Science特刊:一文读懂微生物组如何影响癌症免疫疗法

▎药明康德/编译(来源:Science)

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编者按:微生物组对于人体的健康可谓至关重要。在癌症方面,它们能够影响癌症的发生、进展、乃至疗法的效果。一方面,这是因为微生物能够影响到药物的药代动力学;另一方面,这是因为与细胞共生的微生物能对局部、乃至远方的免疫系统造成影响。可以说,想要开发未来的精准药物,离不开对微生物组的诊断与理解。最近,《科学》杂志推出癌症免疫疗法特刊,总结了人们在这一领域的不同方向上所取得的进展与成就。在今天的这篇文章里,我们也将一道了解微生物组能对癌症免疫疗法带来怎样的影响。

癌细胞往往会表达一系列肿瘤相关的抗原,从而成为T细胞攻击肿瘤的突破口。然而,癌细胞同时也会释放出一些免疫抑制分子,压制免疫细胞的功能。近年来取得突破的免疫检查点抑制剂,正是通过阻止PD-1与PD-L1的结合,使T细胞得到激活,用以攻击癌细胞。但从临床数据上看,诸多肿瘤依旧缺乏T细胞浸润。研究人员相信,除了肿瘤内在的原因外,其所处的环境对T细胞的浸润也有主要影响。而在肿瘤微环境中,微生物扮演了一个极其重要的角色。

早期探索:微生物组与癌症的关系

人类的肠道微生物组里有着大约3 x 10^13个细菌,其中绝大多数是共生菌。自人类出生后,这些肠道细菌就在先天性与适应性免疫应答中起到了关键作用,精妙地调整着免疫系统的平衡,让我们既能对感染和炎症做出反应,也能够对常见的抗原产生耐受。

小鼠实验的结果证实了肠道菌群的重要性。相比野外“散养”的小鼠,在无病原体环境下成长的实验室小鼠就缺乏一些增强体质的特征。而当研究人员们把前者的肠道菌群移植到后者体内,就能带来长达数代的免疫调节效果,改善病毒感染以及癌症发生后的疾病预后。

▲微生物组是近年来的一大热点(图片来源:123RF)

如果将注意力集中在癌症上,我们发现,微生物组参与了多种癌症的发生和进展:微生物能通过产生有毒的代谢产物或是致癌化合物直接参与癌症发生,也能通过炎症或免疫抑制间接参与癌症发生。此外,通过移植特定的肠道菌群,小鼠也会出现易生肿瘤的体质。

但从有益的一方面来看,肠道菌群也能协助人体积极地抵抗癌症。流行病学数据表明,抗生素的使用与癌症风险之间存在着剂量相关性,这一点也通过啮齿类动物的实验得到了证实。这表明微生物或许能为宿主带来抗肿瘤的免疫应答。综上所述,微生物组与癌症有着千丝万缕的关系,也奠定了随后的研究框架。

肠道微生物与肿瘤免疫疗法

在一些早期的实验中,研究人员们发现在无菌小鼠、使用广谱抗生素的小鼠、或是缺乏某些特定菌株的小鼠体内,大量抗癌疗法的效果都不如人意。这些疗法包括化疗、TLR9拮抗剂/抗IL-10R单抗组合、抗CTLA-4单抗、以及抗PD-1/PD-L1单抗,涵盖了很多种不同的类型。

有趣的是,不同的疗法背后,肠道菌群参与其中的机制还不一样。譬如环磷酰胺能增加上消化道的通透性,使常居小肠的Enterococcus hirae进入脾脏,也让Barnesiella intestinihominis在结肠积聚,对抗肿瘤免疫应答产生协同刺激;CTLA-4抑制剂的使用会促进Bacteroides fragilis和Burkholderiales spp.的积聚,激活产生IL-12的树突状细胞和辅助性T细胞免疫应答;PD-1/PD-L1抑制剂则与Bifidobacterium spp.有关,这种细菌能激活抗原呈递细胞。这些共生菌与抗癌疗法之间的因果关系已经在小鼠实验中得到了证实。

在这些认知的基础上,人们又做了一些独立的回溯性分析。分析表明,在人类的转移性肺癌、肾癌、以及膀胱癌患者中,在应用PD-1/PD-L1抑制剂的之初再使用多种抗生素,会对治疗产生不利的效果。为了确认这些发现,未来我们还需要做前瞻性的临床试验。

目前在人类中,我们所获得的最有力证据之一,来自对于患者粪便样本的分析。随着测序技术的发展,我们能更精准地区分粪便中的细菌种类。研究表明,接受抗PD-1疗法后,那些病情得到缓解的患者,以及那些病情没有得到缓解的患者,粪便中的细菌类型有显著区别。某些特定类型细菌的增加或减少,与患者的生存期相关。

