李 云 张 成 许宇航 李晓岩

(东北林业大学生命科学学院，哈尔滨 150040)

世界卫生组织最新公布数据表明，全球每年有800万人死于癌症，占全球每年死亡总人数的近六分之一。每年有1 400多万新发癌症病例，预计到2030年这一数字将增加到2 100多万。癌症已成为威胁人类生命的主要原因之一。目前，治疗癌症的方法主要有放射疗法、化学疗法、温热疗法及生物疗法等，但普遍存在治愈率不高等特点。因此，开辟新的治疗方式十分必要。近年来，以免疫检查点为药物靶点的免疫检查点抑制剂(Immune checkpoint inhibitors，ICB)治疗癌症受到越来越多科研工作者的青睐。然而临床研究结果表明，许多癌症患者因接受免疫药物治疗而出现不同程度的免疫相关不良反应(immune-related adverse events，irAEs)，最终不得不提前终止治疗。

目前，寄居在人体内的肠道菌群因其与宿主的共生关系被更多的人关注。最近，两个大型国际计划——人类微生物组计划(the Human Microbiome Project,HMP)和人类肠道宏基因组计划(Metagen-omics of the Human Intestinal Tract,MetaHit)在研究人体微生物与人体健康的关系上取得重大进展[1-3]。最新研究结果表明，肠道菌群可以影响ICB治疗癌症,能够极大地改善患者对该疗法的响应程度。本文将结合近几年的研究成果，对肠道菌群影响ICB治疗癌症的研究现状进行综述，以期能够给研究肠道菌群与癌症治疗的关系提供理论依据。

1 ICB治疗癌症存在局限性

“肿瘤免疫监视学说”认为免疫逃逸是肿瘤发生的重要原因。因此，激活人体自身免疫机能杀死肿瘤细胞的免疫疗法成为近年来的研究热点。其中，以免疫检查点为药物靶点的免疫检查点疗法成为热点中的热点。T细胞在免疫系统中起着核心作用，大量研究结果表明，T细胞的免疫应答反应受到一些共刺激信号或共抑制信号——即“免疫检查点”调控，从而保护周围正常组织不受伤害，维持对自身组织的耐受，避免自身免疫反应[4]。人体内重要的两种共抑制信号是细胞毒淋巴抗原-4(Cytotoxic-T-lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4)和细胞程序性死亡蛋白-1(Programmed cell death 1，PD-1)，它们与相应的配体(CTLA-4的配体：B7分子；PD-1的配体：Programmed cell death ligand 1，PD-L1)结合，可以抑制T细胞的进一步活化和增殖分化[5]。肿瘤细胞通过控制这些免疫检查点的不正常表达而使机体免疫能力下降，巧妙躲避免疫细胞及免疫效应分子的攻击。基于这种免疫逃逸的肿瘤发生机制，以免疫检查点为药物靶点的免疫检查点抑制剂(CTLA-4单抗和PD-1/PD-L1单抗)成为治疗癌症的前景药物。这类药物通过与CTLA-4或PD-1/PD-L1分子结合，能够有效阻止共抑制信号分子对T细胞的抑制作用。T细胞进一步活化、增殖和分化，最终完成对肿瘤细胞的清除作用。目前，经美国食品药品监督管理局(Food and drug administration,FDA)批准上市的以免疫检查点为药物靶点的单抗有Ipilimumab (抗CTLA-4抑制剂)、 Pembrolizumab和Nivolumab(抗PD-1抑制剂)[6-8]。

然而一些临床数据表明，许多癌症患者对免疫检查点抑制剂药物的响应率不高。患者治疗效果较差，甚至还会出现副作用，使其不得不提前终止治疗。研究表明，在一定的检测时间内，采用CTLA-4单抗药物—ipilimumab治疗的癌症患者响应率约为15%[9,10]，而靶向PD-1/PD-L1药物治疗的患者响应率很少能超过40%，甚至有些还只是局部应答[11-13]。另外，接受这些免疫检查点抑制剂药物治疗的患者常常会出现诸如结肠炎、腹泻、皮炎、肝炎、内分泌疾病等的免疫相关不良反应(irAEs)，甚至有可能影响机体组织[14]。因此，该疗法存在一定的局限性。

