编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

尽管免疫检查点抑制剂(ICIs)等新的癌症疗法取得了可喜的进展，但治疗耐药性和毒性等局限性仍然存在。近年来，人们对肠道微生物群与癌症的关系进行了广泛的研究。越来越多的证据表明微生物群在决定癌症治疗疗效和毒性方面的作用。与宿主遗传不同，微生物群可以通过多种策略很容易地改变，如粪便微生物群移植(FMT)、益生菌和抗生素。临床前研究已经确定了微生物影响癌症治疗结果的机制；临床试验也证明了微生物群调节在癌症治疗中的潜力。本文综述了肠道微生物与化疗和ICIs相互作用的机制，尤其是肠道细菌与癌症治疗的药代动力学(如代谢、酶降解)或药效学(如免疫调节)之间的相互作用。然后探讨了这些基本发现在临床环境中的转化潜力，包括使用微生物作为预测性生物标志物，以及抗生素、益生菌、益生元、饮食调节和FMT对微生物群的调节。我们进一步讨论了当前癌症患者肠道微生物群调节的局限性，并提出了未来研究的基本方向。在个性化医疗时代，了解微生物群及其与癌症的相互作用至关重要。调控肠道微生物群来增强癌症治疗反应可以为癌症治疗提供新的见解。

关键信息：

•新出现的证据表明，肠道微生物群在调节癌症治疗结果(特别是化疗和免疫治疗)中的关键作用。   •肠道微生物群通过药代动力学(如代谢、酶降解)和药效学(如免疫调节)与抗癌药物有极其复杂的相互作用。   •同时，癌症治疗可以改变微生物群组成，创造双向相互作用。   •肠道微生物群有潜力成为癌症治疗反应的预测性生物标志物，这在指导选择合适的癌症疗法方面有用。   •微生物群调节，包括抗生素、益生菌、益生元、饮食调节和粪便微生物群移植，已显示出优化癌症治疗结果的潜力。   •与宿主遗传相比，肠道微生物群更容易改变，有望在下一代个性化医疗中发挥重要作用。   •未来研究应该确定对癌症治疗有显著影响的微生物群，以及微生物群调节的优化方法。    

论文ID

原名：Cancer pharmacomicrobiomics: targeting microbiota to optimise cancer therapy outcomes 

译名：癌症药物微生物组学：靶向微生物群以优化癌症治疗结果

期刊：Gut 

IF：23.059

发表时间：2022.3.11

通讯作者：于君

通讯作者单位：香港中文大学

DOI号：10.1136/gutjnl-2021-326264

综述目录

1 前言

2 微生物群和化疗

    2.1 机制概述

2.1.1 肠道细菌与化疗药代动力学   2.1.2 肠道细菌与化疗药效学  

    2.2 基础研究到临床应用

2.2.1 预测性生物标志物   2.2.2 肠道微生物群调节  

3 微生物群和ICIs

    3.1 机制概述

3.1.1 肠道细菌和抗CTLA-4单克隆抗体   3.1.2 肠道细菌和抗PD-1/PD-L1单克隆抗体  

    3.2 基础研究到临床应用

3.2.1 预测性生物标志物   3.2.2 肠道微生物群调节  

4 未来展望与结论

主要内容

1 前言

人类微生物群是40万亿种微生物的动态集合，其中包括3000种细菌、真菌和病毒。它们主要定殖在上皮表面，尤其是胃肠道。肠道微生物群协调广泛的生理功能，如营养反应以及肠道和免疫系统稳态。生态失调，即微生物群组成发生变化，体内稳态被破坏，与包括胃肠道、神经和代谢紊乱在内的疾病有关。特定的肠道微生物也与癌症的发病机制有关，特别是胃肠道恶性肿瘤。例如，具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)抗原黏附素A(FadA)通过E-钙粘蛋白-Wnt-β-连环蛋白信号通路促进结直肠癌(CRC)发生；聚酮合酶(PKS)阳性大肠杆菌基因毒素可促进结直肠肿瘤发生；脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)毒素产生活性氧(ROS)，导致DNA损伤。虽然这些细菌对肿瘤的发生有直接影响，但一些微生物会促进炎症或削弱免疫监视，从而间接促进癌症的发展。这些微生物免疫调节活动被称为免疫-肿瘤-微生物轴。

除了发病机制，微生物群也调节癌症治疗反应。虽然癌症治疗发展迅速，但挑战仍然是获得性耐药，不良反应和异质性治疗结果。药物基因组学是研究遗传变异对个体药理学反应影响的前沿科学研究。然而，药物基因组学不能完全阐明药物反应的个体间差异，这意味着存在其他贡献者。由于肠道微生物群被认为是人类的第二基因组，因此提出了药物微生物学的概念来解释药物基因组学尚未解决的问题。药物微生物组学侧重于通过改变药代动力学(即改变药物吸收、分布、代谢或消除)或药效学(即改变药物靶点或生物通路，导致对药理作用的敏感性不同)来改变肠道微生物群与药物反应之间的相互作用。越来越多的证据表明，肠道微生物群与抗癌治疗(如化疗、放疗、靶向治疗和免疫治疗)之间存在密切关系。利用微生物群优化癌症治疗已经成为个性化医疗的另一种途径。

本文综述了微生物群的细菌和化疗或免疫检查点抑制剂(ICIs)之间的药物微生物学相互作用，强调了微生物在药代动力学和药效学方面对抗癌药物影响的机制见解。本文还探讨了这些基本发现的转化潜力，进一步讨论了当前癌症药物微生物组学的局限性，并提出了可行的未来方向。

2 微生物群和化疗

烷化剂、抗代谢物、拓扑异构酶抑制剂、有丝分裂抑制剂和细胞毒性抗生素是具有不同作用机制的化疗药物，其抗癌活性依赖于破坏DNA完整性、DNA修复和合成的酶。但由于其非特异性，化疗也会损害正常细胞。最近的研究结果表明，靶向微生物群可能有希望提高化疗疗效并降低毒性(表1)。一般来说，共生微生物主要通过调节药物代谢(即药代动力学)和宿主免疫(即药效学)与化疗药物相互作用。

