邓小玉 王颖熠 党倩倩 郑颖娟 杨道科

郑州大学第一附属医院放疗科，河南郑州 450052

近年来，免疫疗法为人类抗癌战争翻开崭新的一页，将治疗重点从肿瘤本身转移到机体的免疫系统，通过动员免疫细胞识别并消除肿瘤细胞。然而，在治疗过程中发现，较大比例的患者出现原发性或获得性耐药，推测可能与免疫治疗有效性迟迟不到30%有关[1]。肠道菌群作为一种新兴的克服耐药性和增加其敏感性的治疗策略，通过调节肠道菌群以丰富肠道有益菌有望成为提高免疫治疗疗效的手段。因此，肠道微生态的调节可能成为肿瘤免疫治疗的重要辅助阶段，肠道菌群或可成为新的预测抗肿瘤疗效的标志物，提高免疫治疗效果并减少免疫治疗的不良反应。

1 肠道菌群及代谢产物概述

人体细菌分布最多的器官是肠道，数量可达1014个，约是人体细胞数量的3 倍，这些细菌被统称为“肠道菌群”[2]。肠道菌群由约1000 种细菌定植组成，包括厌氧菌、需氧菌和兼性厌氧菌[3]。其中，对免疫治疗发挥作用的菌群中，厌氧菌占绝大多数，包括双歧杆菌[4]、拟杆菌[5]、阿克曼菌[6]等，乳球菌和屎肠球菌属[7]在内的兼性厌氧菌对免疫治疗也有一定的作用。

正常人体肠道菌群具有调节人体物质代谢、维持肠黏膜完整性等作用[8-10]。此外，肠道菌群在参与碳水化合物、脂质、蛋白质等物质代谢过程中，产生许多影响机体免疫和健康的代谢物，如短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）、色氨酸代谢产物、胆汁酸等。SCFA 一般由膳食纤维发酵产生，包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等，其中丁酸盐是结肠细胞的主要能量来源，与降低结直肠癌风险有关[11]。色氨酸是人体必需氨基酸，一般由膳食蛋白质降解而来，小肠吸收大部分膳食来源的色氨酸，一小部分可到达结肠并被肠道菌群分解代谢转化为各种分解代谢物。色氨酸有两条代谢途径，绝大部分的色氨酸通过犬尿氨酸途径代谢成为犬尿氨酸衍生物[12]，犬尿氨酸代谢途径的失调可通过破坏抗肿瘤免疫反应来促进肿瘤发展。色氨酸代谢作为限制抗肿瘤免疫的主要代谢途径，具有促进肿瘤细胞生长的特性，因而也成为肿瘤免疫治疗的药物开发靶点[13]。

2 免疫检查点抑制剂抗肿瘤现状

免疫疗法可提高多种肿瘤类型患者的长期生存率，其中免疫检查点抑制剂（immune checkpoint inhibitor，ICI）是肿瘤治疗中最重要的发现。程序性死亡蛋白-1（programmed death-1，PD-1）和细胞毒性T 淋巴细胞抗原-4（cytotoxic T-lymphocyte antigen-4，CTLA-4）是两种重要的免疫检查点蛋白，可启动抑制T 细胞功能的信号通路，触发肿瘤免疫逃逸，使肿瘤细胞逃脱免疫系统的杀伤。ICI 与免疫检查点蛋白受体结合以克服肿瘤介导的T 细胞功能抑制，并恢复免疫系统杀死肿瘤细胞的能力[14]。目前，ICI的临床应用主要集中在抗CTLA-4 抗体（伊匹木单抗、tremelimumab）、PD-1（帕博利珠单抗、纳武利尤单抗、cemiplimab）和程序性死亡蛋白配体-1（programmed death ligand-1，PD-L1）（阿替利珠单抗、avelumab 和度伐利尤单抗），且阻断PD-1 和PD-L1 的单克隆抗体已获美国食品药品监督管理局批准用于黑色素瘤、肾细胞癌、肺癌、尿路上皮癌等不同类型晚期不可切除肿瘤的一线和（或）二线治疗[15]。

然而，ICI 的有效性并不高，临床研究结果表明，只有约20%的患者可从PD-1/PD-L1 药物中获益[16]。在大多数患者中，肿瘤对抗PD-1 或PD-L1 治疗表现出耐药性；虽然在肿瘤免疫治疗中观察到前所未有的持久反应率，但大多数患者并未从治疗中受益，一些应答者在一段应答期后复发[17]。因此，解决ICI耐药问题、扩大免疫治疗受益群体、提高免疫治疗的有效性是下一步探索的重点。

