世界衛生組織(WHO)已將癌症確立為一種全球威脅,每年奪去大量生命。 僅在2018年,它就造成960萬人死亡,是全球第二大死亡原因。癌症仍然是主要的健康災難。
最近的研究已指出人類共生腸道微生物群參與調節化學療法和免疫療法的結果。 它主要是通過調節藥物的代謝和宿主免疫反應來實現的。
癌症的治療方式探索
在過去的十年中,在諸如外科手術,化學療法,放射療法,免疫療法和激素療法之類的針對癌症的治療方式的進步上的不懈而巨大的努力已經成功地改善了大多數患有該疾病的個體的臨床結果。
然而依然會發現許多不利因素,例如,腫瘤復發和轉移的頻率增加以及新興的癌症耐藥性,此外,大多數抗癌藥物對正常細胞仍具有攻擊性。這些都影響了生活質量,且癌症患者的死亡人數仍然居高不下。
我們需要對腫瘤發生基礎的多因素病因有更清楚的理解,這有助於增強抗癌治療的有效性。值得關注的是,一些研究表明,人體中存在的微生物是致癌作用的關鍵決定因素,可以影響癌症的發生,進展,最重要的是對治療的反應。
人體微生物組
人體是數萬億種微生物的生態家園,它們與宿主健康的維護密切相關。諾貝爾獎獲得者約書亞·萊德伯格(Joshua Lederberg)於2001年將這樣的微生物群落稱為「微生物組」。
微生物遍布全身,其中腸道微生物群是最受歡迎和研究最深入的系統。人的腸道微生物主要包含細菌,病毒,真菌,古細菌和小型原生動物的異質等。
最新研究強調了腸道菌群對宿主健康的不同作用。 腸道內的微生物通過調節大量的基本生物學過程,在宿主系統內提供保護並維持體內平衡。 這些可能包括監測上皮的發育,營養吸收,代謝功能和先天免疫反應,包括免疫細胞的活化和成熟,防止全身性滲透和腸道病原體排出。
相反,對這種自然存在的原有菌群的擾動,被稱為微生物失調,與各種病理狀況有關,例如糖尿病,肥胖症,炎性疾病,代謝綜合症,肝硬化甚至各種癌症。
腸道菌群對健康的作用
宿主和腸道微生物群共同努力的結果是,全身功能(如能量平衡,營養,代謝,認知功能,心血管功能,晝夜節律,炎症,先天性和適應性免疫)之間的微妙平衡。
腸道菌群的各種成員,包括擬桿菌屬,乳桿菌屬和雙歧桿菌屬,與某些食物的消化密切相關。腸道微生物群除了影響脂類和蛋白質的穩態以及必需營養維生素的合成外,還有助於維持能量平衡。
此外,腸道體液和細胞黏膜免疫系統的正常發育是由腸道菌群分泌的代謝物和信號分子介導的。
腸道微生物群可調節多種生理功能
Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020
腸道微生物通過調節大量的系統功能,在維持宿主正常健康方面起著關鍵作用。它對中樞免疫系統、消化系統和其他系統有很大的貢獻。腸道微生物群本身會受到多種外部因素的影響,如飲食、抗生素的使用和不同的治療模式。這種修改反過來又會影響其監管功能。
隨著宏基因組學以及涉及下一代測序(NGS)和16S rRNA擴增子計算分析的多學科方法的出現,人們對腸道微生物組多樣性和豐富度有了更多的了解,宏基因組測序已揭示癌症患者中微生物群落的顯著改變。
癌症中微生物群的變化
胃癌:
從胃癌患者提取的組織中檢測到厚壁菌、變形菌、放線桿菌和梭桿菌。此外,胃癌症患者表現出21個細菌類群的顯著富集,包括核梭桿菌、微小微胞菌、血管緊張鏈球菌和消化鏈球菌口炎,並減少了10個分類群。
胰腺癌:
一項宏基因組研究還表明,口腔中存在嗜血桿菌、卟啉單胞菌、瘦肉桿菌和梭桿菌屬物種與胰腺癌的風險增加有關。
