何艺韵，焦丽静，许玲

(上海中医药大学附属岳阳中西医结合医院肿瘤一科，上海 200437)

肠道菌群是定植于肠道内一群数量庞大的微生物群体，其稳态对人体疾病的发生发展有重要调节作用，被称为人类的“第二基因组”和“一个新的器官”。微生物免疫网络是调控恶性肿瘤发病和复发的重要因素。研究发现，肠道菌群在肺癌、乳腺癌、胰腺癌、脑癌、骨癌等不同癌症中具有其独特的种群表达[1]。目前，虽然手术、化疗、放疗、免疫治疗及靶向治疗等疗法在肺癌治疗中起重要作用，但我国肺癌患者的5年生存率仅为19.8%[2]，而通过肠道菌群微环境提高肺癌疗效是目前的新兴手段。肠-肺轴之间的生物联系是肠道菌群微环境调节肺癌的基础。肠道微环境的平衡可通过多种途径影响肺癌的发生、发展、治疗以及预后。在肺癌的治疗中，肠道菌群不仅可提高化疗、放疗以及免疫治疗的疗效和敏感性，同时还能减少治疗相关不良反应发生，甚至可成为疗效或不良反应的预测性生物标志物。虽然目前研究证实肠道微环境平衡对肺癌有重要调控作用[3]，但以调节肠道菌群平衡治疗肺癌的方法仍处于探索阶段。基于肠-肺轴，现就肠道菌群与肺癌的生物相关性，调控化疗、放疗和免疫疗法的增敏和减毒作用，以及肺癌微生物疗法的现代技术手段予以综述，以为肺癌精准治疗新靶点提供理论依据。

1 肠-肺轴的生物相关性基础

2017年，Budden等[4]率先提出了微生物与肠-肺轴之间的致病联系。肠道和肺通过肠-肺轴，依靠胚胎发育同源性、免疫通道、神经系统通道等各种生物相关性进行互相调节。

在胚胎发育早期，肺与肠的上皮组织形态特性一致，且细胞增殖和凋亡活动无明显差异。而在胚胎发育的各个时期，肺与肠上皮组织中活性蛋白物质水平也无显著差异[5]。这证明肺与肠在胚胎发育时期有着同源性和同步性，是肠-肺轴的组织结构基础。肠道菌群可调节机体免疫系统。除了借助血液或淋巴系统外，肠道菌群还可通过短链脂肪酸等代谢产物作用于肠上皮细胞及肠免疫细胞，使之移位至肠外器官从而引起特异性免疫应答[6]。有研究发现，肺肠合治法不仅可促进辅助性T细胞(helper T cell，Th细胞)1分泌γ干扰素，抑制Th2细胞分泌白细胞介素(interleukin，IL)-4等免疫因子[7]，还可增加叉头框转录因子P3信使RNA的表达，从而维持T细胞平衡[8]，提示黏膜免疫相关因子可能是肺和大肠形成联系的物质基础。同时，肠道菌群还对肠神经系统以及中枢神经系统有互相调节作用，可通过产生神经活性代谢物等参与脑功能调节和神经发育等[9]。有研究发现，用“从肠治肺法”治疗变应性哮喘大鼠，能够调节肺肠组织中的神经递质(P物质、降钙素基因相关肽、血管活性肠肽等)平衡[10]，证实肺和肠之间存在神经系统通道参与调控。

2 肠道菌群微环境调控肺癌的机制

肠道菌群失调包括菌群数量、种类以及组成结构的改变。已证实某些特定细菌为致癌物，如幽门螺杆菌[11]、伤寒沙门菌[12]和具核梭形杆菌等[13]。有研究发现，与肺癌发生密切相关的肠道微生物组特征，或可预测早期肺癌[14]。除了致癌作用外，肠道菌群亦能抑癌。肠道菌群影响癌症的机制包括调节自身微环境生态、机体免疫系统以及新陈代谢产物等，可为肺癌诊疗提供新的潜在标志物。

2.1调节微环境生态 肠道菌群在肺癌患者和健康人中有明显差异。有研究发现，在门水平上，肺癌患者的拟杆菌门、梭杆菌门水平显著升高，而厚壁菌门水平降低；在属水平上，肺癌患者的拟杆菌属、韦荣球菌属和梭杆菌属水平升高，而埃希菌-志贺菌属、克吕沃尔菌属、肠杆菌属、粪杆菌属和小类杆菌属水平则降低[15]。同时，肺癌患者和健康人群肠道菌群的功能通路也存在显著差异，肺癌患者的菌群功能以复制修复、能量代谢、核酸代谢为主，而健康人群的菌群功能以细胞运动、膜转运、信号转导等为主[16]。可见，肺癌患者的肠道微生物群谱与正常人群显著不同，因此特定的肠道微生物组特征或可预测早期肺癌。