表1 微生物群对化疗疗效和毒性的调控研究。

AJCC，美国癌症联合委员会；CPT-11，伊立替康；CPT，喜树碱；CRC，结直肠癌；CTX，环磷酰胺；5-FU，5-氟尿嘧啶；FUDR，氟尿苷；ID2，DNA结合抑制剂2；IFN-γ，干扰素-γ；IL，白介素；LPS，脂多糖；MYD88，髓样分化因子88；N/A，不适用；OS，总生存期；PDAC，胰腺导管腺癌；PFS，无进展生存期；ROS，活性氧；SN-38，7-乙基-10-羟基喜树碱；TFH，滤泡辅助性T细胞；Th，辅助性T细胞；TLR4，toll样受体4；Treg，调节性T细胞。

2.1 机制概述 2.1.1 肠道细菌与化疗药代动力学

肠道细菌拥有数以百万计的蛋白质编码基因，不仅能处理摄入的营养物质，还能改变药物的药代动力学。微生物介导的药物代谢可分为直接作用和间接作用。微生物可以直接将药物转化为活性、非活性甚至有毒的代谢物。另外，这一过程可以间接介导微生物衍生的代谢物。本文讨论了细菌代谢如何影响化疗结果。

伊立替康(CPT-11)是一种拓扑异构酶I抑制剂，对各种癌症有效，并已成为转移性CRC的一线治疗方法。从机制上讲，组织和血清羧酸酯酶激活静脉CPT-11代谢物7-乙基-10-羟基喜树碱(SN-38)，然后抑制拓扑异构酶I以阻止肿瘤细胞的DNA复制和转录。CPT-11的主要缺点是其剂量限制性副作用，即多达40%的患者发生严重腹泻。SN-38在被肝脏尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶解毒为SN-38G后排泄到肠道，细菌β-葡萄糖醛酸酶可将SN-38G转化为细胞毒性SN-38，引起严重腹泻(图1A)。虽然梭菌属XIVa和IV簇菌群(包括梭菌Clostridium、真杆菌Eubacterium和瘤胃球菌Ruminococcus)是β-葡萄糖苷酶的主要生产者，但CPT-11可以增加大鼠体内梭菌和肠杆菌科(Enterobacteriaceae)的丰度，说明CPT-11本身可以提高细菌β-葡萄糖苷酶的活性。一个合乎逻辑的问题是，β-葡萄糖苷酶是否可以被抑制以降低CPT-11的毒性。现已开发出选择性β-葡萄糖苷酶抑制剂来预防CPT-11诱导的微生物改变和上皮损伤。例如，吡唑并[4,3-c]喹啉衍生物(TCH-3562)和糖醛异法戈明衍生物可以减少CPT-11引起的并发症而不影响其疗效。降低CPT-11的毒性反过来可以增加患者对更高剂量的耐受性，从而导致更好的治疗结果。这个例子说明了共生菌和化疗之间的相互作用，展示了微生物群调节在降低治疗毒性和提高疗效方面的潜力。

除了药物毒性外，细菌代谢对药物作用也至关重要。最近的研究使用秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)模型确定了介导化疗疗效的细菌基因，特别是那些涉及核糖核苷酸和维生素B6和B9代谢的基因。从机制上讲，细菌核糖核酸代谢需要将5-氟尿嘧啶(5-FU)激活为具有细胞毒性的5-氟尿苷三磷酸，从而在秀丽隐杆线虫中表现出其对RNA的破坏作用(图1B)。破坏与核糖核苷酸代谢有关的细菌维生素B6和B9的产生会降低5-FU的功效，从而表明细菌代谢物对化疗药物的影响。值得注意的是，抗糖尿病药物二甲双胍可以抑制5-FU发挥抗癌作用所需的细菌单碳代谢，导致5-FU疗效降低。因此，对于有合并症的癌症患者，在化疗时应特别谨慎。

肿瘤内的微生物可以通过酶促反应调节化疗疗效(图1C)。吉西他滨是一种核苷类似物，用于治疗胰腺导管腺癌(PDAC)。然而，吉西他滨化疗耐药在PDAC中很常见，最初怀疑是由肿瘤感染的猪鼻支原体(Mycoplasma hyorhinis)的胞苷脱氨酶(CDD)引起的。后来，科学家发现只有细菌CDD的长亚型(CDD-L)而非短亚型(CDD-S)可以将吉西他滨代谢成无活性代谢产物2’,2’-二氟脱氧尿苷。超过98%的CDD-L细菌是γ-变形菌(Gammaproteobacteria)，通常富集在PDAC肿瘤组织中。然而，猪鼻支原体携带CDD-S，但仍具有吉西他滨耐药性，这表明除了CDD亚型外，其他因素也会导致化疗耐药。值得注意的是，一项转化研究发现，联合使用抗生素环丙沙星可以逆转小鼠对吉西他滨的化疗耐药。但目前的研究主要集中在肿瘤内微生物群与化疗耐药性之间的相互作用，而肠道微生物对肿瘤内微生物群组成的影响尚不明确。目前尚不清楚这些微生物如何进入肿瘤以及使吉西他滨失活所需的微生物数量。在将机制发现转化为临床应用之前，需要更多的临床前研究。

