100年前，人類就在腫瘤中發現了細菌的存在，但是不是所有腫瘤中都有細菌？不同腫瘤中細菌組成是否相同？它們會不會對腫瘤產生影響？這些問題一直都沒有確切的答案。
在今天的《科學》雜誌上[1]，以色列魏茨曼研究所的研究人員給出了一些回答。通過對上千個腫瘤組織和附近正常組織的對比，研究人員揭示了7種腫瘤：乳腺癌、肺癌、卵巢癌、胰腺癌、黑色素瘤、骨癌和腦癌的微生物組成。
他們發現，從頭部到骨骼，每種腫瘤中都有微生物存在，而且組成各不相同，其中乳腺癌的組成是多樣性最高的，每個乳腺腫瘤樣本中有16.4種細菌，其他腫瘤平均只有9種。
除此之外，研究人員還發現，腫瘤中的細菌可能與腫瘤本身的特徵和治療效果有關。
圖片來自：魏茨曼研究所
在過去的一些發現中，腫瘤樣本裡雖然存在細菌，但是載量很低，有研究人員認為這可能是樣本汙染的結果[2,3]。
為了規避汙染，研究人員想了很多辦法。比如，為了解決樣本從儲存間到實驗室這段時間中可能發生的汙染，他們對石蠟包埋樣本的石蠟塊邊緣（沒有樣本組織）都提取了一百多個切片樣本作為對照組。
總的來說，他們一共對1010個腫瘤樣本和516個正常組織樣本進行了分析。
每一種腫瘤的腫瘤樣本中的細菌DNA水平都顯著高於正常組織和石蠟塊切片對照組。7種腫瘤中，黑色素瘤的細菌DNA陽性比例最低，為14.3%，而比例較高的乳腺癌、胰腺癌和骨癌都超過了60%。
2個對照組和黑色素瘤、肺癌、卵巢癌、腦癌、胰腺癌、骨癌和乳腺癌腫瘤樣本中細菌DNA陽性比例
為了驗證他們的結果，研究人員還挑了另外400個腫瘤樣本，用抗細菌脂多糖和脂磷壁酸（分別是革蘭氏陰性菌和革蘭氏陽性菌細胞壁的特有成分）的抗體進行免疫組化檢測，以及RNA螢光原位雜交的方法檢測細菌RNA，並引入陰性對照，在所有類型的腫瘤中都檢測出了陽性結果，而且空間分布也很相似。
細菌主要分布在癌細胞和免疫細胞，尤其是它們的細胞質中。比較特殊的是巨噬細胞，檢測結果顯示，兩種細胞壁成分在其中的染色強度很高，但RNA水平不高，可能反映了巨噬細胞由於吞噬功能大量攝取了細菌的一些組分，而不代表細胞中活菌的數量很多。
之前也有研究發現，巨噬細胞對脂多糖的處理很慢，在吞噬後幾個月還能檢測到脂多糖的存在[4]，所以這可能是這次研究中，出現細胞壁成分和RNA水平相差懸殊的原因。
雖然特有成分和DNA、RNA的水平能夠定量地檢測細菌，但是想要準確定位，還是需要可靠的可視化方法。之前我們說，細菌主要存在於細胞質中，而通過光-電連用顯微鏡，研究人員確定，它們大多是在細胞質中靠近細胞核核膜的位置，而且有很多細菌已經變成了缺乏細胞壁的狀態。
脫下了細胞壁這層「挺括的外衣」，細菌就可以隨環境變換形態，而且沒有了脂多糖這類特有成分，也少了能被抗生素攻擊的靶點。
圖片來自：pixabay.com
有了量和形態，還要確定細菌是否是活的。研究人員收集了5名接受乳房切除術的乳腺癌患者的「新鮮腫瘤樣本」，在無菌條件下分離組織，接種和培養。有4個患者的腫瘤組織都培養出了超過1000個菌落，另外一個培養出了37個菌落，而同樣條件下，正常組織只培養出了5個菌落。
腫瘤組織培養出的菌落中的細菌分屬於37個菌種，而且有正常的代謝能力。這說明，存在於腫瘤中的細菌的確是活菌。
有菌，是活的，接下來就是組成問題了。雖然不同類型的腫瘤，細菌的組成也不完全相同，但總的來看，基本屬於變形菌門和厚壁菌門兩個大類。從細菌的組成可以部分推斷出細菌的來源，比如胰腺腫瘤中，變形桿菌佔主導地位，組成和健康人的十二指腸菌群相似度較高可能是十二指腸的細菌逆行，通過相連的胰腺導管進入了腫瘤中。
胰腺癌、腦癌、肺癌、卵巢癌、乳腺癌、骨癌、黑色素瘤以及結腸癌（其他醫療中心引進的外部樣本）中細菌組成的對比
另外像乳腺癌這種根據激素受體和HER2的狀態分成不同亞型的腫瘤，不同亞型間的細菌組成也有一些差異。
最後要考慮的問題就是，具有正常代謝能力的活細菌遷移到腫瘤中，總不可能是隱形人一樣，不對腫瘤造成任何影響。
事實證明確實不是，研究人員找到了不少和細菌有關的腫瘤特徵。
在骨癌中，羥脯氨酸水平升高是一個常見的變化，而這次的骨腫瘤樣本檢測，研究人員發現，樣本中羥脯氨酸產生菌的水平明顯高於對照組樣本。還有吸菸和非吸菸的肺癌患者相比，肺部腫瘤中的細菌組成存在差異，吸菸患者有更多的可以代謝香菸煙霧中有毒物質尼古丁、甲苯和苯酚等的細菌。