2.2调节免疫系统 肠道菌群与健康人体免疫系统之间存在动态平衡以抵御潜在感染。若平衡失调则会诱导炎症反应甚至致癌，若菌群对免疫系统产生抑制作用亦会增加癌症的发病率。Th17细胞和调节性T细胞(regulatory T cell，Treg细胞)比例的平衡对肺癌至关重要。其中，肠道双歧杆菌[17]、鼠李糖乳杆菌[18]等会促进Treg细胞的表达，调节其增殖与分化。肠道内分节丝状菌和胞外病原体能诱导肠道Th17细胞的增殖表达[19]，柠檬酸杆菌和大肠埃希菌O157也能触发类似的免疫反应[20]，从而调节Th17/Treg细胞的平衡。有研究从健康人体粪便中分离出11种细菌菌株的联合体能够在肠道中稳定地诱导能产生γ干扰素的CD8+T细胞，可作为有巨大潜力的有效生物治疗药物[21]。同时，肠道菌群还可刺激B细胞增殖，如毛螺菌科成员(活泼瘤胃球菌)的表面可表达两种B细胞超级抗原蛋白，激活人体IgA应答[22]，且不同细菌会刺激不同路径，从而塑造出不同的B细胞Ig库[23]。

此外，肠道菌群还可通过调控炎症因子从而影响肺癌的进展与转移。目前，慢性炎症已成为癌症发病与进展的重要因素之一，而具核梭形杆菌可诱导促炎及促转移因子(IL-8与趋化因子CXC配体1)增强癌细胞的转移[24]。IL-17由CD4+T细胞分泌，是Th17细胞的主要效应分子，可影响肺癌的发生、转移、预后。研究证实，肠道菌群中脆弱拟杆菌能产生具有抗炎特性的多糖A，抑制IL-17产生，防止炎症攻击[25]，抑制肺癌的发生和转移，改善预后。故肠道菌群可通过调节免疫系统及相关炎症反应等方式对肺癌的发生或转移产生重要作用。

肠道菌群对其他肿瘤免疫相关因子的发育和功能也有深远影响。肠道菌群与模式识别受体能相互作用，如含有核苷酸结合结构域和富含亮氨酸重复序列的蛋白(nucleotide-binding leucine-rich repeat，NLR)蛋白的功能变化会导致肠道菌群失调，引发肠道免疫异常，影响炎症和肿瘤发生[26]。菌群信号可通过模式识别受体信号激活干扰素调节因子3，抑制Wnt/β联蛋白通路，从而抑制结肠癌症[27]。可见，肠道菌群微环境对肿瘤免疫微环境有重要调节作用。

2.3调节代谢产物 肠道菌群代谢产物有短链脂肪酸、脂多糖、次级胆汁酸、三甲胺、咪唑丙酸、支链氨基酸、吲哚及其衍生物等。菌群代谢产物可介导致癌作用，如某些大肠埃希菌菌株产生的colibactin毒素可促进结直肠癌发病[28]。而初级胆汁酸受肠道菌群的作用可发生7α-脱羟基反应生成次级胆汁酸(脱氧胆酸、石胆酸等)，也会增加癌症发生的可能[29]。

肠道菌群代谢产物也可调节抗肿瘤免疫[30]。有研究证实减少梭菌属细菌可增加初级胆汁酸的生成，从而延缓肝癌进展[31]，同时还可增加自然杀伤T细胞和γ干扰素，增强抑制肝脏肿瘤[32]。有研究利用质谱信息学方法发现，胆汁酸在有菌和无菌小鼠体内显著不同，且肠道菌群决定着胆汁酸的不同氨基酸修饰结构[33]。次级胆汁酸对T淋巴细胞有调节作用，如3β-羟基-脱氧胆酸能促进叉头框转录因子P3的诱导作用增加外周Treg细胞[34]，同时某些次级胆汁酸还能提高肠道中表达视黄酸相关孤儿受体γ的Treg细胞水平[35]。不同次级胆汁酸的代谢产物对T细胞也有着不同作用，如石胆酸代谢产物3-OxoLCA可抑制Th17细胞分化，而另一种石胆酸代谢产物isoalloLCA可促进Treg细胞分化[36]。可见，胆汁酸作为肠道菌群的代谢产物之一对调节免疫和抑制癌症均有一定作用，胆汁酸-肠道菌群轴可成为治疗肺癌的新手段之一。

