生素利福昔明联合使用，显示出明显的抗炎活性，可以增强利福昔明在炎症性肠病大鼠模型中的抗炎效果。此外，许多益生菌已经显示出潜在的抗肿瘤活性。例如，给小鼠服用益生菌或益生菌衍生的小分子代谢物可以显著抑制肿瘤生长。干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)分泌的铁色素代谢物就是一个很好的例子，能够通过直接激活JNK信号通路来启动肿瘤细胞的凋亡。此外，也有一些研究报道，乳杆菌(Lactobacilli)可以刺激宿主的免疫细胞，如NK细胞或树突状细胞(dendritic cells, DC)或TH1反应，从而消除癌变或癌前细胞，尽管介导这种刺激作用的具体细菌代谢产物目前仍有待鉴定。
图1 肠道微生物的抗肿瘤作用. 益生菌和肠道其他细菌能够分泌小分子物质从而对抗肿瘤生长和抑制肿瘤形成。肠道示意图，自上而下：粘液层和微生物，肠上皮。在灰色方框中，从上到下显示了抗肿瘤过程中涉及的微生物种类、产生的分子以及在宿主内诱导的相应效应。MPL: 单磷酰脂A ; LPS，脂多糖。
1.3 肠道微生物与肿瘤促进
肠道菌群失调和随后的致病菌种的过度增殖可能会导致宿主各种各样的病理状态，甚至在远离肠道的部位，从肠炎到神经退行性疾病(包括帕金森病)和肿瘤。关于肿瘤，在肠道菌群失调的情况下，某些细菌病原体会对宿主的新陈代谢或宿主的肠道和免疫系统功能产生负面影响，从而引发肿瘤生长。重要的是，胃肠失调与局部和远端肿瘤都有关系。目前，已知约有20%的肿瘤是由微生物病原体引起的，而更多的恶性肿瘤与微生物的共生失调有关。与此相一致，许多使用无菌小鼠模型进行的临床前研究表明，肠道微生物可以通过不同的机制深刻影响肿瘤的发生和发展的。肠道细菌促进肿瘤形成的途径概述如图2所示。Helicobacterpylori (幽门螺杆菌)产生的CagA是第一个被证明与癌症有关的细菌蛋白。虽然世界卫生组织(WHO)只将幽门螺杆菌列为一类致癌物，在细胞培养和动物模型中进行的几项研究，评估了其他的微生物菌种影响宿主DNA复制和完整性的能力。事实上，在病原性感染期间，当肠道微生物受到菌群失调的影响时，某些细菌病原体可以快速增殖并释放大量的毒素，进而诱导宿主的DNA断裂，促进基因组的不稳定性，从而在这些易受感染的细胞中诱导肿瘤的发生和发展。大肠杆菌素和细胞致死性膨胀毒素(cytolethaldistending toxin, CDT)都是由Escherichia coli产生并具有DNA酶的活性。一旦毒素释放到胃肠道上皮附近，就会在宿主的上皮细胞内产生DNA双链断裂，从而促进短暂的细胞周期停滞，出现基因组突变，最终导致肿瘤的形成。肠道致病菌也可以干扰DNA损伤反应和修复途径，就像Shigellaflexneri (弗氏志贺菌)一样，通过分泌肌醇磷酸酯酶D (inositol phosphatephosphatase D, IpgD)和半胱氨酸蛋白酶样毒力基因A(cysteine protease-likevirulence gene A, VirA)诱导宿主细胞p53降解，从而增加在感染细胞的DNA损伤反应过程中引入突变的可能性。同样的，幽门螺杆菌细胞毒素的相关基因A(cytotoxin associated gene A, CagA)的产物通过干扰宿主的AKT途径，诱导蛋白酶体介导的p53在胃上皮细胞中的降解，从而促进胃癌的发生。此外，肠道细菌还可以调节宿主细胞的增殖途径，有助于肿瘤的发生。