乍一看，腸道微生物群在人體免疫系統(tǒng)反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用，這似乎很奇怪。然而，考慮到絕大多數(shù)的免疫細(xì)胞（高達(dá)70%~80%）定期在腸道中活動(dòng)，這就一點(diǎn)也不奇怪了。在腸道這個(gè)身體巨大的“交通樞紐”中，免疫細(xì)胞直接與外界接觸，接觸到腸道微生物驚人的基因多樣性。腸道微生物組由數(shù)萬億個(gè)主要是細(xì)菌的細(xì)胞組成，在日常生活中幫助消化以及合成維生素和其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)排出代謝產(chǎn)物。流動(dòng)的免疫細(xì)胞確保“好的”微生物和人體細(xì)胞在入侵者被根除的同時(shí)得到耐受。
雖然分子細(xì)節(jié)還遠(yuǎn)未被完全了解，但很明顯，擁有健康的腸道微生物組可以確保T細(xì)胞廣泛地針對(duì)抗原，并被激活成細(xì)胞毒性CD8+ T細(xì)胞，從而浸潤(rùn)并攻擊腫瘤細(xì)胞。免疫檢查點(diǎn)抑制劑（CPI）療法的進(jìn)展表明，有時(shí)，當(dāng)細(xì)胞毒性T細(xì)胞反應(yīng)的檢查點(diǎn)或剎車被移除時(shí)，即使是轉(zhuǎn)移性腫瘤也可以縮小和控制。然而，腫瘤學(xué)家沮喪地發(fā)現(xiàn)，通常只有不到30%~40%的患者對(duì)CPI療法有反應(yīng)。
現(xiàn)在，研究表明，當(dāng)聯(lián)合CPI療法（如抗PD-1、抗PD-L1和抗CTLA-4免疫療法）時(shí)，一個(gè)健康的、多樣化的腸道微生物組會(huì)使患者有更好的反應(yīng)。弄清楚是哪些微生物或是哪些代謝物或產(chǎn)品正在塑造這些免疫反應(yīng)，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究人員之間的一項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)。但這些“微生物管理者”希望能找到推動(dòng)患者腸道微生物群的方法，以激活他們的抗癌T細(xì)胞，將更多的患者轉(zhuǎn)化為CPI應(yīng)答者。
“有大量文獻(xiàn)表明腸道菌群在校準(zhǔn)系統(tǒng)免疫反應(yīng)中發(fā)揮作用。”明尼蘇達(dá)大學(xué)微生物菌群治療項(xiàng)目主任Alexander Khoruts表示。他是最早使用糞便微生物群移植（FMTs）治療復(fù)發(fā)性艱難梭狀芽孢桿菌感染患者的胃腸病學(xué)家之一。
揭示腸道與癌癥之間的聯(lián)系
2013年，位于法國(guó)維勒瑞夫的古斯塔夫•魯西癌癥學(xué)院的Laurence Zitvogel和她的團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，與具有完整腸道微生物群的小鼠相比，腸道微生物群缺失或耗盡的小鼠對(duì)化療的免疫反應(yīng)較弱。
這是一個(gè)如此新穎的想法，但它立即引發(fā)了質(zhì)疑。位于馬薩諸塞州劍橋市的Vedanta 生物科學(xué)公司首席執(zhí)行官Bernat Olle回憶起當(dāng)時(shí)的想法：“我不知道自己是否相信這一點(diǎn)。”癌癥一直被認(rèn)為是一種基因組和累積突變的疾病，“但是，我們現(xiàn)在知道，癌癥也是一種涉及無效免疫反應(yīng)的疾病”。
Zitvogel團(tuán)隊(duì)2015年的工作說服了Olle并開啟了這一領(lǐng)域。當(dāng)他們用伊匹單抗（ipilimumab）治療小鼠肉瘤時(shí)，發(fā)現(xiàn)CPI可以控制具有正常腸道微生物群的無病原體小鼠的腫瘤，但不能控制沒有腸道微生物群的無菌小鼠的腫瘤。關(guān)鍵是，將有益菌種轉(zhuǎn)移回這些小鼠體內(nèi)可以恢復(fù)CPI的抗癌活性。
Vedanta的科學(xué)創(chuàng)始人之一兼日本理化學(xué)研究所綜合醫(yī)學(xué)科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)人Kenya Honda，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞毒性CD8+T細(xì)胞的誘導(dǎo)發(fā)生于腸道中，并且其取決于微生物組的存在。