短链脂肪酸是肠道细菌发酵产物，具有抗炎抗癌作用。有研究发现，肠道菌群失调以及短链脂肪酸减少会增加癌症的发生和进展风险[37]。另有研究显示，Faecalibaculum rodentium的PB1菌株可产生短链脂肪酸从而抑制肿瘤生长，且在人体内鉴定出与Faecalibaculum rodentium的PB1菌株对应的细菌为Holdemanella biformis[38]。同时，短链脂肪酸还能通过调控Treg细胞、CD4+T、CD8+T细胞的功能增强抗肿瘤活性[39]。

另外，在肠道菌群其他代谢产物中，假长双歧杆菌的代谢产物肌苷进入血液后可促进抗肿瘤T细胞免疫[40]；嗜热链球菌通过代谢产生的β-半乳糖苷酶可抑制小鼠体内肿瘤的生长转移和体外癌细胞的存活[41]；丙酮酸和乳酸可活化G蛋白偶联受体31作用于肠道内表达趋化因子CX3C受体1的单核吞噬细胞，诱导其向肠腔伸出树突以增强免疫应答[42]。因此，调节肠道菌群代谢产物可为未来肺癌的治疗提供新思路。

3 肠道菌群在肺癌治疗中的作用

肠道菌群的动态平衡对癌症治疗有重要调节作用，癌症患者可从微生物疗法中获益[43]。

调节肠道菌群可增强治疗有效性和降低相关毒性，并可能是疗效产生异质性的原因，可作为肺癌个体化治疗的新兴手段。

3.1肠道菌群与放化疗

3.1.1肠道菌群介导放化疗的增敏 虽然肠道菌群并不是化疗药物发挥抗癌疗效所必需，但抗癌效果有赖于肠道微环境的平衡。因此，肠道菌群可成为改善放化疗的有效生物标志物。

有研究表明，顺铂联合乳酸杆菌疗法可使肺癌小鼠的生存时间显著延长，抑瘤效果更好；乳酸杆菌明显增强了顺铂对致癌基因(血管内皮生长因子A)的下调及抑癌基因(细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子1B)的上调作用，且使IL-6、γ干扰素水平显著升高，这可能为乳酸杆菌协同增强顺铂抗肺癌疗效的机制[44]。海氏肠球菌和肠结巴斯德菌可提高环磷酰胺的抗肿瘤功效，且与晚期肺癌或卵巢癌患者化疗良好的预后相关；环磷酰胺可驱使小肠中的海氏肠球菌进入次级淋巴系统并增加癌巢内CD8/Treg细胞的比例，肠结巴斯德菌可促使γδT细胞进入癌灶中，增加γ干扰素的产生，对肿瘤免疫微环境均有重要作用[45]。此外，肠道微环境稳态也有助于5-氟尿嘧啶发挥抗肿瘤疗效。肠道菌群失调会降低5-氟尿嘧啶的疗效，同时氨基酸代谢、复制和修复翻译、核苷酸代谢等相关基因表达也随之减少[46]。其中，具核梭形杆菌可通过下调杆状病毒IAP重复序列3基因减少5-氟尿嘧啶治疗的耐药性[47]。可见，肠道菌群平衡有助于增强化疗效果，肠道微生态失调则会影响化疗药物的抗肿瘤作用。另外，肠道菌群还能调节非小细胞肺癌化疗患者的免疫功能，通过调节肠道微环境平衡，可显著增加粪便分泌型IgA、血清CD3+、CD4+T细胞比例以及CD4+/CD8+比例，从而提高化疗患者的免疫功能[48]。

虽然目前有关肠道菌群是否对放疗效果产生直接影响的研究较少，但肠道菌群可能是增强放疗敏感性和降低放疗毒性以调节免疫反应的关键因素。研究发现，小鼠昼夜节律失调会减少肠道菌群的种类和数量，并降低抗辐射能力，间接提高对放疗的敏感性[49]；可溶性高纤维饮食可提高小鼠对辐射治疗的敏感性，且与酸性拟杆菌相对丰度呈正相关[50]。一项在黑色素瘤、肺癌、宫颈癌小鼠中进行的研究表明，调节肠道菌群可增强放疗的抗肿瘤应答，同时伴随肿瘤微环境的重塑以及肿瘤中抗原呈递和细胞毒性T细胞的增加[51]。