例如，幽门螺杆菌来源的CagA蛋白、Fusobacteriumnucleatum(具核梭杆菌)效应蛋白粘附素A(Fusobacterium nucleatum effector adhesin A, FADA)和Bacteroidesfragilis (脆弱拟杆菌)金属蛋白酶毒素(metalloproteinasetoxin, MP)都能直接或间接地与宿主上皮细胞E-钙粘附素(E-cadherin)相互作用，从而破坏细胞间连接并激活β-连接素信号，这反过来又会触发细胞增殖和受影响的宿主细胞的潜在致癌性转化。此外，Salmonella enterica(沙门氏菌)效应蛋白A (avirulence proteinA, Avra)能够移位到宿主细胞中，并通过其固有的去泛素酶活性激活b-catenin。在病原体感染过程中，细胞外肠道环境释放的其他毒力因子，在感染转化前的细胞时，可能通过激活其他有利于生存的固有宿主的细胞通路，如来自幽门螺杆菌的CagA蛋白，控制宿主的MAPK途径或Salmonellaenterica的Avra，触发MAPK和AKT途径，从而潜在地诱导肿瘤细胞转化。尤其是幽门螺杆菌的CagA蛋白，能与多种宿主细胞蛋白结合，包括蛋白酪氨酸磷酸酶SHP-2，所形成CagA-SHP-2复合物解除了SHP-2磷酸酶活性的调节，进而促进了Ras/MAPK信号的激活。与此同时，病原菌还可能间接影响宿主的肿瘤发展，其中涉及不同的机制可以调节这一效应。其一是氧化应激的产生，导致细胞自主基因组突变；另一种是增强炎症或抑制宿主免疫反应，从而帮助肿瘤免疫逃逸。例如，幽门螺杆菌或脆弱拟杆菌都能激活宿主的精胺氧化酶，进而产生过氧化氢和活性氧(reactiveoxygen species , ROS)诱导的DNA损伤积累。Enterococcusfaecalis (粪肠球菌)产生的细胞外超氧化物，衍生的氧化物能够扩散到宿主细胞内。反过来，氧化环境增加了宿主细胞DNA突变的可能性。相关细菌可以通过阻断通常抑制肿瘤形成的免疫应答来刺激肿瘤的形成。例如，Fusobacteriumnucleatum可以抑制宿主的自然杀伤细胞(NaturalKiller, NK)，以便在感染部位来招募髓系抑制细胞，从而间接促进肿瘤的发生，该机制是由细菌毒力因子Fap2介导的，能够结合和阻断NK抑制受体TGIT，从而阻止NK介导的肿瘤细胞攻击。最后，某些微生物可能会干扰宿主的激素代谢。事实也确实如此，细菌分泌的β-葡萄糖醛酸酶和宿主雌激素生物利用度的增加(来自肝脏分解代谢和植物雌激素)之间的联系被广泛的研究。当肠道菌群失调与分泌β-葡萄糖醛酸酶的细菌(如Clostridiumleptum和Clostridium coccoides)增加时，可以调节肝脏分解的雌激素和植物来源的雌激素，使它们能够结合和激活靶细胞表达的雌激素受体。雌激素受体激活促进对雌激素反应的组织(如乳腺和子宫内膜)的细胞增殖。因此，雌激素摄入量的增加与患乳腺癌的风险增加有关，乳腺癌女性患者的肠道微生物组成与健康对照组不同的发现也印证了上述观点，并表明在菌群失调期间过度表达的几种肠道细菌可能与乳腺癌的发生有关。虽然已经有一些典型的研究结果表明，病原微生物能够通过调节宿主的细胞途径或干扰宿主的激素或免疫系统来促进肿瘤的发生，但目前尚未发现强劲的细菌致癌驱动因素。特别是，很难清楚地确定微生物组成的变化是否会影响癌症的发生。此外，宿主的生活方式、饮食和免疫系统的改变也是深刻影响微生物结构组成和功能的因素之一。此外，一些抗肿瘤治疗手段也可能会塑造患者的微生物组成，同时，宿主的特定微生物也会深刻地影响患者对治疗的反应。
图2 肠道微生物的促肿瘤作用. 肠道菌群失调期间，某些过度扩增的细菌会分泌毒素，干扰宿主细胞的生长，最终诱发机体形成肿瘤。肠道示意图，自上而下：粘液层和微生物，肠上皮。在灰色方框中，从上到下显示了在致癌过程中涉及的微生物种类、产生的分子以及在宿主内诱导的相应效应。
2 鼠李糖乳杆菌与肿瘤治疗