3 肠道菌群影响免疫检查点抑制剂抗肿瘤疗效

2015 年，《科学》杂志首次报道肠道菌群的组成影响ICI 疗效，提出可通过操纵肠道菌群来改善抗肿瘤免疫反应。研究者通过建立小鼠肿瘤模型，揭示了双歧杆菌和拟杆菌属分别在阻断PD-L1 和CTLA-4 的免疫刺激效应中的关键作用[4,5]。Sivan 等[4]使用16S核糖体RNA 测序鉴定出双歧杆菌可增强抗肿瘤免疫反应，且发现在黑色素瘤小鼠中，PD-L1 抑制剂与喂食双歧杆菌联合治疗可显著增强抗肿瘤效果。Vetizou 等[5]发现在无菌或抗生素治疗的小鼠中，肿瘤对CTLA-4 特异性抗体无反应，且相应的效应CD4+T 细胞和肿瘤浸润淋巴细胞（tumor infiltrating lymphocyte，TIL）的激活显著降低，口服多形拟杆菌、脆弱拟杆菌、伯克霍尔德菌或脆弱拟杆菌与伯克霍尔德菌组合喂养的抗生素治疗小鼠恢复了对CTLA-4 抗体的抗肿瘤反应。Vetizou 等随后将含有拟杆菌属的黑色素瘤患者粪便移植到小鼠的肠道中可增强CTLA-4 抗体在小鼠中的疗效。以上研究初次提出肠道菌群组成对ICI 发挥抗肿瘤疗效的重要影响，为将来通过靶向操纵肠道微生物改善免疫治疗疗效奠定了基础。

然而，由于小鼠与人类各方面结构组成的差异，移植瘤小鼠模型作为临床前研究并不能完全模拟人体中肠道菌群影响ICI 抗肿瘤的疗效。Routy 等[6]观察到对PD-1 抑制剂应答者的肠道微生物群组成更加多样化，其中阿克曼菌和阿利斯替普斯菌在应答者中的比例较高。Gopalakrishnan 等[7]调查了接受抗PD-1 治疗的黑色素瘤患者的肠道和口腔微生物群，发现有应答个体的肠道微生物组的多样性较高，其中乳球菌科和屎肠球菌属的细菌丰度较高，而无应答者肠道微生物组的样本内多样性较低。Matson 等[18]观察到在对PD-1 治疗有反应的转移性黑色素瘤患者粪便样本中富集了包括长双歧杆菌、屎肠球菌在内的8 个物种，而无应答者中乳球菌和肠球菌更丰富，其结果与临床前实验中小鼠对肿瘤免疫治疗的反应有相关性。在以上3 项研究中，研究者收集了对抗PD-1 治疗有反应患者和无反应患者的粪便，经过特殊处理后对无菌荷瘤小鼠进行粪便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，FMT），与接受来自无反应供体FMT 的小鼠相比，对抗PD-1 治疗有反应的FMT 小鼠的抗肿瘤免疫显著增强，CD8+T细胞水平增加，而接受非应答者FMT 治疗的小鼠抗肿瘤免疫未有增强且免疫抑制性CD4+T 细胞水平更高。

为证实此研究的全球普适性，2019 年，Jin 等[19]对37 例接受纳武利尤单抗治疗的晚期非小细胞肺癌患者进行肠道菌群分析，发现与对纳武利尤单抗无反应患者相比，有反应患者治疗过程中的肠道菌群多样性更加丰富且成分稳定，患者无进展生存期也显著延长，其中阿利斯替普斯菌、长双歧杆菌和普雷沃菌在有应答患者粪便中富集，而瘤胃球菌属在无应答患者中更丰富。Peng 等[20]为调查肠道菌群与胃肠道肿瘤抗PD-1/PD-L1 疗法的临床反应相关性，分别在免疫治疗前和期间收集接受抗PD-1/PD-L1 治疗的74 例晚期胃肠道肿瘤患者的粪便样本，对粪便样品进行测序显示，对PD-1/PD-L1 治疗反应较好患者中的普雷沃菌/拟杆菌比例升高，同时乳球菌科和拉克菌科的丰度明显更高，产SCFA 的共生细菌（包括真细菌、乳酸杆菌和链球菌）在预后良好患者中较多，进一步暗示微生物组作为ICI 疗效反应标志物的潜力。

4 肠道菌群代谢产物影响免疫检查点抑制剂的疗效

4.1 短链脂肪酸

SCFA 作为肠道微生物群产生的主要代谢产物，具有抗炎、调节糖脂代谢紊乱、提高肿瘤治疗效果的作用[21]。近年来，越来越多的研究将SCFA 与ICI抗肿瘤疗效联系起来。日本的一项前瞻性队列研究评估了接受纳武利尤单抗或帕博利珠单抗的实体瘤患者的粪便和血浆SCFA 水平，结果发现高浓度的粪便SCFA 浓度与患者较长的无进展生存期相关[22]。Botticelli 等[23]通过对接受纳武利尤单抗二线治疗的非小细胞肺癌患者进行肠道菌群代谢组学分析发现，丙酸盐和丁酸盐与更好的ICI 疗效相关。然而，在使用伊匹木单抗治疗黑色素瘤患者的队列研究中得到与之相反的结论，血清丁酸盐和丙酸盐水平较低的患者表现出更长的无进展生存期[24]。这些发现可能是胃肠道中SCFA 的产生与吸收之间复杂相互作用的结果。总之，这些研究结果表明粪便或血清SCFA 浓度与对免疫治疗的反应有关。