3.1.2肠道菌群调节放化疗的减毒 放化疗后会引起肠道菌群平衡失调，进一步加重不良反应尤其是胃肠道反应，而调节肠道菌群微环境能减少放化疗相关的不良反应。

目前，已有文献报道调节化疗所致的肠道菌群谱失衡能成功降低胃肠损伤的严重程度[52]。如嗜酸乳杆菌和双歧杆菌的联合治疗可降低顺铂的胃肠道毒性[53]，补充鼠李糖乳杆菌可减轻5-氟尿嘧啶引起的腹泻[54]，联合口服两歧双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和嗜酸乳杆菌能够恢复替吉奥引起的肠道微环境失衡[55]。益生菌(如大肠埃希菌Nissle 1917)可调节肠道菌群和肠道屏障功能，从而减轻伊立替康导致的肠损伤[56]。丁酸梭菌可减少肺癌患者化疗引起的腹泻，并减轻全身炎症反应[57]。

肠道益生菌对减轻或预防放疗引起的黏膜损伤也有一定作用。研究发现，益生菌组合能调节肠道菌群并显著增强免疫应答，减轻鼻咽癌放疗患者口腔黏膜炎的严重程度[58]，嗜酸乳杆菌联合双歧杆菌的治疗有助于减少和预防放射性腹泻[59]。而长双歧杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、嗜酸乳杆菌和布拉酵母菌的联合使用被证实是有效减少黏膜炎和改善症状的优良组合[60]。另外，菌群代谢的短链脂肪酸也可缓解放射性肠炎，其中戊酸具有最显著的预防放疗损伤作用[61]。

3.2肠道菌群与免疫疗法 免疫疗法在晚期肺癌治疗领域发展迅速，肺癌患者可以从免疫疗法中长期受益，如细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4，CTLA-4)、程序性细胞死亡受体1(programmed cell death receptor 1，PD-1)以及程序性细胞死亡配体1(programmed cell death-ligand 1，PD-L1)等。肠道菌群微环境对免疫疗法也有一定影响[62]。免疫疗法并非对所有患者均有效，而肠道菌群组成可能是疗效产生异质性的原因之一[63]。目前，肠道菌群已成为除肿瘤突变负荷、肿瘤新生抗原、肿瘤微卫星不稳定性等外的一个新兴生物标志物，调控肠道菌群可成为免疫疗法的有效辅助手段。

3.2.1肠道菌群调节CTLA-4抗体疗效 抗生素所致的肠道微环境失衡会影响免疫疗法的功效，而肠道菌群的存在能够调节CTLA-4抗体的抗肿瘤疗效。一项包含19项研究共纳入2 740例接受免疫治疗的癌症患者的荟萃分析表明，抗生素会改变肠道菌群的组成，且抗生素的使用与总生存期和无进展生存期呈负相关[64]。虽然CTLA-4抗体对抗生素致肠道菌群失调小鼠或无菌小鼠的恶性肿瘤治疗无效，但却可通过移植脆弱杆菌等方式来复原其抗癌疗效，且抗癌药物的疗效与机体肠道菌群丰度呈正相关，并进一步鉴定出肠道菌群中的拟杆菌属参与了伊匹单抗的抗癌效果[65]。此外，CTLA-4抗体的抗肿瘤作用还取决于不同的菌属物种，肠道菌群中粪杆菌属占优势组较拟杆菌属占优势组患者有更长的无进展生存期和更高的总生存率[66]。肠道菌群也可改善免疫疗法的不良反应，研究表明，双歧杆菌(尤其是短双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌)能够缓解CTLA-4单抗引起的小鼠结肠炎，其机制为通过增加Treg细胞的免疫抑制功能以及促进Treg细胞的线粒体代谢，以调控肠道菌群的组成[67]。