由于其抗炎特性，鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus GG，LGG)是益生菌中研究最多、最具特色的益生菌之一。益生菌，包括Lactobacilli，具有恢复肠道微生态平衡的能力，因而被作为化疗相关胃肠道毒性的辅助性治疗。在这些益生菌中，LGG是肿瘤学中进行研究的最早的物种之一。LGG是肠道内的一种共生菌，具有多种抗炎作用。在动物模型中，食物中给予LGG可减轻5-FU治疗介导的和放疗辐射介导的肠上皮损伤，有助于维护肠道微生态平衡和肠上皮屏障功能。长时间以来，通过体外、体内和临床研究，以及Banna等人最近的综述，证明了LGG对肿瘤患者的一些潜在益处。与这些研究相一致，一些正在进行的临床试验目前侧重于明确LGG给药在预防或改善抗肿瘤疗法毒性效应方面的作用(如表1所示)。此外，本文作者所在的研究团队已经主导设计了两项临床试验，并获得了当地伦理委员会的批准，同时，ClinicalTrials.gov认证码 (NCT编号)也在申请中。上述两项研究的内容分别是：“在接受细胞毒性化疗或靶向治疗的肿瘤患者中，用含有LGG的膳食补充剂维持正常的胃肠功能”；以及“在接受腹部或盆腔放射治疗的患者中，用含有LGG的膳食补充剂维持正常的胃肠功能”。这两个临床试验的目的是评估每天口服LGG对接受化疗或靶向治疗或腹部/盆腔放疗的肿瘤患者维持正常胃肠功能的疗效。此外，将进一步评估这种膳食补充对患者肠道微生物组成和循环microRNAs类型的影响。鉴于LGG在改善抗肿瘤治疗相关副作用方面的有益作用，许多研究团队也在研究LGG在直接调节肿瘤发展中可能具有的潜在作用。特别是，已经发现LGG在体外和体内都可以直接作用于癌细胞，或者通过调节免疫系统间接发挥作用。首先，LGG能够抑制肿瘤细胞生长，在几种体外肿瘤模型(包括结直肠、卵巢、乳腺、宫颈、肝脏和口腔鳞状细胞)中，已经证明LGG能够发挥抑制增殖或转移的作用，这可能是通过直接调节几个宿主的增殖途径，如mTOR或WNT来介导的。此外，LGG可防止APC/min大肠癌小鼠模型中息肉的形成，并减少小鼠结肠炎相关肿瘤的发生。其次，LGG可以影响宿主的免疫系统，从而帮助宿主清除新生的肿瘤细胞。事实上，在二甲肼诱导的大鼠结肠癌模型中，LGG的治疗能够通过调节共生肠道微生物和下调胃肠道细胞和肠道相关免疫细胞产生的促炎分子来抑制肿瘤发展。此外，宿主DC暴露于LGG可诱导TH1免疫细胞极化，进而增强抗肿瘤免疫反应。此外，在正常的未转化的肠道上皮内，LGG也能触发免疫反应，从而保护肠黏膜免受炎症的侵袭。与此同时，研究还发现LGG可以减弱NLRP6介导的肠炎性小体的激活。LGG还能改变肠上皮细胞和肠肌成纤维细胞的基因表达，使其向抗炎方向发展。表2中列举了LGG在肿瘤治疗中最新的体内外相关研究。综上所述，目前正在进行的临床研究(解析了在抗肿瘤治疗过程中给予LGG补充的益处)，再加上体外和体内研究(支持LGG作为直接的肿瘤治疗辅助剂)，使得LGG成为一种合适的候选药物用于辅助抗肿瘤治疗。
3 肠道微生物和炎症
除了脑肠轴之外外，肠道还作为微生物和宿主免疫系统之间的连接。肠道微生物在刺激宿主免疫系统方面起着关键作用，最终产生对有益微生物群的耐受性，并引发对肠道病原体的免疫应答。在这篇综述的前半部分中，研究者介绍了肠道微生物如何能够深刻影响宿主的免疫和炎症反应，同时，对肿瘤的发生有保护作用还是有害作用取决于细菌和宿主免疫细胞的类型。此外，肠道微生物还可以通过激活炎症小体与免疫细胞和肠道细胞相互作用。炎性小体是由免疫细胞和上皮细胞共同表达的多蛋白细胞内复合物，可以通过细胞质模式识别受体(patternrecognition receptors, PRRs)的其中一部分，即NOD-样受体(NOD-like Receptors , NLRs)来识别致病和非致病微生物衍生的小分子以及无菌应激源分子。