1.1皮肤不良反应 皮肤相关不良反应在免疫疗法治疗癌症患者中最为常见，也相对最早出现。研究显示，接受Ipilimumab、Pembrolizumab、Nivolumab治疗的癌症病人分别在3.1周、9周和2.8个月后出现皮肤不良反应[15]。该类疾病在抗PD-1和抗CTLA-4治疗患者的发生率约为30%和45%[15]。病人身上会出现不同程度的红色皮疹,1级不良反应者皮疹小于占全身体表面积10%，同时伴有轻度瘙痒。2级不良反应者全身有重度间接性瘙痒，皮疹扩展到全身体表面积30%。3级不良反应者皮疹面积继续扩展超过30%，更加严重者则出现全身重度持续性瘙痒。

1.2胃肠道不良反应 胃肠道反应是免疫相关不良反应(irAEs)中的第二常见疾病。出现该类反应的癌症患者在接受免疫检查点抑制治疗初期会出现腹泻等副作用，而腹泻被认为是潜在的结肠炎症状，最后会导致肠梗阻和穿孔[16]。临床研究结果表明，3级或4级结肠炎在抗CTLA-4(7%)治疗过程中发病率高于抗PD-1(1.8%)治疗[17]。

1.3内分泌不良反应 研究表明，约有5%～10%的病人在接受免疫检查点抑制剂(CTLA-4单抗、PD-1/PD-L1单抗)治疗后会出现不同程度的内分泌免疫相关不良反应[13,18]。内分泌不良反应较其他免疫不良反应具有一定特殊性，因为该类疾病很难被诊断出来。一些常见的病状，例如疲劳、恶心、停经、血压过低、低钠血症、低血糖、嗜酸粒细胞增多等都有可能是内分泌功能障碍所致。垂体炎和甲状腺机能减退是最常见的内分泌类疾病，抗CTLA-4治疗的病人中有高达10%的患者会出现这两种疾病[19]。

2 肠道菌群概述

人体肠道内寄居着大约1014个细菌，该数量是人体细胞总数的10倍之多。这些细菌统称为“肠道菌群”[20]。据估计，人体内的肠道菌群包括约300～1 000种不同的细菌[21,22]，其中99%以上均为厌氧菌，但在盲肠中，好氧菌密度最高[23]。研究发现，肠道内这些重达2公斤的菌群负载的所有基因组的基因数是人类基因组内基因的100倍[24]。人体自出生起肠道内就开始有了微生物生长，这些肠道菌群的数量随人体饮食、营养状况、环境变化、疾病和用药情况(如是否使用抗生素)等有所波动[25]。肠道菌群与人体的互惠共生关系使得其作为一个联合体，被看作是宿主的一个重要器官[26]。肠道菌群参与人体内的诸多生理过程。肠道菌群可以产生一些必要的维生素，如维生素K、维生素B12、叶酸和维生素B7[27]；肠道菌群能够产生次级胆汁酸来帮助人体消化脂肪[28]；肠道菌群还能产生与宿主代谢有关的具药理活性的信号分子。例如肠道菌群可以将人体内的膳食纤维发酵为短链脂肪酸，这些脂肪酸作为一类信号分子，协同G蛋白偶联受体共同影响脂肪细胞和外周器官的胰岛素敏感性，从而调节宿主的能量代谢[29]；肠道菌群可以和外援病菌竞争营养并产生抗菌物质来阻止病原菌的繁殖。

近年来，Nature、Science和Cell三大科学期刊纷纷报道肠道菌群在人体健康和疾病发生中发挥着至关重要的作用。Rakoffnahoum等[30]发现一种被称作卵形拟杆菌(Bacteroides ovatus)的细菌可以消化膳食中的多糖——菊粉，给其他细菌提供食物；Coyte等[31]发现肠道菌群之间的相互竞争关系有利于维持肠道的生态稳定，从而维护人体的健康；Chevalier等[32]研究发现低温胁迫可以改变小鼠肠道内的菌群组成，而菌群的改变对于脂肪燃烧、改善葡萄糖代谢及减肥等具有非常关键的作用；此外，越来越多的学者开始关注肠道菌群影响癌症免疫治疗效果等方面的研究，以期能够改善ICB治疗癌症局限性等问题。

3 肠道菌群影响免疫检查点抑制剂治疗癌症

越来越多的研究证实，寄居在人肠道内的菌群与宿主有着密切的互惠共生关系，且肠道菌群与宿主的免疫应答密切相关。宿主免疫系统在调节肠道菌群动态平衡中起着重要的作用，同时这些肠道菌群对宿主的免疫应答也起着关键性作用[33]。另外，肠道菌群在调节宿主免疫系统及自发性免疫疾病等方面发挥着重要作用。

