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，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。”■
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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。