鉴于这种多蛋白复合体能够感知微生物和内源性刺激，炎性小体被认为是细胞和组织完整性的保护者。一旦破坏了宿主的稳态，激活了炎性小体感受器，就会激活强烈的炎症反应。具体地说，炎性小体复合体介导了caspase-1的激活，进而触发促炎细胞因子IL-1β和IL-18的分泌，以及焦亡，一种程序性细胞死亡。炎性小体的失调会导致多种疾病，从自身免疫疾病到肿瘤。重要的是，在所有的刺激中，炎性小体也能够感知宿主-微生物的相互作用，从而在共生和致病细菌的反应中发挥积极的作用。然而，炎性小体在肿瘤发生中的作用目前还是有争议的。事实上，根据肿瘤的性质和微环境的不同，炎性小体可以促进肿瘤，也可以抑制肿瘤。炎性小体激活的确切结果取决于多种因素，包括其表达模式和效应分子，以及肿瘤的性质和分期。重要的是，肠道微生物也可能影响特定的炎性小体激活的程度。目前，研究者对肿瘤发展过程中的炎性小体激活的机制知之甚少。对不同缺乏炎症小体的小鼠(包括NLRP3、NLRP1、NLRP6、NLRC4和Caspase-1)进行的多项研究发现，这些炎症体可以保护小鼠免受结肠炎相关肿瘤的侵害。重要的是，炎性小体效应因子IL-18在抑制结肠炎中起关键作用。事实上，IL-18 KO或IL-18R KO小鼠对结肠炎相关的肿瘤也高度敏感。这些研究都强调了炎性小体依赖的IL-18的产生，在抑制大肠癌中的重要性。相反，炎性小体的激活不利于肺癌、皮肤癌、乳腺癌和胰腺癌的发展。在这些情况下，IL-1b是关键因素，起着促炎、促肿瘤的作用。上皮细胞和先天免疫细胞通过NLRs感知共生微生物及其代谢产物。尤其是，炎性小体介导的IL-18对于肠道组织重塑和胃肠屏障的维持至关重要。共生菌及其衍生物诱导肠道内的炎性小体激活和IL-18的产生，进而阻止肠道屏障的破坏和菌群失调。炎性小体成分的缺乏会导致IL-18的产生减少，从而导致肠道屏障受损，这种损伤会导致更大的肠道渗透，并增加炎症，最终可能诱导肿瘤的发生。在缺乏炎症小体成分，包括NLRP6，ASC，caspase-1和IL-18的小鼠中出现了菌群失调。重要的是，NLRP6是共生细菌稳态所必需的，在NLRP6 敲除小鼠中，菌群失调和炎症相关结直肠癌发病率有所增加。炎性小体和IL-18在炎症性肠癌中具有保护作用，而炎性小体和IL-18是否抑制遗传性结肠癌模型(如APC/min小鼠)以及人体结肠癌的进展还需要进一步的研究来评估。相应地，Lactobacilli能够激活人原代巨噬细胞和哺乳动物原代肠道上皮细胞中的炎症小体，作为抵抗病毒感染或上皮损伤的防御机制。因此，炎症小体在肿瘤发展中是一把双刃剑，肠道微生物可能影响肿瘤发生过程中特异性炎性小体的激活。在大肠癌中，炎性小体的激活具有保护作用，相反，在乳腺癌和皮肤癌中，它们的触发会导致有害的后果。关于炎性小体、微生物和癌症之间的关系，NLRP6在大肠癌的发生发展中起着关键作用，特别是NLRP6通过其微生物调节活性来调节对肠道炎症的易感性。
4 肠道微生物和抗肿瘤治疗
抗肿瘤疗法的最终目标是有效地清除恶性肿瘤。由于目前几乎所有的抗肿瘤治疗在杀伤肿瘤细胞的同时，对正常细胞也有损伤，从而伴随着严重的副作用，甚至会危及患者的整体存活率。此外，肿瘤微环境在本质上是错综复杂的：当肿瘤细胞试图积累突变时，肿瘤细胞就会不断进化并逐渐适应宿主内环境。事实上，肿瘤起源于关键生理过程的基因中驱动突变的随机获取，包括DNA复制、DNA修复和氧化应激反应，这种积累最终使得机体的正常细胞转变为恶性增殖细胞。肿瘤的起始和进展都可以被视为这些正常细胞混合损伤的过程，这意味着从一个原始肿瘤细胞可能衍生出由多个肿瘤细胞克隆组成的实体肿瘤，而每个克隆对抗肿瘤疗法表现出不同的内在敏感性。