“顯然，我對(duì)Zitvogel最初的發(fā)現(xiàn)的第一反應(yīng)是那是錯(cuò)誤的。”Olle說。他回憶說，就在10年前，我們?cè)J(rèn)為免疫系統(tǒng)的功能是區(qū)分自身與非自身。但Olle認(rèn)為現(xiàn)在它的作用應(yīng)該更為廣泛——它進(jìn)行分類，快速?zèng)Q定該攻擊誰和耐受誰。“也許免疫系統(tǒng)更像是人體內(nèi)的園丁，決定哪些雜草必須拔除，哪些可以留在草坪上。”
自Zitvogel團(tuán)隊(duì)最初發(fā)現(xiàn)以來，許多研究表明，接受廣泛的且已知會(huì)減少腸道微生物群的抗生素治療的患者，對(duì)CPI的反應(yīng)不佳，對(duì)疫苗的適應(yīng)性免疫反應(yīng)較差。
腸道微生物群影響T細(xì)胞并進(jìn)而影響癌癥免疫治療的潛在機(jī)制之一，是通過大量可充當(dāng)免疫調(diào)節(jié)信號(hào)的腸道代謝物。“T細(xì)胞可以從腸道細(xì)菌中得到培養(yǎng)，然后每天多次循環(huán)到身體的其他部位。”Olle說，“腸道內(nèi)發(fā)生的事情會(huì)影響整個(gè)免疫系統(tǒng)。”
微生物和T細(xì)胞之間的“黑匣子”
微生物及其代謝物、T細(xì)胞和其他免疫細(xì)胞之間的這些相互作用究竟是如何展開的，在很大程度上仍然是一個(gè)謎。
“某些細(xì)菌的存在會(huì)影響活化的細(xì)胞毒性CD8+ T細(xì)胞的平衡。”位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫的轉(zhuǎn)化基因組學(xué)研究所微生物基因組科學(xué)家Sarah Highlander指出。
但研究人員仍然需要確定哪些有益細(xì)菌必須存在，以及它們?nèi)绾卧诜肿訉用骈_啟T細(xì)胞。Highlander和她的合作者、希望之城癌癥中心的腫瘤學(xué)家Sumanta Pal對(duì)接受抗PD-1 CPI治療的患者的腸道微生物群進(jìn)行了縱向跟蹤。
他們發(fā)現(xiàn)，與無反應(yīng)者相比，對(duì)CPI有反應(yīng)的轉(zhuǎn)移性腎細(xì)胞癌患者具有更多樣化的腸道微生物多樣性，尤其是嗜黏蛋白阿克曼菌的豐度增加。
在Pal看來，腸道上皮細(xì)胞通過分泌炎性細(xì)胞因子對(duì)鄰近的某些微生物做出反應(yīng)，進(jìn)而影響T細(xì)胞的活化，這也是Olle對(duì)這個(gè)過程的設(shè)想。Vedanta已經(jīng)證明，它的共生菌群必須是活的，從而產(chǎn)生代謝物和信號(hào)才能有效。
但是在這個(gè)過程中有很多步驟的機(jī)制是未知的：微生物是直接還是間接地向T細(xì)胞發(fā)出信號(hào)？微生物組還會(huì)影響其他類型的T細(xì)胞（輔助T細(xì)胞、調(diào)控T細(xì)胞）嗎？一旦T細(xì)胞在腸道中被完全激活，它們?nèi)绾握业竭M(jìn)入和浸潤(rùn)腫瘤的途徑？
Khoruts解釋稱，在腸道微生物產(chǎn)生的物質(zhì)和被激活的T細(xì)胞數(shù)量之間存在幾個(gè)“黑匣子”的原因之一，是從人類患者身上提取這些T細(xì)胞并對(duì)其進(jìn)行研究是極其困難的。
另一陣營(yíng)的研究人員將這一理論進(jìn)一步推進(jìn)，他們認(rèn)為在腸道中發(fā)現(xiàn)的大量微生物產(chǎn)物中，有些可能會(huì)模擬腫瘤抗原，更直接地產(chǎn)生一種腫瘤定向的T細(xì)胞群。
位于法國(guó)巴黎的Enterome公司首席科學(xué)官Christophe Bonny表示：“我們相信腸道是T細(xì)胞的儲(chǔ)存器，它可以識(shí)別模擬腫瘤抗原的細(xì)菌抗原。”
基于腸道微生物組的藥物
如今，開發(fā)和測(cè)試基于腸道微生物群的方法的競(jìng)賽開始了，這些方法旨在將癌癥患者轉(zhuǎn)變?yōu)镃PI應(yīng)答者。
“這就是‘圣杯’。”Highlander說，“以藥丸形式添加一些細(xì)菌，把患者變成一個(gè)好的CPI應(yīng)答者。”她預(yù)測(cè)，可能會(huì)有許多成功的產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。“我們從人類腸道微生物組項(xiàng)目中了解到，人們可以擁有非常不同的腸道微生物組群落，但它們?cè)诠δ苌鲜窍嗤摹?rdquo;
