Science特刊:一文讀懂微生物組如何影響癌癥免疫療法

▎藥明康德/編譯(來源:Science)

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編者按:微生物組對于人體的健康可謂至關重要。在癌癥方面,它們能夠影響癌癥的發生、進展、乃至療法的效果。一方面,這是因為微生物能夠影響到藥物的藥代動力學;另一方面,這是因為與細胞共生的微生物能對局部、乃至遠方的免疫系統造成影響。可以說,想要開發未來的精準藥物,離不開對微生物組的診斷與理解。最近,《科學》雜志推出癌癥免疫療法特刊,總結了人們在這一領域的不同方向上所取得的進展與成就。在今天的這篇文章里,我們也將一道了解微生物組能對癌癥免疫療法帶來怎樣的影響。

癌細胞往往會表達一系列腫瘤相關的抗原,從而成為T細胞攻擊腫瘤的突破口。然而,癌細胞同時也會釋放出一些免疫抑制分子,壓制免疫細胞的功能。近年來取得突破的免疫檢查點抑制劑,正是通過阻止PD-1與PD-L1的結合,使T細胞得到激活,用以攻擊癌細胞。但從臨床數據上看,諸多腫瘤依舊缺乏T細胞浸潤。研究人員相信,除了腫瘤內在的原因外,其所處的環境對T細胞的浸潤也有主要影響。而在腫瘤微環境中,微生物扮演了一個極其重要的角色。

早期探索:微生物組與癌癥的關系

人類的腸道微生物組里有著大約3 x 10^13個細菌,其中絕大多數是共生菌。自人類出生后,這些腸道細菌就在先天性與適應性免疫應答中起到了關鍵作用,精妙地調整著免疫系統的平衡,讓我們既能對感染和炎癥做出反應,也能夠對常見的抗原產生耐受。

小鼠實驗的結果證實了腸道菌群的重要性。相比野外“散養”的小鼠,在無病原體環境下成長的實驗室小鼠就缺乏一些增強體質的特征。而當研究人員們把前者的腸道菌群移植到后者體內,就能帶來長達數代的免疫調節效果,改善病毒感染以及癌癥發生后的疾病預后。

▲微生物組是近年來的一大熱點(圖片來源:123RF)

如果將注意力集中在癌癥上,我們發現,微生物組參與了多種癌癥的發生和進展:微生物能通過產生有毒的代謝產物或是致癌化合物直接參與癌癥發生,也能通過炎癥或免疫抑制間接參與癌癥發生。此外,通過移植特定的腸道菌群,小鼠也會出現易生腫瘤的體質。

但從有益的一方面來看,腸道菌群也能協助人體積極地抵抗癌癥。流行病學數據表明,抗生素的使用與癌癥風險之間存在著劑量相關性,這一點也通過嚙齒類動物的實驗得到了證實。這表明微生物或許能為宿主帶來抗腫瘤的免疫應答。綜上所述,微生物組與癌癥有著千絲萬縷的關系,也奠定了隨后的研究框架。

腸道微生物與腫瘤免疫療法

在一些早期的實驗中,研究人員們發現在無菌小鼠、使用廣譜抗生素的小鼠、或是缺乏某些特定菌株的小鼠體內,大量抗癌療法的效果都不如人意。這些療法包括化療、TLR9拮抗劑/抗IL-10R單抗組合、抗CTLA-4單抗、以及抗PD-1/PD-L1單抗,涵蓋了很多種不同的類型。

有趣的是,不同的療法背后,腸道菌群參與其中的機制還不一樣。譬如環磷酰胺能增加上消化道的通透性,使常居小腸的Enterococcus hirae進入脾臟,也讓Barnesiella intestinihominis在結腸積聚,對抗腫瘤免疫應答產生協同刺激;CTLA-4抑制劑的使用會促進Bacteroides fragilis和Burkholderiales spp.的積聚,激活產生IL-12的樹突狀細胞和輔助性T細胞免疫應答;PD-1/PD-L1抑制劑則與Bifidobacterium spp.有關,這種細菌能激活抗原呈遞細胞。這些共生菌與抗癌療法之間的因果關系已經在小鼠實驗中得到了證實。

在這些認知的基礎上,人們又做了一些獨立的回溯性分析。分析表明,在人類的轉移性肺癌、腎癌、以及膀胱癌患者中,在應用PD-1/PD-L1抑制劑的之初再使用多種抗生素,會對治療產生不利的效果。為了確認這些發現,未來我們還需要做前瞻性的臨床試驗。

