靶向微生物群以優(yōu)化癌癥治療結(jié)果

導(dǎo)讀  

盡管免疫檢查點(diǎn)抑制劑(ICIs)等新的癌癥療法取得了可喜的進(jìn)展，但治療耐藥性和毒性等局限性仍然存在。近年來，人們對(duì)腸道微生物群與癌癥的關(guān)系進(jìn)行了廣泛的研究。越來越多的證據(jù)表明微生物群在決定癌癥治療療效和毒性方面的作用。與宿主遺傳不同，微生物群可以通過多種策略很容易地改變，如糞便微生物群移植(FMT)、益生菌和抗生素。臨床前研究已經(jīng)確定了微生物影響癌癥治療結(jié)果的機(jī)制；臨床試驗(yàn)也證明了微生物群調(diào)節(jié)在癌癥治療中的潛力。本文綜述了腸道微生物與化療和ICIs相互作用的機(jī)制，尤其是腸道細(xì)菌與癌癥治療的藥代動(dòng)力學(xué)(如代謝、酶降解)或藥效學(xué)(如免疫調(diào)節(jié))之間的相互作用。然后探討了這些基本發(fā)現(xiàn)在臨床環(huán)境中的轉(zhuǎn)化潛力，包括使用微生物作為預(yù)測(cè)性生物標(biāo)志物，以及抗生素、益生菌、益生元、飲食調(diào)節(jié)和FMT對(duì)微生物群的調(diào)節(jié)。進(jìn)一步討論了當(dāng)前癌癥患者腸道微生物群調(diào)節(jié)的局限性，并提出了未來研究的基本方向。在個(gè)性化醫(yī)療時(shí)代，了解微生物群及其與癌癥的相互作用至關(guān)重要。調(diào)控腸道微生物群來增強(qiáng)癌癥治療反應(yīng)可以為癌癥治療提供新的見解。

綜述目錄

1 前言

2 微生物群和化療

2.1 機(jī)制概述

2.2 基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用

3 微生物群和ICIs

3.1 機(jī)制概述

3.2 基礎(chǔ)研究到臨床應(yīng)用

4 未來展望與結(jié)論

主要內(nèi)容

1 前言

人類微生物群是40萬億種微生物的動(dòng)態(tài)集合，其中包括3000種細(xì)菌、真菌和病毒。它們主要定殖在上皮表面，尤其是胃腸道。腸道微生物群協(xié)調(diào)廣泛的生理功能，如營養(yǎng)反應(yīng)以及腸道和免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)。生態(tài)失調(diào)，即微生物群組成發(fā)生變化，體內(nèi)穩(wěn)態(tài)被破壞，與包括胃腸道、神經(jīng)和代謝紊亂在內(nèi)的疾病有關(guān)。特定的腸道微生物也與癌癥的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，特別是胃腸道惡性腫瘤。例如，具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)抗原黏附素A(FadA)通過E-鈣粘蛋白-Wnt-β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路促進(jìn)結(jié)直腸癌(CRC)發(fā)生；聚酮合酶(PKS)陽性大腸桿菌基因毒素可促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤發(fā)生；脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)毒素產(chǎn)生活性氧(ROS)，導(dǎo)致DNA損傷。雖然這些細(xì)菌對(duì)腫瘤的發(fā)生有直接影響，但一些微生物會(huì)促進(jìn)炎癥或削弱免疫監(jiān)視，從而間接促進(jìn)癌癥的發(fā)展。這些微生物免疫調(diào)節(jié)活動(dòng)被稱為免疫-腫瘤-微生物軸。