3.1肠道菌群与免疫应答

3.1.1分节丝状菌诱导小肠产生辅助性免疫细胞Th17 分节丝状菌(Segmented filamentous bacteria，SFB)是一类革兰氏阳性产孢子菌，黏附于肠上皮细胞，与宿主的免疫机制有着密不可分的关系。研究发现分节丝状菌(SFB)可以诱导小肠内产生TH17辅助免疫细胞[34]，引发易感小鼠的自身免疫性关节炎[35-38]。肠道菌群中的SFB刺激产生的TH17细胞表面有结合抗原的特异性T细胞受体(T cell receptor,TCR)，当SFB黏附于上皮细胞上时，TH17识别的特异性抗原会优先被宿主细胞摄取，从而引发炎症的发生。一般来说，辅助性T细胞分为两类，辅助性T细胞1型主要产生IL-2、IFN-γ等细胞因子，参与细胞免疫；辅助性T细胞2型主要产生IL-4、IL-5等因子，协助体液免疫过程。不同于以上两种亚型，辅助性TH17细胞可以分泌IL-17A、IL-17F、IF-22刺激肠上皮细胞产生抗菌蛋白[39]。TH17细胞产生的主要效应因子IL-17是一种致炎细胞因子，会促进炎性反应。IL-17分子可以刺激机体上皮细胞、纤维细胞等分泌细胞因子如IL-6、粒细胞-巨噬细胞刺激因子(Granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GM-CSF)、化学增活素及细胞黏附分子(Cell adhesion molecules,CAM)-1等来刺激炎症的产生。另外，IL-17与炎症因子TNF-α具有协同作用，能够通过释放前炎性细胞因子来扩大炎症反应[40,41]。

除了促炎作用外，SFB诱导产生的Th17细胞还有助于Th17细胞介导的黏膜保护免疫作用。Klaasen等[42]发现，给无菌小鼠分别移植含SFB菌群和不含SFB菌群后，移植了含SFB菌群的小鼠体内IgA含量有明显增加。Cao等[43]研究发现小鼠肠道内缺失了IL-17R后，体内IgA数量显著下降，而移植了Th17细胞后IgA水平有所提高。因此推测Th17细胞维持肠道免疫平衡可能与IgA抗体有关。此外，Kinnebrew等[44]研究发现SFB可以诱导TLR5(+)吞噬细胞CD103(+)CD11b(+)DC(Dendritic cells)分泌IL-23，促进Th17细胞对肠道的免疫调节功能。

3.1.2肠道菌群影响调节性T细胞免疫功能 调节性T细胞(Regulatory cells，Tregs)是一类具抑制功能的T细胞亚群，通过不同途径作用于多种靶细胞后对机体免疫系统发挥负调控作用[45]。该细胞通过抑制效应T细胞的感应和增殖来抑制免疫反应，从而帮助维持人体对自身抗原的耐受性，防止自身免疫性疾病的发生[46]。调节性T细胞(Tregs)的生物标志为CD4+、 FOXP3+和CD25+，其中，FOXP3+是重要的转录因子。Tregs控制自身免疫反应的分子机制目前尚不清晰，现有的实验研究证明，TGF-β和IL-10与调节性T细胞的功能有密切关系。机体在应对病原菌(诸如柠檬酸杆菌,Citrobacter rodentium)侵害时，会产生免疫反应，肠道内的调节性T细胞就可以有效保护周围组织不受损伤[47]。

一系列研究发现，某些肠道菌群可以影响宿主体内Tregs的免疫功能。Mazmanian等[48]发现脆弱拟杆菌可以促进调节性T细胞的诱导功能，保护宿主不受免疫炎症的侵害。脆弱拟杆菌细胞壁含有一类多糖A成分(Polysaccharide A，PSA)，该物质可以通过TLR-2(Toll-like receptors-2)激活Treg，使其分泌IL-10，下调肠道的炎性反应[49]；Aterashi等[50,51]发现梭状芽孢杆菌(Clostridium prazmowski)参与了诱导调节性T细胞的免疫应答过程。梭状芽胞杆菌可以诱导已活化的TGF-β因子和其他一些能协同树突状细胞(DC)促进Tregs细胞在结肠内积累的细胞因子释放出来，从而促进Tregs的免疫调节过程；Jeremiah等[52]发现婴儿双歧杆菌(Bifidobacterium infantis)和脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)可以促进CD4+T细胞向调节性T细胞的转换。