图1 微生物对化疗反应的调节机制。(A)注射入体内后，伊立替康(CPT-11)转化为SN-38产生细胞毒性作用。然后，SN-38在肝脏中被UGT解毒，变成SN-38G，并排泄到胃肠道。肠道细菌可以重新激活并将SN-38G转化回SN-38，进而对肠道细胞造成毒性。(B)细菌核糖核苷酸代谢将氟嘧啶前药激活为活化形式以产生细胞毒性作用。新陈代谢需要产生维生素B6和B9。(C)肿瘤内带有CDD长亚型的γ-变形菌可以灭活吉西他滨，导致化疗耐药性。(D) CTX可增加肠道通透性，促进Enterococcus hirae易位进入脾脏，增加致病性Th17细胞和肿瘤内CD8+/CD4+ T细胞比例。(E)肠道微生物可以通过MYD88依赖性途径激活肿瘤浸润性髓样细胞，在化疗药物的作用下产生ROS。(F)奥沙利铂诱导的上皮细胞凋亡以及免疫原性细菌(包括非产肠毒素型脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和丹毒丝菌科(Erysipelotrichaceae))的抗原性可刺激迁移性DCs分化为TFH细胞，激活B细胞。(G)丁酸等微生物代谢物可激活细胞毒性CD8+ T细胞，增强奥沙利铂的疗效。(H)具核梭杆菌可以激活TLR4/MYD88依赖性通路，抑制某些miRNAs，使肿瘤细胞从凋亡转变为自噬，导致化疗耐药性。该图通过BioRender.com创建。CPT-11，伊立替康；CTL，细胞毒性T淋巴细胞；CTX，环磷酰胺；DCs，树突状细胞；FdUMP，5-氟脱氧尿苷5’-一磷酸；FUMP，5-氟尿苷5’-一磷酸；FUTP，5-氟尿苷5’-三磷酸；GzmB，颗粒酶B；IFN-γ，干扰素-γ；IL，白介素；miRNA，微小核糖核酸；MYD88，髓样分化因子88；NK，自然杀伤细胞；PFN，穿孔素；pTH17 cells，致病性辅助性T细胞；ROS，活性氧；SN-38，7-乙基-10-羟基喜树碱；TFH，滤泡辅助性T细胞；TLR4，toll样受体4；TNF-α，肿瘤坏死因子；Treg，调节性T细胞；UGT，尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶。

2.1.2 肠道细菌与化疗药效学

除了药代动力学外，肠道微生物群还可以通过免疫调节改变患者对化疗的敏感性和反应(即药效学)。除了细胞毒性作用，化疗药物如环磷酰胺(CTX)也能刺激抗癌免疫。本文探讨肠道细菌的免疫调节对化疗疗效的影响。

CTX是一种烷基化化疗药物，通过消耗免疫抑制调节性T细胞(Treg)和促进辅助性T细胞(Th)-1的细胞分化来诱导抗癌免疫。CTX还可以改变肠道微生物群以增强其免疫调节作用。使小鼠肠绒毛缩短，增加肠道通透性，促进海氏肠球菌(Enterococcus hirae)和约氏乳杆菌(Lactobacillus johnsonii)易位到次级淋巴器官。这种易位积累了致病性Th17和记忆性Th1细胞，这对于CTX诱导的抗癌免疫反应至关重要。海氏肠球菌还增加了抗生素治疗小鼠肿瘤内CD8+ T细胞与CD4+ Treg细胞的比例，甚至逆转了CTX化疗耐药性(图1D)。相反，Barnesiella intestinihominis并没有易位，而是在结肠中积聚以刺激系统性多功能CD8+细胞毒性T细胞和Th1细胞，促进产生干扰素(IFN)-γ-的γδT细胞的肿瘤内浸润。值得注意的是，这些细菌的抗癌作用受到模式识别受体核苷酸结合寡聚结构域2(NOD2)的限制，这表明将NOD2靶向治疗与CTX结合以优化治疗反应的可能性。

奥沙利铂和顺铂是铂类抗肿瘤药物，其早期细胞毒性作用依赖于ROS的产生，而ROS的产生依赖于完整的微生物群。肠道微生物(尤其是革兰氏阳性细菌)调节髓样分化因子88(MYD88)依赖性信号通路，促使肿瘤内髓样细胞产生ROS以响应奥沙利铂(图1E)。同样，肠道细菌也介导了它们的晚期免疫调节作用。奥沙利铂诱导的抗癌免疫反应需要奥沙利铂诱导的细胞凋亡和免疫原性肠道共生体的抗原性。免疫原性细菌，包括非产肠毒素型脆弱拟杆菌和丹毒丝菌，通过白介素(IL)-1β和IL-12刺激迁移性树突状细胞(DCs)向滤泡辅助性T细胞(TFH)发出信号。受刺激的TFH细胞与B细胞相互作用，增加IgG2b反应，增强抗肿瘤效应/记忆性CD8+ T细胞活性。然而，在缺乏免疫原性肠道共生体的情况下，这些免疫反应显著减少(图1F)。除了与免疫细胞直接相互作用外，抗癌免疫也可以被代谢物调节。例如，短链脂肪酸(SCFAs)(特别是丁酸)可以抑制组蛋白去乙酰化酶，从而增加DNA转录调节因子DNA结合抑制剂2(ID2)的表达。然后，ID2通过IL-12信号通路增强CD8+ T细胞的细胞毒性功能，进而促进奥沙利铂诱导的抗癌免疫反应(图1G)。

同时，微生物免疫调节也与化疗耐药和治疗毒性有关。具核梭杆菌在CRC患者中高度富集，不仅促进结直肠肿瘤的发生，还诱导对奥沙利铂和5-FU的化疗耐药性。它激活toll样受体(TLR)-4/MYD88依赖性通路并抑制microRNA使CRC细胞从凋亡转变为自噬。这反过来促进了化疗下CRC细胞的存活(图1H)。此外，肠道微生物群也有助于机械性痛觉过敏，这是奥沙利铂的一种剂量限制性并发症。虽然该机制尚未完全描述，但痛觉过敏部分是由细菌脂多糖和巨噬细胞TLR4之间的相互作用介导的。