这种异质性源于肿瘤细胞内固有的基因组不稳定，从微卫星不稳定(由于DNA错配修复系统的损害)到染色体不稳定(由细胞有丝分裂期间的分离错误引起)。最重要的是，上述遗传机制可能与表观遗传学、转录和转录后细胞内的各种变化相结合，最终导致肿瘤细胞跨越时间和空间的复杂性的增长。此外，肿瘤细胞的高度异质性与抗药性的产生密切相关，抗药性被认为是目前抗肿瘤疗法失败的主要原因之一，以及伴随的肿瘤复发。为了对抗这种耐药性，基于恶性肿瘤的特定遗传特征的综合治疗和个性化方法正在不断进步。在进展中的恶性肿瘤细胞不仅受到其内在异质性的影响，而且还被宿主的免疫系统识别和消除。然而，由于肿瘤细胞的遗传不稳定性，可以不断突变出新的策略来逃避机体的免疫监视并在宿主内迅速扩张。近来，与化疗和放疗相比，一种新的抗肿瘤疗法：靶向免疫疗法，具有增强宿主抗肿瘤免疫的应答的双重作用，同时有助于抑制肿瘤耐药和复发。研究者认为，肠道微生物的调节可能会对抗肿瘤治疗的结果产生深远的影响。肠道微生物在肿瘤治疗中的潜在作用如图3中所示。事实上，放疗、化疗和免疫治疗都可以在一定程度上改变患者的肠道微生物，同时，微生物的组成也可以深刻地影响患者对这些治疗的反应。因此，确定哪些因素能够影响肠道菌群，进而找到操纵肠道微生物的新策略，最终改善患者的治疗结果是至关重要的。具体地说，对微生物的干预可能是改善抗肿瘤治疗相关毒性以及提高抗肿瘤治疗疗效的重要环节。早在1890年，两种热灭活的菌株(Streptococci链球菌)首次在人类肿瘤内注射来治疗肿瘤。此外，在随后的几十年之后，研究者在膀胱肿瘤切除后，成功地将Mycobacterium bovis(牛分枝杆菌)注射到患者的膀胱内。同时观察到，该细菌可以通过诱导局部免疫反应，有助于减少肿瘤的复发。此外，人们还发现口服Lactobacillus casei (干酪乳杆菌)可以降低浅表性膀胱癌复发，机制上包括对宿主NK细胞和巨噬细胞的直接刺激，进而导致抗肿瘤免疫反应。上述结果为正在进行的临床试验提供了实验依据，这些试验主要是基于肠道来源的减毒菌株在抗肿瘤治疗中的应用，从而揭示了这些细菌在触发抗肿瘤免疫反应中的关键作用。例如，在黑色素瘤和胰腺导管癌中皮内注射Mycobacterium obuense可激活抗肿瘤免疫反应，作用于宿主的抗原呈递细胞和细胞毒性T细胞。其他临床试验也进一步揭示出减毒菌株直接注入肿瘤内部也能够刺激抗肿瘤免疫反应并对肿瘤细胞有直接毒性作用。不同菌株在瘤内的定殖能力不同，正如在不同的难治性实体肿瘤研究中发现，注射不同的减毒或基因改造的Salmonella typhimurium效果不同，可能是因为它们对肿瘤的定殖能力与给予减毒和基因改造的Salmonella typhimurium的能力有关。虽然上述相关的研究结果令人鼓舞，但考虑到细菌相关的毒性（主要与其较长的半衰期有关），目前仍然有许多临床试验正在进行中，以改善患者的临床效果。
图3 益生菌在抗肿瘤治疗中的作用. 益生菌和粪菌移植(FMT)是目前研究的抗肿瘤辅助治疗，以改善常规治疗后的菌群失调，进而提高化疗和免疫治疗的疗效，同时减小肿瘤负荷和阻止肿瘤复发。
4.1调节肠道微生物以提高化疗和免疫治疗效果
当微生物受到菌群失调的影响时，会对肿瘤的发病机制及其治疗结果产生深远的影响。特别是，对于治疗结果的调节与肠道微生物代谢抗肿瘤药物以及调节宿主的免疫反应和炎症途径的能力密切相关。这两种效应结合在一起可以解释为什么患者的肠道微生物组成可以显著影响化疗和免疫治疗的疗效。在化疗方面，据报道，荷瘤小鼠，无论是无菌或在抗生素治疗后肠道微生物群减少的荷瘤小鼠，对奥沙利铂药物治疗没有反应。其解释是，小鼠肠道内的共生菌群可能会产生TLR激动剂，从而促进氧化应激环境的升高和肿瘤细胞的死亡。直接的结果是，如果没有健康的肠道菌群，微生物依赖性的活性氧产生就会减少，因此对化疗的响应也会变弱。