除了發(fā)病機(jī)制，微生物群也調(diào)節(jié)癌癥治療反應(yīng)。雖然癌癥治療發(fā)展迅速，但挑戰(zhàn)仍然是獲得性耐藥，不良反應(yīng)和異質(zhì)性治療結(jié)果。藥物基因組學(xué)是研究遺傳變異對(duì)個(gè)體藥理學(xué)反應(yīng)影響的前沿科學(xué)研究。然而，藥物基因組學(xué)不能完全闡明藥物反應(yīng)的個(gè)體間差異，這意味著存在其他貢獻(xiàn)者。由于腸道微生物群被認(rèn)為是人類的第二基因組，因此提出了藥物微生物學(xué)的概念來解釋藥物基因組學(xué)尚未解決的問題。藥物微生物組學(xué)側(cè)重于通過改變藥代動(dòng)力學(xué)(即改變藥物吸收、分布、代謝或消除)或藥效學(xué)(即改變藥物靶點(diǎn)或生物通路，導(dǎo)致對(duì)藥理作用的敏感性不同)來改變腸道微生物群與藥物反應(yīng)之間的相互作用。越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物群與抗癌治療(如化療、放療、靶向治療和免疫治療)之間存在密切關(guān)系。利用微生物群優(yōu)化癌癥治療已經(jīng)成為個(gè)性化醫(yī)療的另一種途徑。

本文綜述了微生物群的細(xì)菌和化療或免疫檢查點(diǎn)抑制劑(ICIs)之間的藥物微生物學(xué)相互作用，強(qiáng)調(diào)了微生物在藥代動(dòng)力學(xué)和藥效學(xué)方面對(duì)抗癌藥物影響的機(jī)制見解。本文還探討了這些基本發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)化潛力，進(jìn)一步討論了當(dāng)前癌癥藥物微生物組學(xué)的局限性，并提出了可行的未來方向。

2 微生物群和化療

烷化劑、抗代謝物、拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑、有絲分裂抑制劑和細(xì)胞毒性抗生素是具有不同作用機(jī)制的化療藥物，其抗癌活性依賴于破壞DNA完整性、DNA修復(fù)和合成的酶。但由于其非特異性，化療也會(huì)損害正常細(xì)胞。研究結(jié)果表明，靶向微生物群可能有希望提高化療療效并降低毒性(表1)。一般來說，共生微生物主要通過調(diào)節(jié)藥物代謝(即藥代動(dòng)力學(xué))和宿主免疫(即藥效學(xué))與化療藥物相互作用。

2.1 機(jī)制概述

2.1.1 腸道細(xì)菌與化療藥代動(dòng)力學(xué)

腸道細(xì)菌擁有數(shù)以百萬計(jì)的蛋白質(zhì)編碼基因，不僅能處理攝入的營養(yǎng)物質(zhì)，還能改變藥物的藥代動(dòng)力學(xué)。微生物介導(dǎo)的藥物代謝可分為直接作用和間接作用。微生物可以直接將藥物轉(zhuǎn)化為活性、非活性甚至有毒的代謝物。另外，這一過程可以間接介導(dǎo)微生物衍生的代謝物。本文討論了細(xì)菌代謝如何影響化療結(jié)果。

伊立替康(CPT-11)是一種拓?fù)洚悩?gòu)酶I抑制劑，對(duì)各種癌癥有效，并已成為轉(zhuǎn)移性CRC的一線治療方法。從機(jī)制上講，組織和血清羧酸酯酶激活靜脈CPT-11代謝物7-乙基-10-羥基喜樹堿(SN-38)，然后抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶I以阻止腫瘤細(xì)胞的DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。CPT-11的主要缺點(diǎn)是其劑量限制性副作用，即多達(dá)40%的患者發(fā)生嚴(yán)重腹瀉。SN-38在被肝臟尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶解毒為SN-38G后排泄到腸道，細(xì)菌β-葡萄糖醛酸酶可將SN-38G轉(zhuǎn)化為細(xì)胞毒性SN-38，引起嚴(yán)重腹瀉(圖1A)。雖然梭菌屬XIVa和IV簇菌群(包括梭菌Clostridium、真桿菌Eubacterium和瘤胃球菌Ruminococcus)是β-葡萄糖苷酶的主要生產(chǎn)者，但CPT-11可以增加大鼠體內(nèi)梭菌和腸桿菌科(Enterobacteriaceae)的豐度，說明CPT-11本身可以提高細(xì)菌β-葡萄糖苷酶的活性。一個(gè)合乎邏輯的問題是，β-葡萄糖苷酶是否可以被抑制以降低CPT-11的毒性?，F(xiàn)已開發(fā)出選擇性β-葡萄糖苷酶抑制劑來預(yù)防CPT-11誘導(dǎo)的微生物改變和上皮損傷。例如，吡唑并[4,3-c]喹啉衍生物(TCH-3562)和糖醛異法戈明衍生物可以減少CPT-11引起的并發(fā)癥而不影響其療效。降低CPT-11的毒性反過來可以增加患者對(duì)更高劑量的耐受性，從而導(dǎo)致更好的治療結(jié)果。這個(gè)例子說明了共生菌和化療之間的相互作用，展示了微生物群調(diào)節(jié)在降低治療毒性和提高療效方面的潛力。