影响化疗疗效和毒性的宿主-微生物-药物相互作用极其复杂。即使是同一种细菌的不同菌株也可能产生不同的效果，例如产肠毒素和非产肠毒素的脆弱拟杆菌，前者促进CRC，后者提高奥沙利铂的疗效。同时，化疗可以改变微生物群的组成，导致不同癌症和个体之间微生物与药物之间的相互作用存在很大差异。综上，这些研究表明，肠道微生物群对化疗是不可或缺的。同时使用抗生素对化疗的影响以及这些基本发现的转化潜力值得进一步研究。

2.2 基础研究到临床应用 2.2.1 预测性生物标志物

临床前研究已经为微生物如何影响化疗提供了机制基础。其中一些发现已在人类关联研究中得到验证，表明某些微生物特征与治疗反应、预后或不良反应的发生率相关。这些研究结果表明了利用微生物作为预测性生物标记物的可行性。

CDD-L与吉西他滨化疗耐药之间的关系已被证实。由于CDD-L主要存在于革兰氏阴性菌中，一项临床研究表明，肿瘤内脂多糖(革兰氏阴性菌的细胞壁成分)可作为吉西他滨治疗PDAC疗效的阴性预测因子。同时，具核梭杆菌诱导的小鼠化疗耐药在人类CRC患者中可能是保守的。肿瘤内具核梭杆菌的富集与较短的无复发生存期相关，单是其丰度在预测CRC复发方面就比美国癌症分期联合委员会具有更高的准确性。相比之下，E. hirae特异性和B. intestinihominis特异性Th1免疫反应与化疗患者的无进展生存期(PFS)改善相关。目前，微生物、代谢物或酶在治疗结果预测中的潜在用途正在被广泛研究，例如通过检测β-葡萄糖苷酶水平来预测CPT-11诱导的毒性。

2.2.2 肠道微生物群调节

同时使用抗生素通常用于预防化疗诱导的免疫抑制引起的机会性感染。抗生素可以改变微生物群落，从而改变化疗疗效。由于肿瘤内细菌CDD-L赋予吉西他滨化疗耐药性，几项回顾性临床研究报告称，靶向产生CDD-L的细菌的抗生素可改善PDAC患者的吉西他滨反应。值得注意的是，大多数这些关联研究没有涉及肿瘤样本的收集；因此，肿瘤内的微生物群是如何被抗生素改变的仍未确定。

目前对抗生素和化疗的研究产生了相互矛盾的结果。Pflug等人发现慢性淋巴细胞白血病或复发性淋巴瘤患者同时接受CTX/顺铂和抗生素治疗时PFS和总生存期(OS)明显较低。对头颈部癌或食道癌患者的观察性研究也得出了类似的结果。总体而言，在化疗中使用抗生素可能是一把双刃剑。虽然抗生素对免疫功能低下的患者是必要的，但它可能会引起肠道失调，导致不良的化疗结果。在未来关于抗生素和化疗的研究中，有几个重要的问题需要解决：抗生素是否会同时去除有益微生物，进而导致不良反应？如何平衡癌症患者预防性使用抗生素的利弊?抗生素是一种安全有效的调节肠道微生物群以获得最佳治疗反应的方法吗？或者，可以采用更具差异的策略，例如使用由抗菌药敏试验指导的选择性抗生素，而不是开广谱抗生素处方。

另一种改变微生物群的方法是补充益生菌，益生菌是主要含有乳杆菌(Lactobacillus)和双歧杆菌(Bifidobacterium)的活体微生物。临床前和临床数据都表明益生菌可以改善化疗结果。一项随机对照试验表明，以双歧杆菌和乳杆菌为基础的益生菌可降低β-葡萄糖苷酶活性，从而降低CPT-11诱发腹泻的发生率。益生菌丁酸梭菌(Clostridium butyricum)可减少肺癌患者化疗引起的腹泻。但这些研究只包括小群体，产生不确定的结果。随后对临床试验的meta分析报告称，没有足够的证据支持使用益生菌可预防化疗引起的腹泻。队列规模小、研究持续时间短以及研究设计中固有干扰因素的存在是当前研究的常见局限性。尽管这些研究证明了益生菌使用的安全性，但在危重患者中的潜在风险不应被忽视(如菌血症)。未来的研究应评估益生菌的最佳配方，确保其在大队列中的有效性，并规范研究方法，以促进临床试验的比较。

益生元是微生物选择性使用的底物，具有健康益处，还可以调节肠道微生物群的组成。临床前研究发现，益生元菊粉和低聚果糖可增强5-FU和CTX的细胞毒性作用，而燕麦碱和果胶可减少甲氨蝶呤诱导的小肠结肠炎。理论上，益生元的摄入可能会选择性地丰富双歧杆菌和乳杆菌等有益益生菌，增加短链脂肪酸的产量。最近的研究证实，膳食纤维的补充可增加健康成年人双歧杆菌、乳杆菌的丰度和粪便丁酸浓度。但益生元如何增加化疗结果的确切机制仍不清楚。益生元的持久性也应加以探讨。益生元通常需要1-2周的时间来改变微生物群组成，但在恢复正常营养摄入后这种改变可能是暂时的。一项针对妇科癌症患者的临床试验表明，放疗前1周至放疗后3周服用益生元可改善治疗后的粪便稠度。然而，关于益生元在化疗中的作用的临床研究还很缺乏。另一个值得注意的问题是安全问题。一些寡糖确实能使β-葡萄糖醛酸酶活性加倍，加重CPT-11对小鼠的毒性。未来的研究需要解决益生元的临床安全性问题。