一直以来，接受顺铂和抗生素联合治疗的肺癌小鼠存活率较低，并更容易进展为更大体积的肿瘤。如果顺铂与益生菌(如Lactobacilli)联合使用，可以增加荷瘤小鼠对治疗的反应，其机制包括诱导肿瘤内的促凋亡基因和增强宿主的免疫反应。另一种广泛使用的化疗药物，环磷酰胺，与口服Lactobacillusjohonsoni 和 Enterococcus hirae联合使用，可以促进T细胞从未成熟状态转化为促炎T辅助17(TH17)，并最终提高环磷酰胺对荷瘤小鼠的治疗效果。在免疫治疗方面，给予CpG寡核苷酸(一种模拟细菌DNA的合成小分子)可以显著的刺激机体的免疫系统，因而在几种恶性肿瘤中显示出较好的抗肿瘤活性。研究发现，肿瘤内注射CpG寡核苷酸与IL-10R抗体联合使用，可以诱导肿瘤浸润相关的髓样细胞产生TNF，进而抑制小鼠多种类型的肿瘤的生长。此外，给补充抗生素的荷瘤小鼠注射某种特殊的细菌，Alistipes shahii，可以恢复TNF的产生，并显著改善治疗结果。鉴于肠道微生物对宿主免疫系统可能起到的多种作用，近来的研究明确了肿瘤患者的微生物组成与基于免疫检查点抑制剂的免疫疗法在不同实体肿瘤治疗中的内在疗效紧密联系。免疫检查点抑制是指给予能够阻断免疫抑制途径的治疗药物，从而调节T细胞对肿瘤靶细胞的激活。目前上市的检查点抑制剂是针对细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(cytotoxic Tlymphocyte-associated protein 4, CTLA4)或位于T细胞表面的程序性死亡1(programmed death 1, PD1)或其配体程序性死亡配体1(programmed deathligand 1, PD-L1)的单克隆抗体。虽然CTLA-4在淋巴结内的早期免疫反应调节T细胞的增殖，而PD-1则抑制外周的T细胞的激活。研究表明肠道微生物可能参与调节以抗CTLA4和抗PD1为主的免疫治疗的疗效。Vetizou等人的研究表明，当肠道微生物中富含Bacteroidesfragilis和Burkholderia cepacia时，CTLA4抗体在抑制小鼠肿瘤生长方面的作用显著提高。与此同时，Sivan等人发现PD-L1靶向抗体在肠道菌群富含Bifidobacterium的情况下，可以提高小鼠黑色素瘤的治疗效果。事实上，该研究团队证明口服Bifidobacterium联合PD-L1抗体可以特异性地增强T细胞反应并抑制黑色素瘤的生长。2018年发表的多项转化研究进一步确定了肠道微生物在调节对免疫检查点抑制剂的应答中的关键作用。特别是，Routy等人发现在进行抗PD1/抗PD-L1免疫治疗的同时使用抗生素治疗的黑色素瘤患者，其存活率显著降低。对患者粪便微生物的宏基因组分析显示，他们的肠道微生物的组成有所不同。对PD1抗体治疗有响应者的肠道菌群中Akkermansia 和 Alistipes富集显著。从病人到无菌小鼠进行菌群移植，研究发现Akkermansiamuciniphila 单独或与Enterococcus hirae联合使用，能够增加肿瘤内细胞毒性T细胞的浸润，从而增强荷瘤小鼠对PD-1抗体的响应。同时，Gopalakrishnan等人通过对黑色素瘤患者粪便样本的宏基因组测序分析，发现PD1抗体应答者与无应答者的菌群组成显著不同。该研究团队发现，患者肠道菌群中Clostridiales,Ruminococcaceae和Faecalibacteriae的相对丰度显著增加。在无菌小鼠身上进行的FMT研究进一步确定，用细菌与抗PD1疗法联合处理小鼠可以增强抗癌效果并抑制黑色素瘤的生长。