3.1.3肠道菌群多样性可以影响机体免疫功能 不同人患病的概率不同，有些人更容易出现自身免疫疾病,针对此现象，已有大量研究证明肠道菌群是塑造和调节机体免疫系统免疫应答的重要因素，肠道菌群一旦失调，将会出现一些自身免疫性及免疫介导的疾病[53-55]。Schirme等[56]研究发现肠道菌群的多样性使菌体的代谢产物具有多样性，进一步对宿主免疫系统带来不同的影响。在这项研究中，研究人员希望找到病原体免疫应答的个体差异、肠道菌群差异及这两个因素之间的相互影响模式，他们将搜集到的500个健康人体的免疫细胞暴露在三种细菌刺激物和两种念珠菌属真菌下，通过检测细胞因子的产生来反应应答情况。最后他们发现组成不同的肠道菌群可以调节病原体诱导的TNF-α和IFN-γ的产生。如在白色念珠菌(Candida albicans)的刺激下，Dorea属(人体肠道中的主要产气菌)丰富的机体内细胞因子IFN-γ含量增加，而另一种未经分类的Dorea属细菌却抑制IFN-γ因子的释放；假链状双歧杆菌(Bifidobacterium pseudocat-enulatum)可以诱导机体内IFN-γ因子的产生；而青春双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis)与TNF-α因子的产生呈负相关。研究人员已证实，肠道菌群差异性会影响机体出现不同的免疫应答反应，这或许有助于我们解释每个病人的疾病易感性，以找到更好的靶向治疗方法，但具体的作用机制有待进一步的研究。

3.2肠道菌群影响ICB治疗癌症 免疫检查点CTLA-4、PD-1/PD-L1在免疫疗法中作为药物靶点，在Ipilimumab等ICB作用下可以使T细胞不再被抑制，提高免疫系统功能，达到消除肿瘤细胞的目的。然而临床研究表明，接受该类药物治疗的患者经常出现免疫相关不良反应(irAEs)。2016年11月6日在利物浦召开的NCRI(National Council Of Rural Institutes，NCRI)癌症会议中，MD Anderson癌症中心的科学家们通过对200多个来自黑色素瘤患者的口腔微生物组织样本及超过100份肠道微生物组样本调查发现，响应癌症免疫疗法的患者肠道中细菌类型更加多样化，而响应和不响应免疫疗法的患者体内肠道细菌类型也存在显著差异[57]。这一新研究表明，在接受免疫疗法之前调节患者的肠道细菌(如给予抗生素、益生菌或者粪便移植)能够增加治疗的益处。而早期的小鼠研究实验已经证实肠道菌群确实可以改善ICB治疗癌症。

3.2.1肠道菌群对ICB治疗癌症的影响

3.2.1.1拟杆菌属与CTLA-4 接受靶向药物CTLA-4单抗抑制剂(ipilimumab)治疗的癌症患者体内接触共生微生物的地方常常会出现免疫相关不良反应(irAEs)，尤其是肠道[58]。Vétizou等[59]在研究肠道菌群对CTLA-4单抗抑制剂治疗癌症的影响时发现，CTLA-4单抗对无菌(Germ Free,GF)和使用广谱抗生素小鼠体内的MCA205肉瘤均无效，且在这些小鼠体内CTLA-4单抗诱导的CD4+效应T细胞和肿瘤浸润淋巴细胞(Tumor-infiltration lympho-cyte，TIL)数量均显著下降。后经16sRNA的高通量测序发现，CTLA-4单抗的抗肿瘤作用依赖于肠道内拟杆菌属(Bacteroides species)，如多形拟杆菌(B.thetaiotaomicron)、脆弱拟杆菌(B.fragilis)和洋葱伯克霍尔德菌(B.Burkholderia cepacia)等的多样性[60]。研究人员将富含免疫原性拟杆菌属(尤其是脆弱拟杆菌,B.fragilis)的人类粪便移植给GF及使用广谱抗生素的小鼠后发现，CTLA-4单抗的治疗效果有所恢复。他们还发现将脆弱拟杆菌(B.fragilis)和洋葱伯克霍尔德菌(B.Burkholderia cepacia)移植给GF小鼠后可以改善CTLA-4单抗的黏膜毒性，降低结肠炎的发生频率[59]。