3 微生物群和ICIs

耐药和复发是化疗的常见问题。自过去十年以来，免疫疗法的快速发展重塑了肿瘤学的临床指南。一般来说，肿瘤细胞会发展出逃避免疫监视的机制，即宿主免疫以根除肿瘤。肿瘤细胞可以表达与T细胞上的程序性细胞死亡蛋白1(PD-1)结合的程序性死亡配体1(PD-L1)，导致其失活。细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(CTLA-4)是T细胞上的另一个免疫检查点，其导致T细胞在配体结合时失活。为了逆转免疫抑制，人们引入了抗PD-1/PD-L1和抗CTLA-4单克隆抗体(mAbs)。具有里程碑意义的临床试验取得了可喜的结果，美国食品和药物管理局(FDA)批准了用于癌症治疗的不同ICIs。然而，免疫治疗面临的主要挑战包括患者间ICI反应的异质性和免疫相关不良事件(irAEs)，特别是抗CTLA-4单克隆抗体的结肠炎和抗PD-1/PD-L1单克隆抗体的肺炎。鉴于肠道微生物群与宿主免疫之间复杂的相互作用，越来越多的证据表明，微生物群调节在优化免疫治疗反应中的潜在应用(图2)。一般来说，共生微生物通过改变药效学(而非药代动力学)，特别是免疫调节，与ICIs相互作用。

图2 微生物群调节免疫治疗反应的机制。微生物-免疫治疗相互作用可以通过TIME机制框架进行分类：T细胞介导、先天免疫、代谢物、分子模拟和上皮损伤。(A)拟杆菌属(Bacteroides)、伯克霍尔德氏菌(Burkholderiales)和双歧杆菌(Bifidobacterium)等细菌可增强DCs介导的抗癌T细胞免疫，增强免疫治疗能力。(B) NK细胞和促炎M1巨噬细胞是对抗癌症的先天免疫的主要贡献者。双歧杆菌可以激活NK细胞来对抗癌症，而PDAC的肿瘤内微生物群消融可以将M2巨噬细胞重编程为M1巨噬细胞，并减少髓源性抑制细胞。总之，它们增加了肿瘤对免疫治疗的敏感性。(C) Bifidobacterium pseudolongum和Akkermansia muciniphila可分泌代谢物肌苷。肌苷通过DCs共刺激的腺苷2A受体激活Th1细胞。其他细菌可通过分子模拟改善ICI的抗癌反应。短双歧杆菌和海氏肠球菌感染噬菌体分别具有SVY和TMP抗原，它们与肿瘤新抗原高度相似。这导致了细胞毒性T细胞对肿瘤细胞的交叉反应。(D)上皮损伤和免疫原性细菌刺激DCs产生抗癌免疫。该图通过BioRender.com创建。DCs，树突状细胞；ICI，免疫检查点抑制剂；IL，白介素；MDSC，髓源性抑制细胞；NK，自然杀伤细胞；PD-1，程序性细胞死亡蛋白-1；PDAC，胰腺导管腺癌；SVY，SVYRYYGL；TFH，滤泡辅助性T细胞；Th，辅助性T细胞；TMP，卷尺蛋白。

3.1 机制概述 3.1.1 肠道细菌和抗CTLA-4单克隆抗体

临床前研究已经说明了肠道微生物群在免疫治疗疗效中不可或缺的作用(表2)。2015年的一项开创性研究证明了肠道细菌如何影响小鼠的抗CTLA-4单克隆抗体作用。抗CTLA-4单克隆抗体可诱导脆弱拟杆菌(B. fragilis)、B. thetaiotaomicron和洋葱伯克霍尔德菌(Burkholderia cepacia)在肠粘膜生长。这些细菌(特别是脆弱拟杆菌)然后产生多糖刺激固有层的CD11b+ DCs，从而改善肿瘤引流淋巴结中的IL-12依赖性Th1免疫反应(图2A)。同时，微生物群减少的小鼠对抗CTLA-4单克隆抗体的反应受损，这表明微生物群在免疫治疗中的重要性。有趣的是，脆弱拟杆菌和洋葱伯克霍尔德菌在细菌耗尽小鼠中的重新定殖不仅挽救了它们的免疫治疗耐药性，还减少了结肠炎的组织病理学症状。双歧杆菌给药也能在不影响其疗效的情况下，最大限度地减少抗CTLA-4单克隆抗体诱导的irAEs。从机制上来讲，双歧杆菌通过IL-10的介导增强了肠道Treg的抑制功能。两歧双歧杆菌(B. bifidum)细胞表面β-葡聚糖/半乳糖多糖也可通过产生调节性DCs诱导Treg，改善结肠炎。

除了与免疫细胞直接相互作用外，还可以通过微生物衍生的代谢物进行间接免疫调节(图2C)。由于抗CTLA-4单克隆抗体损害肠道屏障，假长双歧杆菌(Bifidobacterium pseudolongum)和嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila)的代谢产物肌苷可进入体循环。然后肌苷通过DC共刺激的腺苷2A受体激活Th1细胞，在ICIs存在的情况下增强肿瘤收缩。肌苷的抗癌作用也可归因于其作为肿瘤微环境(TME)中效应T细胞的葡萄糖替代燃料的作用。

表2 微生物群调节免疫治疗作用的机制研究。

cGAS，环鸟苷酸-腺苷酸合成酶；CTLA-4，细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4；DCs，树突状细胞；IFN-β，干扰素-β；IL，白介素；IRF7，干扰素调节因子7；LGG，鼠李糖乳杆菌GG；mAbs，单克隆抗体；NK，自然杀伤细胞；PD-1，程序性细胞死亡蛋白-1；PD-L1，程序性死亡配体1；PSMB4，蛋白酶体β亚基4型；SIY，SIYRYYGL；STING，干扰素基因刺激因子；SVY，SVYRYYGL；TBK1，TANK结合激酶1；Th，辅助性T细胞；TMP，卷尺蛋白；Treg，调节性T细胞。