4.2 色氨酸代谢物

色氨酸分解代谢物包括吲哚、色胺、吲哚乙醇、吲哚丙酸、吲哚乳酸、吲哚乙酸等，在肿瘤和免疫调节中起重要作用[25]。Li 等[26]通过分析接受纳武利尤单抗治疗的黑色素瘤和肾细胞癌患者血清样本发现，色氨酸向犬尿氨酸（色氨酸分解代谢的产物）转化比率的增加与黑色素瘤和肾细胞癌患者较差的总体存活率有关。同样的研究结论在动物实验中也有报道[27]，吲哚胺 2,3-双加氧酶（Indoleamine 2,3-dioxygenase，IDO）作为犬尿氨酸的前体合成物质，可抑制CTLA-4 抑制剂的抗肿瘤作用，且与肿瘤细胞的IDO 表达无关。Karayama 等[28]检测了19 例接受ICI 治疗的非小细胞肺癌患者的血浆色氨酸代谢物，发现低水平的色氨酸代谢物3-羟基氨基苯甲酸与较长的中位无进展生存期显著相关，并提出色氨酸代谢物可能具有预测ICI 疗效的潜力。

4.3 肌苷

此外，肠道菌群分解产生的嘌呤核苷与ICI 治疗反应也有一定的关系。Tanoue 等[29]证实无菌小鼠接种由11 种细菌菌株组成的联合体后，可在肠道中诱导产生γ 干扰素（interferon-γ，IFN-γ）的CD8+T 细胞，进一步增强抗肿瘤反应。通过代谢分析发现，与未接种该联合体的小鼠相比，接种小鼠的肠道内容物中肌苷、甲羟戊酸、二甲基甘氨酸等分子水平明显增加。Mager 等[30]在动物实验中发现假单胞菌双歧杆菌或阿克曼菌等特定细菌产生的代谢物肌苷可增强ICI 的疗效。如果这些小鼠研究反映了人类肿瘤免疫生物学，则肌苷补充剂可人为地添加到接受免疫检查点阻断疗法的患者饮食中。但Mager 等人的研究集中于CTLA-4 抑制剂，且发现不可能推广至PD-1/PD-L1 抑制剂，因此，肌苷可能无法克服肿瘤固有的、独立于微生物组的某些免疫检查点的抗性模式。

5 通过肠道菌群干预改善免疫检查点抑制剂疗效

研究显示，高纤维饮食的生活方式对ICI 抗肿瘤疗效有改善作用，其机制可能与具有免疫调节特性的SCFA 有关[31]。Spencer 等[32]研究发现，饮食中摄入较高膳食纤维的患者无进展生存期显著延长，此研究结果在临床前小鼠模型中也得到验证。Han 等[33]证实在黑色素瘤小鼠模型中，通过口服菊粉（一种膳食纤维）可调节肠道菌群组成进而增强PD-1 抑制剂的抗肿瘤活性。益生菌是对宿主产生有益作用的活细菌，可通过调节肠道菌群进一步调节机体免疫反应并增强免疫治疗效果[34]。摄入市售益生菌也可影响肠道菌群并改善ICI 抗肿瘤疗效[32]，甚至可消除免疫相关性结肠炎的发生[35]。因此，在免疫治疗时增加每日摄入纤维素的量、合理添加益生菌或许可增加ICI 抗肿瘤疗效。

此外，多项研究显示抗生素的应用可显著降低ICI 疗效及患者预后[36-38]。研究者从病例中筛选足够多的晚期非小细胞肺癌患者，比较从ICI 治疗开始前60d、治疗中及治疗后30d 内使用抗生素对临床疗效的影响，结果表明，抗生素的使用与患者临床获益呈负相关，无进展生存期及总生存期不足未使用抗生素组的50%。Routy 等[6]也证实了这一观点，发现使用抗生素的患者较未使用者无进展生存期和总生存期明显缩短。因此，在肿瘤患者免疫治疗过程中，如何使用抗生素及如何评估抗生素对肠道菌群的影响值得关注和思考。

6 展望

随着人们对肠道菌群认识的深入，发现肠道菌群不仅与多种炎性疾病相关，在肿瘤的发生、治疗、预后方面也发挥重要作用，尤其在宿主免疫调控方面起着不可替代的作用。近年来，肠道菌群代谢产物与肿瘤之间关系的研究逐渐增加，旨在探讨肠道菌群及其代谢产物更多的功能，找出与肿瘤防治有关的措施。虽然确切的机制尚未完全阐明，但如何通过精准调控肠道菌群及其代谢产物增加ICI 的疗效、扩大受益群体是接下来我们面临的一个巨大挑战。因此，面对肠道生态系统庞大的功能体系，在未来的研究中，肠道菌群发挥的更多作用有待我们继续挖掘，利用此功能研发的药品有望成为治疗肿瘤的重要辅助用药甚至主导其用药。