她參與測(cè)試了CBM588（一種丁酸梭菌的結(jié)晶形式）與CPI治療的聯(lián)合療法。這種細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生丁酸鹽，這是一種短鏈脂肪酸，被認(rèn)為可以促進(jìn)某些雙歧桿菌的生長(zhǎng)，而雙歧桿菌是在應(yīng)答者的腸道微生物群中發(fā)現(xiàn)的一種。
Vedanta生物科學(xué)公司基于Honda的研究成果開發(fā)出了VE800，這是一種純化的、凍干的11種細(xì)菌菌株的混合物，可以激活產(chǎn)生干擾素-γ的細(xì)胞毒性T細(xì)胞。它正在與CPI nivolumab聯(lián)合用于晚期結(jié)直腸癌、胃癌和黑色素瘤患者的試驗(yàn)中。在試驗(yàn)期間，Vedanta公司計(jì)劃對(duì)患者的糞便樣本進(jìn)行測(cè)序，以觀察VE800菌株是否以及在何種程度上在腸道中定殖。
位于馬薩諸塞州劍橋市的Seres Therapeutics公司正在測(cè)試另一種細(xì)菌聯(lián)合候選藥物SER-401，用于與nivolumab聯(lián)合治療轉(zhuǎn)移性黑色素瘤。SER-401含有從健康人類捐贈(zèng)者糞便中分離和純化的菌株，患者將在8周內(nèi)每天服用，從CPI療程之前開始并繼續(xù)服用。Seres公司執(zhí)行副總裁兼首席科學(xué)官M(fèi)atthew Henn表示，該藥物的設(shè)計(jì)基于與位于得克薩斯州休斯敦的MD安德森癌癥中心的Jennifer Wargo的合作，該合作揭示了與CPI反應(yīng)相關(guān)的菌株的關(guān)鍵特征，包括來自瘤胃菌科家族的細(xì)菌。
Khoruts和腸道微生物群治療項(xiàng)目正在測(cè)試一種名為MTP101的“FMT藥丸”配方，與CPI durvalumab相結(jié)合用于治療非小細(xì)胞肺癌。與Vedanta和Seres候選藥物相比，MTP101是從健康供體糞便中純化并冷凍干燥的完整微生物組。
Khoruts承認(rèn)，像他這樣使用類似FMT的全微生物組藥片的試驗(yàn)，應(yīng)該與其他已經(jīng)縮小到少數(shù)幾種菌株的方法同時(shí)進(jìn)行。“我們可以從彼此的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)。”Khoruts說。
位于奧羅拉的科羅拉多大學(xué)安舒茨醫(yī)學(xué)院的醫(yī)學(xué)腫瘤學(xué)家Ryan Weight指出，膠囊化的細(xì)菌混合物是否真的會(huì)在癌癥患者的腸道中定殖是一個(gè)懸而未決的問題。這對(duì)其他類型的患者來說也是如此——尚未證明“FMT藥丸”產(chǎn)品能定殖在人類腸道中，而且艱難梭菌感染患者的FMT究竟隨著時(shí)間的推移如何改變其腸道菌群仍然是有爭(zhēng)議的。
“所有這些都屬于醫(yī)生尚未使用的治療方法。”Khoruts表示，評(píng)估這些藥物的配方、劑量、在體內(nèi)的命運(yùn)和藥效學(xué)，是藥理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。
Khoruts指出，這些方法與使用FMTs治療艱難梭菌患者非常不同，因?yàn)檫@些患者的原生微生物幾乎被強(qiáng)力抗生素消滅了，這就好比期待一塊被除草劑和化肥破壞的土地能長(zhǎng)出健康的莊稼一樣。癌癥患者通常仍然擁有自己原生的、完整的腸道微生物群，這更像是一個(gè)成熟的大草原，腫瘤學(xué)家正試圖在那里播種一些有益物種。
挖掘腸道微生物群中的抗原
Enterome正在基于腫瘤抗原模擬的想法采取一種完全不同的方法。最近，該公司及其合作者公布了對(duì)8000多人腸道微生物群進(jìn)行測(cè)序的2000萬個(gè)基因，代表了4600多種微生物。
為了從2000萬種細(xì)菌產(chǎn)品中篩選出可能喚醒患者CPI免疫應(yīng)答的產(chǎn)品，Enterome在數(shù)據(jù)集上運(yùn)行了幾個(gè)生物信息學(xué)過濾器，以獲得一個(gè)包含2萬種蛋白質(zhì)的“短名單”。這些小的分泌分子類似于細(xì)胞因子、趨化因子或激素，可能與人類細(xì)胞受體相互作用。