3.1.2 肠道细菌和抗PD-1/PD-L1单克隆抗体

2015年的另一项关键研究表明，肠道细菌可以调节小鼠抗PD-1/PD-L1单克隆抗体的功效。短双歧杆菌(B. breve)和长双歧杆菌(B. longum)激活DCs，促进TME中CD8+ T细胞的活化和浸润，进而增强免疫治疗效果。双歧杆菌还能介导先天性免疫增强黑色素瘤小鼠模型中抗PD-1单克隆抗体的功效(图2B)。机制上来讲，双歧杆菌分泌代谢物马尿酸盐并抑制PD-1表达，进而激活自然杀伤(NK)细胞通过穿孔素和IFN-γ介导破坏肿瘤。双歧杆菌也能减轻CTLA-4阻断诱导的irAEs，因此双歧杆菌能否同时增强PD-1/PD-L1和CTLA-4阻断的疗效和降低毒性值得探讨。

益生菌还可以调节免疫治疗效果。鼠李糖乳杆菌(L. rhamnosus GG, LGG)是一种被广泛研究和使用的益生菌，可降低小鼠肝细胞癌的发生并抑制肿瘤进展。LGG还通过增加肿瘤浸润性DCs和T细胞来改善小鼠抗PD-1单克隆抗体的作用。在机制上，LGG通过激活STING(IFN基因刺激因子)及其二级信使环GMP-AMP合成酶(cGAS)诱导干扰素调节因子7(IRF7)的磷酸化来促进IFN-β的产生。通过cGAS/STING依赖性轴增加IFN-β的产生最终增强了抗癌CD8+ T细胞的交叉启动。LGG摄入还丰富了肠道中可抑制肿瘤的单形拟杆菌(B. uniformis)和鼠乳杆菌(L. murinus)，其中单形拟杆菌与肠系膜淋巴结中IFN-γ+ CD8+ T细胞的富集有关，而鼠乳杆菌则与肠道中DC的激活有关。

共生细菌和肿瘤细胞之间的抗原模拟也提供了对ICIs的有益反应(图2C)。除了如上所述激活DCs以启动T细胞外，短双歧杆菌抗原SVY与小鼠黑色素瘤SIY新抗原同源，从而刺激针对黑色素瘤细胞的交叉反应性T细胞反应。同时，感染E. hirae的噬菌体表达卷尺蛋白(TMP)，该蛋白可刺激记忆性CD8+ T细胞反应与癌症抗原蛋白酶体β亚基4型蛋白发生交叉反应。给药表达TMP表位的细菌菌株可以提高小鼠的免疫治疗效果。值得注意的是，最近的研究已经将几种自身免疫疾病与微生物衍生抗原和自身抗原之间的分子模拟联系起来。考虑到肠道微生物群中蛋白质组的多样性，可能会发现更多与癌症抗原具有高度同源性的微生物抗原。

上皮屏障也在微生物介导的免疫调节中发挥作用(图2D)。一项研究报道了Rnf5-/-黑色素瘤小鼠的抗癌免疫增强(RNF5是一种与蛋白质降解有关的膜结合的E3泛素连接酶)。机制上来讲，Rnf5-/-小鼠减少了抗菌肽并增加了肠上皮细胞凋亡，导致Bacteroides和Parabacteroides富集，它们共同激活DCs，促进产生IFN-γ的T细胞肿瘤内浸润。这些发现确实与奥沙利铂诱导的抗癌免疫反应相似。奥沙利铂诱导的细胞凋亡和免疫原性肠道共生体的抗原性不仅介导了上述奥沙利铂的抗癌免疫，而且在与抗PD-1单克隆抗体联合使用时具有协同治疗作用。总之，上皮损伤和免疫原性细菌刺激DCs产生针对癌症的辅助性或细胞毒性T细胞免疫反应。

微生物与ICIs的相互作用是复杂的。参考之前提出的描述微生物-化疗相互作用的TIMER(易位、免疫调节、代谢、酶降解和多样性减少和生态变异)机制框架，我们将微生物-免疫治疗相互作用分类为TIME框架：T细胞介导，先天免疫，代谢物和分子模拟以及上皮损伤(图2)。鉴于其复杂性，机制框架可以更好地说明微生物-免疫治疗相互作用，这为将这些基本发现转化为临床应用奠定了基础。

3.2 基础研究到临床应用 3.2.1 预测性生物标志物

根据临床前证据，2018年对黑色素瘤和上皮性肿瘤患者的宏基因组研究证实了肠道微生物群在抗PD-1/PD-L1单克隆抗体反应中的作用(表3)。粪杆菌属(Faecalibacterium)、长双歧杆菌、Collinsella aerofaciens、屎肠球菌(E. faecium)、嗜黏蛋白阿克曼氏菌和海氏肠球菌在抗PD-1单克隆抗体反应者中富集，而Bacteroides、Ruminococcus obeum和Roseburia intestinalis在无反应者中富集。同样，这三项研究都表明，从反应者到无菌小鼠的粪便微生物群移植(FMT)可以增强抗PD-1单克隆抗体的功效。但从这些研究中鉴定出的微生物种类繁多，彼此之间几乎没有重叠。2022年，我们开展了一项随访研究，以验证A. muciniphila在一个前瞻性多中心非小细胞肺癌(NSCLC)患者队列中的预测价值。观察到一个有趣的分布：A. muciniphila正常丰度(相对丰度4.799%)与较短的OS相关。这种三分法分层的预测价值甚至比肿瘤PD-L1表达更准确，PD-L1是临床上用于预测NSCLC中ICI反应的生物标志物。与粪便中未检出A. muciniphila患者的肿瘤细胞相比，检出A. muciniphila患者的肿瘤细胞具有更高的与T细胞活化和IFN指纹图谱相关的基因表达，这与抗PD-1 mAb反应改善有关。这些发现与之前的机制研究一致，表明A. muciniphila促进了Th1细胞肿瘤内浸润。