除了藥物毒性外，細(xì)菌代謝對(duì)藥物作用也至關(guān)重要。研究使用秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)模型確定了介導(dǎo)化療療效的細(xì)菌基因，特別是那些涉及核糖核苷酸和維生素B6和B9代謝的基因。從機(jī)制上講，細(xì)菌核糖核酸代謝需要將5-氟尿嘧啶(5-FU)激活為具有細(xì)胞毒性的5-氟尿苷三磷酸，從而在秀麗隱桿線蟲中表現(xiàn)出其對(duì)RNA的破壞作用(圖1B)。破壞與核糖核苷酸代謝有關(guān)的細(xì)菌維生素B6和B9的產(chǎn)生會(huì)降低5-FU的功效，從而表明細(xì)菌代謝物對(duì)化療藥物的影響。值得注意的是，抗糖尿病藥物二甲雙胍可以抑制5-FU發(fā)揮抗癌作用所需的細(xì)菌單碳代謝，導(dǎo)致5-FU療效降低。因此，對(duì)于有合并癥的癌癥患者，在化療時(shí)應(yīng)特別謹(jǐn)慎。

腫瘤內(nèi)的微生物可以通過酶促反應(yīng)調(diào)節(jié)化療療效。吉西他濱是一種核苷類似物，用于治療胰腺導(dǎo)管腺癌(PDAC)。然而，吉西他濱化療耐藥在PDAC中很常見，懷疑是由腫瘤感染的豬鼻支原體(Mycoplasma hyorhinis)的胞苷脫氨酶(CDD)引起的。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)只有細(xì)菌CDD的長亞型(CDD-L)而非短亞型(CDD-S)可以將吉西他濱代謝成無活性代謝產(chǎn)物2’,2’-二氟脫氧尿苷。超過98%的CDD-L細(xì)菌是γ-變形菌(Gammaproteobacteria)，通常富集在PDAC腫瘤組織中。然而，豬鼻支原體攜帶CDD-S，但仍具有吉西他濱耐藥性，這表明除了CDD亞型外，其他因素也會(huì)導(dǎo)致化療耐藥。值得注意的是，一項(xiàng)轉(zhuǎn)化研究發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合使用抗生素環(huán)丙沙星可以逆轉(zhuǎn)小鼠對(duì)吉西他濱的化療耐藥。但目前的研究主要集中在腫瘤內(nèi)微生物群與化療耐藥性之間的相互作用，而腸道微生物對(duì)腫瘤內(nèi)微生物群組成的影響尚不明確。目前尚不清楚這些微生物如何進(jìn)入腫瘤以及使吉西他濱失活所需的微生物數(shù)量。在將機(jī)制發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用之前，需要更多的臨床前研究。