3.2.2肠道菌群调节PD-1和PD-L1抗体疗效 肠道菌群能调控PD-1抗体对肺癌、肾癌等上皮细胞肿瘤的疗效。一项对中国非小细胞肺癌患者的临床试验表明，对PD-1抗体治疗产生应答的患者肠道菌群的α多样性明显高于无应答者[68]。特定的肠道菌群结构能延长患者的无进展生存期，增加患者对PD-1抗体疗效的响应率，且在响应者的肠道菌群中鉴定出长双歧杆菌、屎肠球菌和产气柯林斯菌的富集能显著控制肿瘤生长，增强T细胞应答，取得更优疗效[69]。另外，体内嗜粘蛋白-艾克曼菌的相对丰度与PD-1抗体的疗效呈显著正相关[70]。单独给小鼠口服双歧杆菌肿瘤控制程度与PD-L1特异性抗体疗法相同，而双歧杆菌联合PD-L1抗体的疗法几乎抑制了肿瘤生长[71]。丁酸梭菌为一种重要益生菌，可抑制肠道中致病菌，促进有益菌定植，并能产生短链脂肪酸。有研究证实，丁酸梭菌MIYAIRI 588菌株能显著延长晚期非小细胞肺癌患者PD-1/PD-L1单抗治疗后的无进展生存期和总生存期[72]，其原因可能为丁酸梭菌可增加短链脂肪酸，并能通过调节Wnt信号通路抑制癌症发展[73]。此外，肠道菌群还能预测肺癌免疫治疗相关性腹泻的发生风险。在PD-1抗体治疗的肺癌患者中，无腹泻患者的拟杆菌门水平更高，而厚壁菌门水平更低[74]。因此，肠道菌群的种类和结构既可提高肺癌患者的免疫治疗效果，又可作为预测疗效是否响应以及预测发生不良反应风险的生物标志物，为临床提供新策略。

3.3肠道菌群与微生物疗法 虽然肠道菌群在肺癌患者中的显著变化以及与抗癌疗法的关系已被发现，但以往研究结果并不一致。其中，人类微生物组的研究受到个体间差异性大的限制，如地理环境、饮食习惯、疾病类型等，故误差很难避免。另外，采样方法、测序方法和统计分析的差异也会产生干扰，故需通过减少干扰因素来预测有利于抗肿瘤的肠道菌群组成。因此，如何通过改良研究方案设计、采样方法、统计分析等来减少误差，提高准确性，需进一步深入探索。

目前，粪菌移植、多菌株群落、饮食干预、益生菌等微生物疗法对癌症的治疗效果日益凸显[75]，但在临床实践中，精准调控菌群仍是难题。虽然已有研究通过对梭状芽孢杆菌实现多基因敲除，通过编辑某种细菌的基因组对菌群产物进行了精准调控[76]，但精准调控肠道菌群的领域未来仍需进一步研究。同时，给药方式也是微生物疗法成功的关键因素之一，有研究通过将细菌包裹在某种涂层中而使细菌短暂失活，当到达某种生物信号靶点时再使细菌释放，并恢复生物活性，既可以精准释放疗效，又可避免在传递中导致失活[77]，实现了微生物群的精准传递。通过特殊材料包装后口服递送工程噬菌体，也可以实现肠道细菌基因表达的精确修饰，这为靶向改变肠道细菌功能提供了一种新方法[78]。另外，不同肠段有不同肠道菌群的组成和功能，粪菌移植可能仅对大肠菌群有明显作用，小肠中还存在许多具有重要生理功能的菌群。因此，学者发现全肠菌群移植或可能作为粪菌移植的替代方法，对不同肠道区域的菌群进行更精准的靶向调控[79]。此外，在微生物疗法中，还需考虑到微生物的自我更新、多种分子相互作用、适应性反应、稳定性等问题。

4 结 语

肠道菌群与肺癌的发生发展以及治疗预后密切相关，肠-肺轴的紧密联系使肠道微环境平衡调控肺癌成为可能。肠道菌群可通过自身生态失调、调节免疫系统、调节代谢产物等途径影响肺癌。在肺癌的治疗中，肠道菌群可作为各种疗法的增敏剂和减毒剂，甚至能预测抗癌疗效以及不良反应发生风险。虽然目前研究已证实肠道微环境平衡对肺癌有重要调控作用，但许多临床试验仍在进行中，临床试验结果较少，故通过调节肠道菌群平衡治疗肺癌的方法仍处于探索阶段。另外，减少误差、改良给药方式、提升采样技术和统计分析方法也是目前微生物疗法存在的挑战。未来检测和靶向调节某些肠道菌群及其相关的信号通路，对肺癌的精准治疗以及微生物疗法具有重要作用。