还进行了对黑色素瘤患者联合抗PD-1/抗CTLA-4免疫治疗的研究(表3)。Faecalibacterium prausnitzii、Holdemania filiformis和B. thetaiotaomicron在反应者中富集，而拟杆菌属物种在无反应者中富集。转录组学分析进一步表明，糖降解途径、维生素B生物合成途径和鸟苷核苷酸生物合成途径与较短的PFS相关。而Gopalakrishnan等人发现反应者中氨基酸生物合成丰富，Peters等人特别发现L-异亮氨酸生物合成与较长的PFS相关，这可能与其免疫调节作用有关。目前，即使是在相同的癌症类型(如转移性黑色素瘤)中，与免疫治疗反应相关的细菌种类也缺乏共识。可能的原因包括各研究在样本收集、测序技术和生物信息学管道方面的差异。meta分析整合并重新分析了先前三项研究的数据，得出结论：分析管道不是研究间差异的原因。有趣的是，在不同的研究中，微生物基因含量比微生物群组成存在更多的重叠，这意味着不同研究中发现的特征微生物可能在功能上相关。特别是，在评估治疗反应方面，微生物基因含量比微生物群组成提供了更高的预测值，曲线下面积>0.7，显示了利用微生物基因特征作为预测性生物标志物的潜力。最近的一项前瞻性多中心研究证实了嗜黏蛋白阿克曼氏菌与ICI效果改善正相关。该研究表明，可检测到A. muciniphila的粪便样本富含大量研究中鉴定的免疫原性细菌，如瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)和B. intestinihominis。迄今为止，不同的研究已经确定了与ICI反应相关的多种微生物，但它们之间的相互作用以及哪种微生物在ICIs中起主导作用仍然未知。因此，这项研究提供了初步见解，即嗜黏蛋白阿克曼氏菌可能是免疫原性细菌的主要调控因子，有助于改善ICI反应。

总之，这些研究表明微生物生物标志物可以预测癌症治疗的结果。从人类研究中发现的一些细菌，如嗜黏蛋白阿克曼氏菌、B. intestinihominis和B. thetaiotaomicron，在机制上也被证明可以通过免疫调节改善治疗反应，这进一步证实了它们的转化潜力。然而，一个主要的挑战是在各个研究中缺乏对特征物种的共识，这使得很难建立一个公认的微生物生物标志物菌群。为了减少研究间的差异，样本收集、测序和生物信息学分析的方法应该标准化。采用多组学方法的大型队列研究可以为肠道微生物群和ICI反应之间的相关性提供更多的见解。此外，还需要进一步的功能研究和临床试验来探索这些观察结果的转化潜力。

表3 与免疫治疗反应相关的肠道微生物。

Akk+，粪便检出Akkermansia muciniphila的患者；CTLA-4，细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4；FMT，粪便微生物群移植；ICIs，免疫检查点抑制剂；mAbs，单克隆抗体；NR，无反应者；NSCLC，即非小细胞肺癌；ORR，客观缓解率；OS，总生存期；PD-1，程序性细胞死亡蛋白-1；PD-L1，程序性死亡配体1；PFS，无进展生存期；R，反应者；RCC，肾细胞癌；TME，肿瘤微环境。

3.2.2 肠道微生物群调节

预防性抗生素通常与免疫疗法一起使用，以预防危及生命的感染。然而，临床研究发现，抗生素治疗患者对免疫治疗的反应减弱，这与临床前动物研究的证据一致。回顾性和前瞻性研究均表明，抗生素的使用与较低的无进展生存期(PFS)、OS和缓解率相关。使用抗生素的时机也很重要。一项meta分析报告称，ICI开始前42天未使用抗生素的患者OS延长了3.43倍，而在ICI开始前60天使用抗生素和未使用抗生素的患者OS无显著差异。这些发现与一项对健康个体进行的4天抗生素鸡尾酒治疗(美罗培南、庆大霉素和万古霉素)的研究一致，该研究中个体的微生物群组成在42天内恢复到接近基线水平。除了流行病学观察外，最近的研究表明，使用抗生素的患者具有丰富的与低存活率相关的微生物特征，如C. hathewayi多样性和富集度较低。因此，应避免在ICIs治疗前使用抗生素。另外，FMT或益生菌可能是在ICIs治疗前逆转抗生素引起的生态失调的合理选择。值得注意的是，PDAC可能是一个例外，因为临床前研究表明，在PDAC中使用抗生素进行肿瘤内细菌消融可以提高免疫治疗效果(图2B)。因此，应在不同的癌症类型中仔细研究抗生素或微生物对癌症治疗的影响。

使用益生菌调节免疫治疗反应是另一种可行的方法。许多与改善免疫治疗反应有关的微生物(如长双歧杆菌和LGG)确实是市售的益生菌。临床前研究表明，益生菌可通过降低Treg水平，促进CD8+ T细胞活化、CD4+ T细胞分化和NK细胞肿瘤内浸润，从而增强肿瘤免疫功能。Tanoue等人进行的一项概念验证研究报告称，由11种菌株(7种拟杆菌和4种非拟杆菌属物种)组成的特定菌群可以通过CD103+ DC介导的诱导产生IFN-γ的CD8+ T细胞增强小鼠同基因肿瘤的ICI疗效。这凸显了益生菌作为佐剂改善免疫治疗结果的可行性。临床试验表明，益生菌B. lactis Bl-04和嗜酸乳杆菌(L. acidophilus)NCFM可增加CRC患者肠道中产丁酸菌的丰度，尤其是粪杆菌和梭菌。这些物种与改善人类患者的免疫治疗反应有关。但目前的临床研究只证实了益生菌对肠道微生物群的影响，并没有证实其对免疫治疗结果的直接作用。最近的一项临床研究甚至表明，益生菌的使用与较低的微生物多样性相关，这是免疫治疗无反应者的一个共同特征。这一发现在一项临床前机制研究中再次被证实，给药益生菌长双歧杆菌或LGG的小鼠对抗PD-L1单克隆抗体的反应更差，肿瘤内IFN-γ+ CD8+ T细胞水平降低。因此，与既往研究相比，这些最新的研究结果呈现出相反的景象。因此，在接受免疫治疗的患者中不应使用非处方益生菌，因为当前的理解仍然有限。