目前在人類中,我們所獲得的最有力證據之一,來自對于患者糞便樣本的分析。隨著測序技術的發展,我們能更精準地區分糞便中的細菌種類。研究表明,接受抗PD-1療法后,那些病情得到緩解的患者,以及那些病情沒有得到緩解的患者,糞便中的細菌類型有顯著區別。某些特定類型細菌的增加或減少,與患者的生存期相關。

可喜的是,那些來自病情得到緩解的患者的細菌在移植入無菌小鼠后,也能幫助后者從免疫療法中受益。相反,倘若一名患者自身無法從免疫療法中得到幫助,他的菌群也無法給無菌小鼠帶來積極的變化。這些結果有助于我們更好地駕馭免疫療法。

微生物組的作用機制

對于任何一個想將微生物組應用于癌癥治療的人來說,搞清楚它們的作用機制是重中之重。而在當下,也的確有多個主流假說被提了出來——目前一個假說認為微生物組能通過其抗原激活T細胞的應答,或是直接作用于腫瘤特異的免疫應答,或是交叉影響到腫瘤特異的抗原。我們知道在細菌表面有多肽和脂類結構,它們也是T細胞的識別對象。已經有研究表明,在小鼠模型內,腫瘤微環境中發現了特異針對細菌表位的T細胞。它們可能受腫瘤分泌的趨化因子吸引而來,也有望協助CD8+的T細胞。

▲微生物組參與了癌癥的方方面面(圖片來源:《科學》)

第二個假說認為模式識別受體的參與能介導親免疫、或是抗炎癥的反應。一些研究表明,當樹突狀細胞與“抗癌”相關的微生物共處在一個環境下,會誘導系統性的IL-12依賴型TH1/Tc1免疫應答,協助抗CTLA-4療法或抗PD-1/PD-L1療法。另一些研究則表明,在Bifidobacteria的存在下,1類干擾素相關的免疫基因在抗原呈遞細胞內會有所上調。

第三個假說則認為微生物組的代謝產物會對宿主產生系統性的影響。毫無疑問,每時每刻微生物組都在產生大量代謝產物,而腸道菌群產生的多胺及維生素B6會促進體內的自噬反應,在化療的協助下引起抗癌的免疫應答。另外也有研究發現,微生物產生的多胺能在黑色素瘤患者中,降低抗CTLA-4抗體的毒性。此外,短鏈脂肪酸、desaminotyrosine、二肽醛等代謝產物,也都和免疫系統的諸多環節有關。

微生物組的未來

如果一名患者缺乏關鍵的共生菌群,一個顯而易見的方法就是進行糞便微生物移植。在復發性艱難梭菌(Clostridium difficile)腹瀉的治療上,糞便微生物移植取得了非常出色的成績,緩解率可高達81%。

在癌癥的治療上,我們還需要考慮不少關鍵因素。其中最重要的,就是如何選擇供體。理論上說,這名供體會有非常多樣化的菌群,其中就包含了那些臨床上會帶來益處的菌群。一個潛在可行的想法,是尋找那些能從抗PD-1抗體治療中取得臨床效果的患者,從他們身上獲取微生物組。

▲理解微生物組能帶來諸多好處(圖片來源:《科學》)

但這樣做并不是沒有風險。除了調控免疫應答外,我們也知道,腸道菌群和慢性疾病息息相關,甚至可能將供體的肥胖癥帶給接受菌群的人。此外,糞便移植也容易傳播病原體。最后,一些細菌甚至可能會分泌致癌的化學物質。因此,在做移植前,我們需要對其中的細菌、病毒、寄生蟲等進行嚴格的篩查。

另一種替代方法選擇特定的細菌,而非諸多共生菌的混合。這一策略仰賴于精準地挑出那些有抗癌益處的細菌,開發出在體外讓這些細菌增殖的方法,并設計一種能將微生物裝入膠囊內,經口服給藥還能保持活性的技術。目前來看,我們擁有的16S rRNA測序技術,以及鳥槍法測序技術,能檢測出菌群里豐度較高的細菌。對于那些豐度較低,但同樣重要的細菌,我們還需要進行特別關注。

我們還需要考慮這樣一種可能——在某些情況下,腸道菌群的益處,需要數種細菌共同參與。比如說,對于萬古霉素產生耐受的Enterococci feacium,5種細菌組成的小分隊在體內共同生效,產生積極的臨床結果。如果找到這些細菌聯盟,并在體外培養它們,會是未來的一個挑戰。

毫無疑問,微生物組對于腫瘤免疫療法的影響,代表了我們對于免疫療法認知的持續更新。在解決了科學、技術、以及監管帶來的挑戰之后,我們期待微生物組能為未來的免疫療法插上騰飛的翅膀,讓更多患者從中受益。

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參考資料:

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

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責任編輯:馬嘉悅
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