可喜的是,那些来自病情得到缓解的患者的细菌在移植入无菌小鼠后,也能帮助后者从免疫疗法中受益。相反,倘若一名患者自身无法从免疫疗法中得到帮助,他的菌群也无法给无菌小鼠带来积极的变化。这些结果有助于我们更好地驾驭免疫疗法。

微生物组的作用机制

对于任何一个想将微生物组应用于癌症治疗的人来说,搞清楚它们的作用机制是重中之重。而在当下,也的确有多个主流假说被提了出来——目前一个假说认为微生物组能通过其抗原激活T细胞的应答,或是直接作用于肿瘤特异的免疫应答,或是交叉影响到肿瘤特异的抗原。我们知道在细菌表面有多肽和脂类结构,它们也是T细胞的识别对象。已经有研究表明,在小鼠模型内,肿瘤微环境中发现了特异针对细菌表位的T细胞。它们可能受肿瘤分泌的趋化因子吸引而来,也有望协助CD8+的T细胞。

▲微生物组参与了癌症的方方面面(图片来源:《科学》)

第二个假说认为模式识别受体的参与能介导亲免疫、或是抗炎症的反应。一些研究表明,当树突状细胞与“抗癌”相关的微生物共处在一个环境下,会诱导系统性的IL-12依赖型TH1/Tc1免疫应答,协助抗CTLA-4疗法或抗PD-1/PD-L1疗法。另一些研究则表明,在Bifidobacteria的存在下,1类干扰素相关的免疫基因在抗原呈递细胞内会有所上调。

第三个假说则认为微生物组的代谢产物会对宿主产生系统性的影响。毫无疑问,每时每刻微生物组都在产生大量代谢产物,而肠道菌群产生的多胺及维生素B6会促进体内的自噬反应,在化疗的协助下引起抗癌的免疫应答。另外也有研究发现,微生物产生的多胺能在黑色素瘤患者中,降低抗CTLA-4抗体的毒性。此外,短链脂肪酸、desaminotyrosine、二肽醛等代谢产物,也都和免疫系统的诸多环节有关。

微生物组的未来

如果一名患者缺乏关键的共生菌群,一个显而易见的方法就是进行粪便微生物移植。在复发性艰难梭菌(Clostridium difficile)腹泻的治疗上,粪便微生物移植取得了非常出色的成绩,缓解率可高达81%。

在癌症的治疗上,我们还需要考虑不少关键因素。其中最重要的,就是如何选择供体。理论上说,这名供体会有非常多样化的菌群,其中就包含了那些临床上会带来益处的菌群。一个潜在可行的想法,是寻找那些能从抗PD-1抗体治疗中取得临床效果的患者,从他们身上获取微生物组。

▲理解微生物组能带来诸多好处(图片来源:《科学》)

但这样做并不是没有风险。除了调控免疫应答外,我们也知道,肠道菌群和慢性疾病息息相关,甚至可能将供体的肥胖症带给接受菌群的人。此外,粪便移植也容易传播病原体。最后,一些细菌甚至可能会分泌致癌的化学物质。因此,在做移植前,我们需要对其中的细菌、病毒、寄生虫等进行严格的筛查。

另一种替代方法选择特定的细菌,而非诸多共生菌的混合。这一策略仰赖于精准地挑出那些有抗癌益处的细菌,开发出在体外让这些细菌增殖的方法,并设计一种能将微生物装入胶囊内,经口服给药还能保持活性的技术。目前来看,我们拥有的16S rRNA测序技术,以及鸟枪法测序技术,能检测出菌群里丰度较高的细菌。对于那些丰度较低,但同样重要的细菌,我们还需要进行特别关注。

我们还需要考虑这样一种可能——在某些情况下,肠道菌群的益处,需要数种细菌共同参与。比如说,对于万古霉素产生耐受的Enterococci feacium,5种细菌组成的小分队在体内共同生效,产生积极的临床结果。如果找到这些细菌联盟,并在体外培养它们,会是未来的一个挑战。

毫无疑问,微生物组对于肿瘤免疫疗法的影响,代表了我们对于免疫疗法认知的持续更新。在解决了科学、技术、以及监管带来的挑战之后,我们期待微生物组能为未来的免疫疗法插上腾飞的翅膀,让更多患者从中受益。

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参考资料:

[1] The microbiome in cancer immunotherapy: Diagnostic tools and therapeutic strategies

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责任编辑:马嘉悦
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