接下來，Enterome在這些細(xì)菌多肽中尋找類似于特定腫瘤抗原的分子，如在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤中特異表達(dá)的IL-13Rα2。Enterome把三種細(xì)菌抗原放入其疫苗產(chǎn)品EO2401中，希望喚醒識(shí)別這些抗原的T細(xì)胞。
在測(cè)試中，膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者在CPI療程的前幾個(gè)月每3周接種一次疫苗。“如果我們是正確的，我們的目標(biāo)是看到這些微生物抗原的記憶T細(xì)胞群。”Bonny表示，“所以我們預(yù)計(jì)很快會(huì)有結(jié)果。”
潛在陷阱中的希望
過去五年這一領(lǐng)域的工作表明，腫瘤學(xué)家“需要關(guān)注這種復(fù)雜的相互作用是如何在治療患者中發(fā)揮作用的”，Weight指出。在他的實(shí)踐中，這意味著建議患者在開始CPI治療前的6~8周內(nèi)不要服用抗生素。而且令人驚訝的是，他還建議患者在這個(gè)階段不要服用非處方益生菌。根據(jù)Weight的說法，沒有證據(jù)表明益生菌能提高CPI療法的療效。事實(shí)上，這些經(jīng)過高度選擇的菌株可能會(huì)破壞患者腸道的天然微生物群，而這種微生物群可以起到保護(hù)作用。
Pal還提醒道，研究人員需要更好地了解腸道微生物群是如何影響免疫治療的。“在我們?yōu)榛颊咛峁⿵?qiáng)化阿克曼菌的產(chǎn)品之前，需要知道阿克曼菌確實(shí)是一個(gè)關(guān)鍵因素。”
在這個(gè)極其復(fù)雜的領(lǐng)域里，研究人員還有很多問題需要回答。
“免疫腫瘤學(xué)是癌癥研究的一個(gè)巨大突破。”Khoruts指出美國(guó)前總統(tǒng)吉米•卡特因?yàn)镃PI療法而活了下來。他表示，微生物群—腫瘤學(xué)領(lǐng)域還處于非常早期的階段，有許多不同的想法需要探討，有許多備選方案需要進(jìn)行測(cè)試。“即使在最好的情況下，也只有40%的患者對(duì)CPI有反應(yīng)，我們還有很大的發(fā)展空間來提高這一比例。”■
參考文獻(xiàn)
1.S. Viaud et al., Science 342, 971-976. (2013), doi: 10.1126/science.1240537.
2.M. Vétizou et al., Science 350, 1079-1084, (2015), doi: 10.1126/science.aad1329.
3.T. Tanoue et al., Nature 565, 600-605, https://doi.org/10.1038/s41586-019-0878-z.
4.L. Derosa et al., J. Clin. Oncol. 35, 3015 (2017).
5.B. E. Wilson, B. Routy, A. Nagrial, V. T .Chin, Cancer Immunol. Immunother. 69, 343-354 (2020), https://doi.org/10.1007/s00262-019-02453-2.
6.T. Hagan et al., Cell 178, 1313-1328 (2019), https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.08.010.
7.N. J. Salgia et al., Eur. Urol. 78, 498-502 (2020), https://doi.org/10.1016/j.eururo.2020.07.011.
8.V. Gopalakrishnan et al., Science 359, 97-103 (2018), doi: 10.1126/science.aan4236.
9.A. Almeida et al., Nat. Biotechnol. (2020), https://doi.org/10.1038/s41587-020-0603-3.
Kendall Powell 是科羅拉多州拉斐特市的一名自由科學(xué)作家。
鳴謝：“原文由美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（www.aaas.org）發(fā)布在2020年11月20日《科學(xué)》雜志”。官方英文版請(qǐng)見https://www.science.org/content/article/can-patients-gut-microbes-help-fight-cancer。