16srrna基因測序預測卟啉單胞菌、放線菌、奈瑟菌、鏈球菌、類雙歧桿菌和梭桿菌在胰腺癌的發生發展中起重要作用。
結直腸癌:
研究表明,大腸埃希菌、脆弱類桿菌和厭氧消化鏈球菌具有致癌潛力,可誘導遺傳毒性應激、膽固醇生物合成和激活Th1免疫反應。宏基因組分析發現,在結直腸腫瘤患者中,除了明顯的病毒組特徵外,微小單胞菌、消化鏈球菌、梭桿菌和卟啉菌都有明顯的積累。
另有更詳細的研究表明,CRC相關菌群可分為三種不同的模式。
肝細胞癌:
肝癌發生發展涉及慢性肝細胞死亡、炎症和肝組織修復誘導的纖維化等多個階段。腸道菌群的變化趨勢如下:
註:HCC-肝細胞癌;HBV-HCC: B肝感染引起肝細胞癌;HCV-HCC: C肝感染引起肝細胞癌;NV-HCC: 非病毒性肝細胞癌
癌變起因於腸道微生物群的生態失調
良好平衡的腸道微生物群對健康生活十分重要。而腸道微生物群的失調會加劇不同癌症的致癌發展。
幾項使用無菌小鼠模型的臨床前研究揭示了腸道微生物組通過不同機制在癌症發生和進展中的作用。
腸道微生物群積極參與腫瘤的發生和發展
Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020
癌症的發生是一個動態的過程,許多內在因素促成了它的發生。腸道微生物群在決定轉化細胞的命運方面起著至關重要的作用。微生物失調可能會促進腫瘤的發生,並導致腫瘤轉移。
促癌微生物最突出的例子是幽門螺桿菌,它會感染胃並刺激胃癌的形成。幽門螺桿菌是唯一獲得IARC認可的I類人類致癌物的細菌。 其主要作用方式包括分泌毒力因子,主要是空泡細胞毒素A(vacA)和細胞毒素相關基因A(CagA).
這些已被證明可以激活致癌途徑,從而異常轉化細胞增殖,細胞周期轉變和細胞死亡。 可以誘發癌變的其他間接機制包括氧化應激的產生。
這有助於促進突變的基因組不穩定性和宿主炎症和免疫反應的操控,從而幫助腫瘤細胞逃避免疫監視. 例如,幽門螺桿菌和糞腸球菌成功誘導氧化應激,從而導致基因組損傷並最終導致腫瘤發生。
參與腫瘤發生的腸道菌群列表
Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020
其他毒素,例如大腸桿菌產生的大腸桿菌桿菌毒素和細胞致死性擴張毒素(CDT)表現出DNase活性,為DNA損傷鋪平了道路,最終導致異常的細胞周期,基因組攻擊和致瘤性進展。腸桿菌科的Colibactin類似地在宿主細胞中誘導DNA雙鏈斷裂。
致病性弗氏志賀氏菌是腸道微生物的另一個例子,其酶肌醇磷酸磷酸酶D(IpgD)和半胱氨酸蛋白酶樣毒力基因A(VirA)介導宿主p53降解。
另一方面,梭菌梭狀芽胞桿菌(Clostridium scindens)參與膽酸向脫氧膽酸(DCA)的轉化,所述脫氧膽酸起腫瘤誘導劑的作用。DCA還參與了花生四烯酸的釋放,花生四烯酸被COX-2和脂氧合酶轉化為炎症分子前列腺素和DNA損傷劑活性氧(ROS).
糞腸球菌可促進細胞外超氧化物(O2-)的產生,從而引入DNA雙鏈斷裂和點突變。
某些炎性細菌,例如沃茲沃氏菌(Bilophilia wadsworthia)參與了腫瘤誘導劑的生成,例如牛磺膽酸。
核梭狀芽孢桿菌的FadA通過凝集素和宿主上皮細胞的E-鈣粘著蛋白的結合誘導β-連環蛋白。β-catenin的核易位通過激活c-MYC癌基因誘導細胞增殖。
具核梭桿菌的另一種細菌致病因子Fap2抑制T淋巴細胞和自然殺傷(NK)細胞的作用,從而阻止了髓樣抑制細胞在腫瘤部位的募集。
在免疫系統中,腸道菌群如何調控?