同样的，Matson等人对接受免疫检查点抑制剂治疗的黑色素瘤患者的粪便样本进行了宏基因组学测序，进一步证实了与治疗无效的患者相比，应答者表现出不同的菌群结构。该研究者确认并在体内从功能上证明了Bifidobacterium longum,Enterococcus faecium 和 Collinsella aerofaciens对改善抗PD-L1疗效效果的重要性。然而，尽管免疫检查点抑制剂在治疗各种恶性肿瘤方面取得了成功，但仍有相当数量的患者会出现严重的毒副作用，包括肠道相关炎症，这是由于后续的免疫失调(即自身免疫紊乱)，因而只能在非常有限的时间内使用这种疗法。在动物中，口服Bacterioides fragilis和Burkholderia cepacia可以改善这种免疫治疗相关毒副作用。与此研究结果相一致的是，在接受CTLA4抗体治疗的患者中，毒副作用是由Firmicutes,例如Faecalisbacterium的增加和Bacterioides的减少介导的。总之，上述研究数据为肠道微生物的组成不同在调节免疫治疗响应率和毒性反应中的作用提供了强有力的证据。即使在过去的数年间，在揭示肠道微生物在肿瘤和其他疾病中的作用方面取得了巨大的进展，但将基础性的微生物组研究转化为治疗应用的过程中，仍然存在许多障碍。肠道中可能会产生潜在的病原体，这会限制或至少减缓体外和体内结果转化为临床应用的步伐。根据最新的研究报道，在抗癌治疗期间，任何改变肠道平衡的抑菌治疗手段都需要进行仔细评估。事实上，异质性患者的微生物对肿瘤的进展和治疗在某些方面可能是有害的，也可能是有益的，这取决于其组成和占优势的物种比例。正如下文将进一步讨论的那样，考虑到益生菌治疗在抗肿瘤治疗中的作用，未来可能有必要根据特定患者的微生物组成，寻求一种相对个性化的治疗方法。
4.2 益生菌在肿瘤治疗中的应用
如上文所述，化疗、靶向治疗、免疫治疗和放射治疗是目前可用的主流的治疗手段，而这样的治疗可能会给患者带来各种各样甚至严重的毒副作用。许多临床前研究和临床试验的共同目标是评估益生菌在降低此类与毒性相关的抗肿瘤治疗(主要是腹泻和粘膜炎)的风险程度方面的总体的改善作用。事实上，给肿瘤患者使用益生菌(主要是Lactobacilli)的目的是重塑受损患者的肠道微生物结构，从而重新建立治疗后受损的共生细菌的丰度和相关功能。虽然益生菌通常被认为是安全的，但给免疫功能低下的癌症患者使用益生菌仍然存在一定风险，主要包括获得性感染发展的潜在风险和抗生素耐药性的转移。尽管如此，在多项试验中给予益生菌在改善抗肿瘤治疗后的腹泻和其他肠道相关损害方面显示出了有益的效果，从而重建了相对健康的肠道微生态平衡。此外，在多国癌症协会(Multinational Association of Supportive Care in Cancer andInternational Society of Oral Oncology, MASCC/ISOO)和欧洲肿瘤学会(European Society ofMedical Oncology, ESMO)的胃肠道粘膜炎临床实践指南中，建议使用含有Lactobacillus的益生菌来预防接受盆腔恶性肿瘤化疗或放射治疗的患者的腹泻。
鉴于越来越多的研究证实了微生物在肿瘤治疗中的重要作用，目前许多临床研究正在进行中，其共同的目的是研究通过调控肠道微生物对肿瘤患者的治疗潜力。早期临床试验首次评估了益生菌给药、肠道微生物组成的变化和肿瘤患者接受结直肠切除术后肠道免疫功能调节之间的相互作用。在该项双盲研究中，两种益生菌Bifidobacterium longum(BB536)和Lactobacillus johnsonii (LA1)的混合物给予患者，发现其中一种LA1能够粘附在结肠粘膜上，从而降低肠道病原体的浓度，调节局部免疫。