益生元和饮食调节是增强ICI反应的替代方法。常见的菊粉、低聚半乳糖等益生元可提高人体肠道中双歧杆菌、乳杆菌和粪杆菌的丰度，这些免疫原性细菌与提高抗癌免疫力有关。然而，缺乏关于益生元对ICI的直接作用的研究，这需要进一步研究。另一方面，饮食调节被证明可有效增强治疗效果。接受ICIs治疗的转移性NSCLC患者的高纤维饮食与双歧杆菌物种的富集和更好的临床结果相关。摄入高纤维的黑色素瘤患者的ICI反应也有所改善。这一结论得到了一项平行机制研究的支持，该研究表明在喂食高纤维饲料的ICI治疗小鼠中，肿瘤浸润淋巴细胞水平增加，其中补充纤维后纤维发酵瘤胃球菌科的富集可以促进T细胞活化和肿瘤内浸润。另一个例子是，生酮饮食产生的酮体3-羟基丁酸能增强小鼠ICI的疗效。3-羟基丁酸增加ICI诱导的CD8+ T细胞的扩增并抑制PD-L1表达，维持T细胞活化以达到抗癌作用。生酮饮食可以丰富人体肠道中的Eisenbergiella massiliensis，其与血清3-羟基丁酸浓度密切相关。然而，肠道微生物群对饮食变化反应迅速，表明饮食调节的短期影响。维持一种新的饮食习惯非常困难；因此，如何保持和延长饮食效应以改善ICI反应需要进一步的研究。

FMT是微生物群调节的另一种临床方法，已获得FDA批准用于治疗复发性艰难梭菌(C. difficile)感染。FMT是将整个粪便微生物群落，包括细菌、病毒、真菌及其代谢物，从健康供体转移到接受者体内。Wang等人报道了首例使用FMT治疗免疫疗法引起的结肠炎的病例。通常情况下，ICI诱导的结肠炎可以用包括皮质类固醇在内的免疫抑制剂治疗，尽管如此，这些药物还是有相当大的副作用。在这项研究中，2例ICI诱导的结肠炎患者对常规治疗无反应，但在富含有益双歧杆菌物种的FMT后表现出明显的改善。但由于这项初步研究的开创性，未来的临床试验需要验证FMT在免疫治疗中的转化潜力。

同时，最近的两项概念验证临床试验证明了FMT在增强难治性黑色素瘤患者抗PD-1单克隆抗体反应方面的安全性和有效性。Baruch等人招募了12名黑色素瘤患者，其中10名对ICIs无反应，2名对ICIs有反应。10名无反应者接受了抗生素治疗微生物群减少，随后用来自2名反应者的粪便进行FMT治疗，并重新引入抗PD-1单克隆抗体。2例患者显示部分缓解，1例患者显示完全缓解，表明真正的新生免疫治疗反应。同样，Davar等人用FMT(反应者的粪便)和抗PD-1单克隆抗体治疗15例ICI-难治性黑色素瘤患者。3例患者客观缓解，3例患者病情稳定。两项研究均证实了FMT对免疫治疗反应的作用，表明FMT在癌症治疗中的临床安全性和可行性。与其他调节方法不同，FMT对肠道微生物群的影响可以持续24周以上，无需频繁干预。事实上，在Davar等人的研究中，对每个患者只进行了一次FMT。此外，未来的研究应考虑使用ICI生物标志物(包括PD-L1表达和肿瘤突变负荷)来评估预先存在的适应性免疫对于有效的FMT是否至关重要。

未来展望与结论

治疗耐药性和毒性是癌症治疗的主要障碍。在预测治疗结果和优化治疗反应方面付出了巨大的努力。不可否认，肠道微生物是作为预测性生物标志物和治疗靶标的潜在候选者。尽管目前的研究结果可喜，但未来并非没有挑战(表4)，包括对微生物群调节治疗反应的机制认识不足，作为生物标志物的微生物特征尚未确定，以及对最佳微生物群调节方法缺乏共识。此外，目前的研究主要集中在细菌，但共生病毒、真菌和古菌在癌症中也有不可忽视的作用。值得注意的是，FMT不仅转移细菌，还转移其他非细菌微生物，但它们对受体的影响尚不清楚，这引发了潜在的安全问题。

表4 微生物群应用于临床环境的当前挑战和未来方向。 

我们需要共同努力来克服前方的挑战。首先，需要更多的功能性研究和前瞻性纵向人体研究来剖析宿主-微生物-药物相互作用的生物学复杂性。严格鉴定影响治疗结果的关键微生物是临床转化的先决条件。未来的研究应该不仅仅局限于细菌。最近的一项研究表明，肠道细菌的减少可能会导致共生真菌过度生长，进而降低放疗诱导的抗癌免疫。有趣的是，共生真菌减少可以提高放疗疗效，表明肠道细菌和真菌在抗癌免疫中的拮抗作用。因此，微生物界间的相互作用在癌症治疗中是一个重要的未来方向。其次，宏基因组学研究应该标准化，并与其他组学(包括转录组学和代谢组学)相结合。技术的进步，如胶囊内镜也能分析肠道不同部位的微生物群。总之，这些将为宿主-微生物-药物相互作用的机制基础提供见解。最后，应该确定调节微生物群以提高治疗结果的最佳方法。未来的临床试验应评估不同方法的有效性、持久性和安全性，包括益生菌、益生元、抗生素和FMT。最近报道了其他创新方法，如使用噬菌体靶向特定的微生物或工程微生物用于药物递送和肿瘤裂解。在临床转化之前还需要大量的工作。预计将在科学家和临床医生的努力下解开人类微生物群的更多奥秘，这将为下一代个性化医疗铺平道路。