腸道菌群通常有助於產生短鏈脂肪酸(SCFA),例如甲酸,乙酸,丙酸和丁酸。這些SCFA通常參與多種生理功能,例如激活G偶聯受體,抑制組蛋白脫乙醯基酶(HDAC)以及將T細胞分化為效應T細胞(例如Th1和Th17細胞),從而賦予整體抗腫瘤功能。
腸道菌群負責循環中性粒細胞的成熟以及循環單核細胞的晝夜波動。通過分泌白介素(IL)-10和轉化生長因子(TGF)-β參與促炎反應下調的調節性T細胞(Tregs)也被某些腸道菌群激活。例如,脆弱的共生擬桿菌(Bacteroides fragilis)有助於Treg細胞的成熟和抗炎細胞因子IL-10的分泌。
重要的是,丁酸和丙酸參與了CD8+ 細胞毒性T淋巴細胞的調節表達,而CD8+ 細胞毒性T淋巴細胞是抵抗腫瘤活性的主要哨兵。已知微生物配體的產生會誘導核因子κB(NF-κB)的活化,從而驅動促炎性細胞因子,例如腫瘤壞死因子(TNF)-α或IL-1的分泌。共生菌在腸道內的定植還導致了來自Paneth細胞的重要抗菌肽的表達。
脂多糖(LPS)和肽聚糖是革蘭氏陰性細菌外膜的重要組成部分,它們通過激活宿主Toll樣受體(TLR)導致腸道免疫調節,而Toll樣受體主要由腸上皮細胞和樹突狀細胞表達(DC)。這些TLR積極參與介導針對腫瘤細胞的T細胞反應。
除此之外,細菌產物誘導IFN-γ的表達,從而影響中性粒細胞的存活和成熟。低水平的細菌LPS可能會對髓樣細胞的活化產生巨大影響,從而引發增強的炎症反應。
更具體地說,細菌產生的吡哆醇可用於刺激宿主免疫監視。幾種活細菌,如果攝入足夠的量,它們能夠給宿主帶來健康益處,因此可能發揮益生菌的作用。此類益生菌微生物有助於保護宿主腸道穩態,並在很大程度上調節宿主生理和免疫力。這些結果揭示了健康腸道微生物群的日常功能,這是維持宿主內正常內環境平衡的必要條件。
探討腸道微生物在化療調控中的重要性
一些證據清楚地表明,調節腸道菌群可以提高治療效果,減輕化療藥物的副作用。
腸道菌群對化療藥物療效和毒性的調節作用
Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020
上表總結了幾種常用的治療各種惡性腫瘤的化療藥物及其與腸道微生物的關係。
細菌通過多種機制影響化療藥物和免疫檢查點抑制劑的療效,如下圖:
腸道細菌調節抗癌藥物療效的機制
Cheng WY,et al. Gut, 2020
微生物代謝產物與癌症
微生物轉化的代謝物一旦進入循環,就可以到達人體內遙遠的器官,影響那裡的癌症發生。例如,在肝癌中,腸道定植者代謝膽汁酸,膽汁酸經過再循環,調節免疫細胞向癌區募集。
腸道微生物的雌激素代謝也改變了絕經後婦女患乳腺癌的風險。腸道失調加上分泌β-葡萄糖醛酸酶的微生物水平增加,如瘦肉梭菌和球菌,顯著激活雌激素受體,刺激靶細胞(主要是乳腺和子宮內膜)的細胞增殖。雌激素攝取的增加與乳腺癌的發生直接相關。
腸道微生物群的變化是否會導致癌症的發生,或者致癌轉化是否會刺激微生物組的這些變化,仍然是個模稜兩可的問題,因此需要進行深入的研究。
細菌素是主要由所有細菌核糖體合成的陽離子肽。癌細胞膜的主要負電荷使細菌素優先結合到癌細胞而不是健康細胞上。
革蘭氏陰性菌的細菌素分為微球菌素、大腸桿菌素和泰洛黴素。牛鏈球菌HC5的牛維素HC5抑制MCF-7等乳腺癌細胞的生長。
由大腸桿菌和其他腸桿菌科合成的大腸桿菌素,特別是大腸桿菌素E1和A,可以抑制乳腺癌細胞系MCF7、ZR75、BT549、BT474、MDAMB231、SKBR3和T47D等多種乳腺癌細胞株的生長,對結腸、骨和子宮等惡性腫瘤也有抗腫瘤作用。