随后，在2014年，一项随机双盲对照试验评估了益生菌Bifilact(Lactobacillus acidophilus LAC361和Bifidobacteriumlongum BB536)在显著减少盆腔放疗期间引起的腹泻方面的有益作用。在2015年, 临床试验首次评估了益生菌混合配方：Colon Dophilus (10个不同的益生菌菌株的混合物)对于转移性结肠癌患者由伊立替康化疗引起的腹泻的改善作用，提示服用此类益生菌是相对安全的，可以降低腹泻和化疗引起的胃肠道毒性的发生率和严重程度。2016年，另一项双盲随机试验表明，对接受结直肠癌切除术的患者联合使用益生元和益生菌可以缓解在手术后易发的肠易激综合征(irritablebowel syndrome, IBS)。同年，另一项试验进一步分析了口服Saccaromices bulardii对结直肠癌患者的影响。研究发现，尽管对术后感染率没有影响，该益生菌能够下调接受治疗的患者的促炎细胞因子释放。此外，根据2017年发表的一项试验结果，Bifidobacterium lactis和Lactobacillus acidophilus干预结肠癌患者，可以显著改变肿瘤组织的表观遗传模式，通过调控肠道微生物，对大肠癌具有潜在的治疗益处。同年，一项针对结肠癌患者的随机临床试验表明，围手术期使用益生元和益生菌的混合物可以显著降低结肠癌患者的术后感染率。无论观察到的改善效果如何，还需要进一步进行更大规模的对照临床试验，才能真正确定在抗肿瘤治疗期间或之后使用选定种类的益生菌的有效性和安全性。
4.3 粪菌移植在肿瘤治疗中的应用
个体之间肠道微生物的交换已被用于治疗病原体感染或治疗肠道炎症性疾病和菌群失调。例如，FMT已被用于治疗复发的艰难梭菌十二指肠感染。此外，FMT已用于同种异体干细胞移植后免疫排斥相关疾病。关于抗肿瘤治疗的应用，在小鼠上进行的临床前研究证明了FMT在减少结肠肿瘤发生方面的有效性，尽管临床试验的有效性仍需进一步证明。几项旨在评估FMT在肿瘤患者中的临床试验目前正在进行中，其共同的目标是预防或改善肿瘤患者抗肿瘤治疗相关的肠道毒副作用。尽管FMT在某些试验中取得了成功，但在这一过程中仍然缺乏有效的管控，因为整个肠道微环境是随着治疗性菌株一起转移的。因此，严格把控供体的健康状况及其肠道菌群的特殊组成是非常重要的。
5. 结论
研究证据表明，共生细菌在人体内的定殖是影响机体健康或病理状况的关键因素之一。在人体的共生微生物中，针对肠道微生物的相关研究最为广泛，对宿主的稳态平衡影响也最大。肠道发挥的作用包括营养吸收、阻隔毒素的损伤、促进共生菌群的定殖、驱逐病原体等，肠道微生物的稳态平衡对上述功能的正常运转发挥重要作用，而上述过程中的任何失衡都可能会导致微生物整体结构受损，这种情况称为菌群失调，与包括恶性肿瘤在内的多种疾病的病例过程有关。
在所有与肠道微生物相关的病理过程中，肿瘤是研究最多的领域之一。研究者已经发现这种联系，既与局部胃肠道肿瘤相关，也与机体其他远端的肿瘤有关。通过代谢组学和宏基因组学等手段，研究者明确了胃肠道微生物在肿瘤预防、肿瘤发生、发展和抗肿瘤治疗中的双重作用。事实上，肠道微生物既可以抑制肿瘤的发生，也可以成为肿瘤发展的诱因。虽然研究者对这种联系的研究由来已久，但目前主要停留在相关性研究，同时缺乏大样本的临床数据支撑。此外，现有的研究也反复强调了微生物与肿瘤之间关系的复杂性和双向性。因此，肿瘤的发展可能会改变菌群，反过来，菌群的变化也可能会影响肿瘤的进展。在本文中，研究者系统介绍了肠道菌群和肿瘤发生之间的密切联系及相关领域的最新研究进展，同时，还强调了在抗肿瘤治疗中适当补充益生菌的重要性。
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