3.2.1.2双歧杆菌属和PD-1/PD-L1 Sivan等[61]以来自杰克逊实验室(JAX)和农场(TAC)的两类患有相同黑色素瘤的C57BL/6小鼠(这两类小鼠有着不同的肠道菌群)为实验对象，拟研究肠道菌群与免疫检查点抑制剂治疗癌症之间的关系。研究者发现，来自JAX和TAC的小鼠体内黑色素瘤增长速度有显著差异。小鼠体内肿瘤特异性T细胞的免疫反应强度不够，以及瘤内抗原特异性CD8+T细胞的无法积累使得来自TAC的小鼠体内黑色素瘤增长迅速。用PD-1/PD-L1单抗药物处理过后，来自JAX小鼠体内肿瘤生长率较来自TAC的小鼠有明显的降低。然后研究人员将JAX小鼠的粪便移植给了TAC的小鼠，结果来自TAC的小鼠体内肿瘤生长率也有明显下降。同时研究人员发现，来自JAX的小鼠和接受了粪菌移植的TAC小鼠体内的肿瘤特异性T细胞免疫应答和瘤内CD8+T细胞均有上升。之后他们确定了肠道内的双歧杆菌属(Bifidobacterium)是出现这种现象的主要原因。研究人员给来自TAC的小鼠口服双歧杆菌或者将两类小鼠共同饲养发现，小鼠体内细胞毒性T淋巴细胞介导的免疫反应有所恢复[61]。进一步研究证实，口服双歧杆菌和接受PD-1单抗治疗的小鼠抗肿瘤能力均有增强，而两者结合使用时肿瘤可以被完全控制。这个实验证明了肠道菌群确实影响了ICB治疗癌症。研究者认为这些肠道菌群可以增强树突状细胞(Dendritic cells,DC)的功能，从而使肿瘤微环境中更多的CD8+T细胞(细胞毒性T细胞)被活化和积累，最终增强机体的免疫应答能力，提高这种抗癌药物的治疗效果。

3.2.2肠道菌群与ICB治疗癌症引发的胃肠道毒性有关 ICB作用下的免疫应答不仅可以在外周免疫器官中恢复机体的免疫监视作用，还可以在肠道等微生物大量繁殖的地方发生反应。Ipilimumab治疗的患者会产生一些与免疫相关不良反应有关的抗微生物的抗体[62-65]。这或许与肠道菌群有关，抗癌药物作用下，机体将肠道菌群当作病原微生物，引发自身免疫性反应，产生免疫毒性。研究发现与无菌(GF)小鼠相比，CTLA-4单抗治疗引发的亚临床型结肠炎在无特定病原体(Specific-pathogen-free，SPF)的小鼠体内更易发生,说明了体内寄生的共生菌群对CTLA-4单抗引发的免疫相关不良反应(irAEs)产生一定影响。但是研究又发现对使用广谱抗生素的小鼠而言，肠道内的某些菌群如脆弱拟杆菌(B.fragilis)和洋葱伯克霍尔德菌(B.Burkholderia cepacia)不但不会使炎症加强，反而会改善ICB的抗癌疗效，诱导机体对肠道病变的保护作用[47]。这种保护作用被认为与脆弱拟杆菌(B.fragilis)调动树突状细胞(DC)，促进黏膜表皮上的ICOS+调节性T细胞的增殖有关[66]。研究表明，给CTLA-4单抗处理过的无菌(GF)小鼠喂养脆弱拟杆菌(B.fragilis)后，肠系膜淋巴结上的树突状细胞(DC)会积聚并成熟[67]。同样，Dubin等[52]发现拟杆菌门(B.phylum)在ipilimumab引发的大肠炎中有保护作用。综上所述，如何区分肠道内的保护菌群与引发毒性的菌群成为ICB治疗癌症的关键。

近年来，科学家们将免疫检查点抑制剂和各种辅助疗法相结合，以期能够改善其持久性、疗效等特性，降低临床的异质性。目前，对肠道菌群的操纵已经引起科学家们的普遍关注，人类微生物组计划(HMP)和人类肠道宏基因组计划(MetaHit)提供的宏基因组学和环境转录组学分析对人类肠道菌群有关基因进行了详细地归类[68,69]，研究人类肠道菌群与免疫疗法治疗癌症便有了更强有力的依据。另一方面，有学者认为，饮食、益生菌或选择性抗生素的管理以及特殊菌株或其产物的补充应该被考虑为一种新型的组合策略，用以支持肠道免疫力，刺激有效的抗癌免疫监视[66]。

4 展望

肠道菌群能够改善ICB治疗癌症引起的不良反应，为癌症的治疗带来了新的曙光。这或许可以在将来帮助我们更好地解决癌症问题，改善癌症治疗的异质性。然而，关于肠道菌群我们仍有很多的疑问。如何改变肠道菌群组成使抗癌药物响应率更高？如何区分肠道中可以引发自身免疫疾病的菌群？因此，更加深刻地了解肠道菌群与宿主的关系，了解肠道菌群-代谢-癌症的关系模式，阐明肠道菌群与宿主相互作用的具体机制，将会使人类在对抗癌症的道路上越来越明晰、越来越坚定。

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