肺炎克雷伯菌分泌的大腸桿菌素microcin也具有很好的腫瘤抑制和凋亡功能,在Jurkat、HeLa和結直腸癌細胞系中都有觀察到。然而,它對正常細胞沒有任何毒性。
對HeLa和HT29細胞株特異性的細胞毒性作用與從Pediococcus acidlicati中提取的pediocin有關。
細胞溶血素A是一種細菌毒素,可引起胱天蛋白酶介導的細胞死亡。用大腸桿菌或鼠傷寒沙門氏菌治療的小鼠,可以產生細胞溶血素A,已經顯示出很有前景的抗癌機制。
同樣,革蘭氏陽性菌的側凸蛋白10(LS10)對MCF-7乳腺癌細胞的抑制活性最高。
此外,Nisin是世衛組織批准的乳酸乳桿菌Ⅰ類細菌素,可顯著抑制人肝細胞癌、頭頸癌和乳腺癌細胞的侵襲和轉移。
銅綠假單胞菌產生的一種含銅金屬蛋白Azurin(14kda,128個胺基酸),通過抑制腫瘤細胞中cop1介導的泛素化和蛋白酶體降解,增強p53的細胞內穩定性。Azurin對乳腺癌細胞株MCF7、ZR-75-1、T47D、MDA-MB-157、MDD2和MDA-MB-231也具有潛在的抗癌活性。
此外,肺炎鏈球菌分泌的Pep27anal2可誘導胱天蛋白酶非依賴性和細胞色素依賴性凋亡,從而顯著阻斷白血病、胃癌和乳腺癌細胞系的細胞增殖。
腸球菌產生的Entap對三陰性乳腺癌細胞株MDA-MB-231具有良好的抗增殖活性。
白喉毒素(DT)由白喉棒狀桿菌產生。交叉反應物質197(CRM197)是白喉毒素的無毒突變體,通過與肝素結合的表皮生長因子結合促進細胞凋亡和抑制血管生成,從而抑制人腎上腺皮質癌的增殖。CRM197和順鉑的組合方法觸髮膠質瘤細胞凋亡介導的死亡。
肉毒梭菌的A型肉毒毒素(BoNT-A)通過激活程序性細胞死亡阻止前列腺增生的生長和增殖。這些研究代表了一些在腫瘤發生中具有獨特抑制作用的微生物代謝物的顯著例子。
研究模型的運用
臨床前小鼠模型和癌症患者的測序數據是微生物組學研究中有價值的工具,有助於癌症患者新療法的開發。
Cheng WY,et al. Gut, 2020
臨床前小鼠模型是在沒有微生物(無菌小鼠)或存在有限數量的微生物(抗生素治療)的情況下剖析特定細菌機制的有價值工具。
然而,由於選擇偏差等局限性,這些臨床前模型無法完全重現人類腸道微生物群與癌細胞之間的相互作用。抗生素治療可能選擇耐藥菌或促進真菌生長,這與實驗結果相混淆。
其他因素,包括居住環境、飲食和遺傳背景,也會影響小鼠體內的微生物群落及其與腫瘤細胞或抗癌藥物的相互作用。為了補充這些臨床前模型,癌症患者的測序數據在抗癌治療前後根據宿主基因組、代謝組和免疫譜進行檢查。
總之,小鼠模型和人類測序數據的META分析為腸道微生物群和癌症治療之間的關係提供了見解。通過選擇性地用噬菌體靶向癌相關細菌、通過施用益生菌或進行FMT來調節腸道微生物群,可以重塑腫瘤微環境和宿主免疫反應,從而增強抗癌藥物的療效,改善癌症患者的預後。
抗生素的作用
抗生素用於治療多種疾病,從常見感染到更嚴重和更嚴重的疾病,清楚地說明了抗生素在我們日常生活中的重要性。
抗生素對於預防術後或免疫功能低下患者的致病微生物的生長極為有用,然而,不加控制地使用抗生素可能會在不同程度上改變我們的腸道共生菌群。這有時可能會對健康造成有害影響。
多項研究表明,由於抗生素的使用,免疫治療的益處可能會大大中斷。艾哈邁德等人研究表明在抗PD-1治療期間使用抗生素會對患有各種癌症的個體的治療結果產生不利影響,包括黑色素瘤、頭頸部癌、肺癌、腎癌、肝癌和尿路上皮癌。