然后，SN-38在肝臟中被UGT解毒，變成SN-38G，并排泄到胃腸道。腸道細(xì)菌可以重新激活并將SN-38G轉(zhuǎn)化回SN-38，進(jìn)而對(duì)腸道細(xì)胞造成毒性。(B)細(xì)菌核糖核苷酸代謝將氟嘧啶前藥激活為活化形式以產(chǎn)生細(xì)胞毒性作用。新陳代謝需要產(chǎn)生維生素B6和B9。(C)腫瘤內(nèi)帶有CDD長亞型的γ-變形菌可以滅活吉西他濱，導(dǎo)致化療耐藥性。(D) CTX可增加腸道通透性，促進(jìn)Enterococcus hirae易位進(jìn)入脾臟，增加致病性Th17細(xì)胞和腫瘤內(nèi)CD8+/CD4+ T細(xì)胞比例。(E)腸道微生物可以通過MYD88依賴性途徑激活腫瘤浸潤性髓樣細(xì)胞，在化療藥物的作用下產(chǎn)生ROS。(F)奧沙利鉑誘導(dǎo)的上皮細(xì)胞凋亡以及免疫原性細(xì)菌(包括非產(chǎn)腸毒素型脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)和丹毒絲菌科(Erysipelotrichaceae))的抗原性可刺激遷移性DCs分化為TFH細(xì)胞，激活B細(xì)胞。(G)丁酸等微生物代謝物可激活細(xì)胞毒性CD8+ T細(xì)胞，增強(qiáng)奧沙利鉑的療效。(H)具核梭桿菌可以激活TLR4/MYD88依賴性通路，抑制某些miRNAs，使腫瘤細(xì)胞從凋亡轉(zhuǎn)變?yōu)樽允桑瑢?dǎo)致化療耐藥性。該圖通過BioRender.com創(chuàng)建。CPT-11，伊立替康；CTL，細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞；CTX，環(huán)磷酰胺；DCs，樹突狀細(xì)胞；FdUMP，5-氟脫氧尿苷5’-一磷酸；FUMP，5-氟尿苷5’-一磷酸；FUTP，5-氟尿苷5’-三磷酸；GzmB，顆粒酶B；IFN-γ，干擾素-γ；IL，白介素；miRNA，微小核糖核酸；MYD88，髓樣分化因子88；NK，自然殺傷細(xì)胞；PFN，穿孔素；pTH17 cells，致病性輔助性T細(xì)胞；ROS，活性氧；SN-38，7-乙基-10-羥基喜樹堿；TFH，濾泡輔助性T細(xì)胞；TLR4，toll樣受體4；TNF-α，腫瘤壞死因子；Treg，調(diào)節(jié)性T細(xì)胞；UGT，尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶。

2.1.2 腸道細(xì)菌與化療藥效學(xué)

除了藥代動(dòng)力學(xué)外，腸道微生物群還可以通過免疫調(diào)節(jié)改變患者對(duì)化療的敏感性和反應(yīng)(即藥效學(xué))。除了細(xì)胞毒性作用，化療藥物如環(huán)磷酰胺(CTX)也能刺激抗癌免疫。本文探討腸道細(xì)菌的免疫調(diào)節(jié)對(duì)化療療效的影響。

CTX是一種烷基化化療藥物，通過消耗免疫抑制調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)和促進(jìn)輔助性T細(xì)胞(Th)-1的細(xì)胞分化來誘導(dǎo)抗癌免疫。CTX還可以改變腸道微生物群以增強(qiáng)其免疫調(diào)節(jié)作用。使小鼠腸絨毛縮短，增加腸道通透性，促進(jìn)海氏腸球菌(Enterococcus hirae)和約氏乳桿菌(Lactobacillus johnsonii)易位到次級(jí)淋巴器官。這種易位積累了致病性Th17和記憶性Th1細(xì)胞，這對(duì)于CTX誘導(dǎo)的抗癌免疫反應(yīng)至關(guān)重要。海氏腸球菌還增加了抗生素治療小鼠腫瘤內(nèi)CD8+ T細(xì)胞與CD4+ Treg細(xì)胞的比例，甚至逆轉(zhuǎn)了CTX化療耐藥性(圖1D)。相反，Barnesiella intestinihominis并沒有易位，而是在結(jié)腸中積聚以刺激系統(tǒng)性多功能CD8+細(xì)胞毒性T細(xì)胞和Th1細(xì)胞，促進(jìn)產(chǎn)生干擾素(IFN)-γ-的γδT細(xì)胞的腫瘤內(nèi)浸潤。值得注意的是，這些細(xì)菌的抗癌作用受到模式識(shí)別受體核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域2(NOD2)的限制，這表明將NOD2靶向治療與CTX結(jié)合以優(yōu)化治療反應(yīng)的可能性。

奧沙利鉑和順鉑是鉑類抗腫瘤藥物，其早期細(xì)胞毒性作用依賴于ROS的產(chǎn)生，而ROS的產(chǎn)生依賴于完整的微生物群。腸道微生物(尤其是革蘭氏陽性細(xì)菌)調(diào)節(jié)髓樣分化因子88(MYD88)