這些都是針對癌細胞中的細菌而言的，它們主要影響一些腫瘤的表徵，而免疫細胞中的細菌影響的可能是腫瘤的治療效果。
在細胞中生存的細菌，圖片來自：魏茨曼研究所
研究人員比較了對免疫檢查點抑制劑響應和不響應的轉移性黑色素瘤患者的腫瘤免疫細胞細菌組成，發現雖然整體細菌載量沒有差異，但響應者的細菌豐富度更高，梭菌屬細胞佔優勢地位，而不響應者的陰道加德納氏菌（Gardnerella vaginalis）豐度更高。這個結果在過去研究黑色素瘤患者免疫檢查點抑制劑療效和腸道微生物關係的時候也出現過[5-7]。
雖然這項研究是目前對腫瘤中細菌的組成和影響比較全面的一項研究，但其實也還有很多問題沒有解決，比如說，細菌是什麼時候進入腫瘤的？它們通過什麼機制影響腫瘤的發展和治療效果？
研究的通訊作者，Ravid Straussman博士認為，腫瘤本身就是一個複雜的「生態系統」，包含癌細胞、免疫細胞、基質細胞、血管和神經等等，現在，細菌也應該被歸類為生態系統中的一分子，他希望能像其他組成部分一樣，也找到以細菌為靶點的新療法，讓更多癌症患者從中獲益。
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參考資料：
[1] https://science.sciencemag.org/content/368/6494/973
[2] Salter S J, Cox M J, Turek E M, et al. Reagent and laboratory contamination can critically impact sequence-based microbiome analyses[J]. BMC biology, 2014, 12(1): 87.
[3] Eisenhofer R, Minich J J, Marotz C, et al. Contamination in low microbial biomass microbiome studies: issues and recommendations[J]. Trends in microbiology, 2019, 27(2): 105-117.
[4] Forestier C, Moreno E, Pizarro-Cerda J, et al. Lysosomal accumulation and recycling of lipopolysaccharide to the cell surface of murine macrophages, an in vitro and in vivo study[J]. The Journal of Immunology, 1999, 162(11): 6784-6791.
[5] Gopalakrishnan V, Spencer C N, Nezi L, et al. Gut microbiome modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients[J]. Science, 2018, 359(6371): 97-103.
[6] Matson V, Fessler J, Bao R, et al. The commensal microbiome is associated with anti–PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients[J]. Science, 2018, 359(6371): 104-108.
[7] Routy B, Le Chatelier E, Derosa L, et al. Gut microbiome influences efficacy of PD-1–based immunotherapy against epithelial tumors[J]. Science, 2018, 359(6371): 91-97.
本文作者 | 應雨妍