事實上,沒有接受任何廣譜抗生素治療的病人完全受益於免疫治療。根據Huemer等人的觀點抗生素和免疫檢查點抑制療法的引入削弱了免疫治療的益處。然而,也有一些相互矛盾的報導,表明在這方面計劃周密的臨床試驗對於闡明抗生素和免疫治療之間的確切聯繫是非常重要的。
益生菌、合生元、益生元等對癌症的作用
益生菌參與改變腸道微生物群,增強腸道屏障的完整性,抑制致病菌的生長,並降低原癌物質的代謝。
一些臨床前研究和臨床試驗已經確定了益生菌在改善傳統腫瘤抑制模塊的風險、嚴重程度和相關毒性方面的整體功能。給癌症患者服用益生菌的主要目的是重新填充受損的腸道微生物群,恢復微生物群落的正常功能。
一項針對CRC患者的前瞻性幹預研究顯示,嗜酸乳桿菌NCFM和乳酸雙歧桿菌Bl-04的使用改變了患者的微生物特徵。益生菌增加了產生丁酸鹽的細菌(例如糞桿菌屬和梭狀芽孢桿菌)的數量,同時降低了CRC相關屬(包括梭菌屬和消化鏈球菌)的數量。
除了改變微生物特徵外,研究表明益生菌還可以抑制癌症的發展。
益生菌在抗癌反應和治療中的作用
Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020
儘管益生菌通常是安全的,但在免疫功能受損的癌症患者中引入益生菌,有時可能會促進機會性感染的潛在風險和抗生素耐藥性的轉移。
大多數益生菌產品是從乳酸產生菌(LAB)中獲得的,它們屬於乳酸桿菌和雙歧桿菌。酪乳桿菌和嗜酸乳桿菌已被證明能增強腫瘤細胞的凋亡。鼠李糖菌GG株還具有抗胃癌和結腸癌細胞的增殖作用。
展望未來
人類腸道微生物組是遺傳多樣性不可缺少的資源來源,是宿主免疫系統的重要組成部分,是調節代謝、影響藥物相互作用和疾病結果的功能實體。
腸道微生物的雙重作用體現在其誘人的益生菌和有益的特性上,它們可以預防或治療某些疾病,而腸道微生物的失調似乎是癌症等疾病發展的關鍵決定因素。
目前正在進行的臨床試驗主要關注腸道菌群在治療不同癌症中的作用,如下表:
Chattopadhyay Iet al,Cancer Biology, 2020
這些數據清楚地強調了癌症患者在接受不同的抗癌治療策略時所遇到的各種臨床挑戰。同時也指出了共生微生物在避免這些併發症方面的潛在用途。
應用微生物組學誘導抗腫瘤反應在腫瘤治療中具有潛在的應用前景。益生菌/抗生素與手術、放療和化療的組合方法可能被認為是未來新的抗腫瘤策略。
結 語
目前,大多數與微生物組效應有關的研究都是在小鼠腫瘤模型上進行的,在人類身上的重複性是一個需要深入研究的領域。
了解微生物組特徵和個體微生物特徵可能有助於個性化治療。微生物組學領域的研究進展為宿主和微生物群之間複雜的相互作用,調節癌症發生帶來大量信息,可以說是挖掘出了一座金礦。
控制腸道微生物群可以推動癌症系統朝著理想的方向發展。確定化療和免疫治療藥物、腸道微生物和宿主之間複雜的相互作用途徑,以及我們對系統性微生物致癌作用的進一步理解,可能會為癌症的管理和控制帶來前所未有的機遇。
最近的研究結果支持微生物標誌物或腸型在癌症診斷和預後方面的潛力,噬菌體療法在靶向輸送癌症藥物方面的潛力,以及FMT或益生菌在重塑腫瘤微環境或增強抗癌免疫方面的潛力。
而延長患者壽命,改善患者生活質量的合理解決方案可能在於我們能夠利用微生物群對癌症進行控制及長期管理。
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【 參考文獻 】
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