肠道菌群、机体免疫与肿瘤放射治疗关系的研究进展

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　　 【摘要】 人体内含有大量的共生菌群，这些共生菌群已被证实可以影响人体免疫系统。肿瘤的放射治疗会导致肠道菌群紊乱、免疫失调，引起急慢性炎症。同时，肠道菌群的组成成分可能影响放射治疗的效果和副反应发生。现已发现应用益生菌、抗生素、粪便移植等改变宿主肠道菌群的方法具有预防和治疗放射性肠炎、增加放射敏感性及增强放疗效果的作用。本文就目前关于肠道菌群、机体免疫与肿瘤放射治疗间的关系的研究进行综合性阐述。
　　 【关键词】 共生菌; 放射治疗; 肿瘤; 放射性炎症
　　 【Abstract】 The human body contains a large number of symbiotic bacteria，which have been proved to affect the human immune system.Radiation therapy for tumors can lead to intestinal flora disorders and immune disorders，causing acute and chronic inflammation.At the same time，the composition of intestinal flora may affect the efficacy of radiotherapy and the incidence of side effects.It has been found that the application of probiotics，antibiotics，fecal transplantation and other methods to change the host intestinal flora has the effect of preventing and treating radiation enteritis，increasing radiosensitivity and enhancing the effect of radiotherapy.This article reviews the recent researches on the relationship between intestinal bacterial flora，immunity and tumor radiation therapy.
　　 【Key words】 Symbiotic bacteria; Radiotherapy; Cancer; Radiation-induced inflammation
　　 First-author’s address：Renmin Hospital of Wuhan University，Wuhan 430060，China
　　 doi：10.3969/j.issn.1674-4985.2019.08.045
　　 隨着宏基因组测定方法的快速发展和微生物基因组数据库的建立与完善，微生物检测技术逐渐成熟，不仅可以检测出样本中微生物的物种丰度，还可以通过比对数据库得到相关的功能丰度。越来越多的研究发现，肿瘤患者在接受放射治疗特别是盆腹腔放射治疗后的效果和副反应与患者肠道内的共生菌群相关。本文就目前关于肠道菌群、机体免疫与肿瘤放射治疗间关系的研究进行综合性阐述。
　　1 人体共生微生物
　　 栖息在人类身体上的菌群包括细菌和其他微生物如古生菌、真菌、原生动物等。它们主要表现为与宿主的共生关系，而当肠道生态环境发生改变时可能会引起肠道菌群紊乱，使得这些共生菌成为致病菌[1]。人体内的微生物于出生时开始定植在人体上，在婴幼儿时期变化较剧烈，在成年人中相对稳定，但仍可受到饮食、生活方式、疾病和治疗手段的影响而发生变化[2]。
　　2 肿瘤的放射治疗对机体免疫的影响
　　 随着社会的发展、人们寿命的延长，肿瘤发病率持续上升，其中约70%的患者在治疗时需要放疗，而这之中又有75%的患者会出现不同程度的副作用，影响了治疗的效果、完整性和患者的生存[3]。放射治疗不仅会对肿瘤细胞产生直接的DNA损伤，也通过电离辐射诱导细胞内水分子解离产生氧自由基（reactive oxygen species，ROS）来间接诱导DNA损坏;还会对非靶细胞产生非靶向作用，如引起靶区旁细胞的旁观者效应、全身放射反应、基因组不稳定等，进一步造成DNA继发损伤[4]。近年来，随着免疫治疗的发展，人们逐渐发现联合免疫治疗可以促进放射治疗的远隔效应（一种免疫反应），由此可将放射疗法的使用扩展到治疗转移性疾病当中[5]。越来越多的研究显示微生物不仅可以在化疗和免疫治疗等肿瘤治疗中起到重要的作用，也与放射治疗存在相互作用。相关研究发现，肠道菌群可影响放射治疗的效果和副作用的发生[6]。此外，菌群是否也能增加放射治疗的远隔效应、是否有可能通过干预菌群来增加放射治疗效果及减少放射治疗并发症成为亟待研究的问题。
　　3 肠道菌群与宿主免疫功能的关系
　　 近年来，有关肠道菌群与宿主免疫功能关系的研究激增，大量证据显示肠道菌群在炎症和自身免疫疾病中起到重要的作用。肠道相关淋巴组织参与控制肠道微生物群的获取、维持和定位，并且参与维持功能性上皮屏障以防止病原体侵入宿主[7]。微生物群对宿主免疫功能的影响主要通过释放中间共同介质（例如代谢物）而不是特定微生物和免疫细胞之间的直接相互作用来发挥作用。例如色氨酸代谢物可对肿瘤坏死因子产生强烈的抑制作用，短链脂肪酸可促进浆细胞产生IgA来增强免疫力，IgA又可影响细菌毒力[8]。细菌代谢物或细菌本身可以激活局部树突细胞，使其迁移到相应引流淋巴结进而激活T细胞，后者可以迁移至肠黏膜或进入体循环引起一系列免疫反应[7]。缺乏肠道微生物群的无菌小鼠具有严重的免疫缺陷：如缺乏黏膜层，免疫球蛋白A（IgA）分泌改变，Peyer’s斑块变小、功能减退等[9]。在多发性硬化和类风湿性关节炎动物模型中进行的研究表明：无菌小鼠不会发生自身免疫;然而，如果向无菌小鼠引入特定细菌，则可以诱导自身免疫疾病发生;如再给予其与正常小鼠共生的脆弱拟杆菌的细菌多糖则可以减轻自身免疫症状。总体而言，微生物群有助于塑造整个免疫系统[10]。但是，肠道微生物组如何参与影响宿主免疫仍有待阐明。据报道，婴儿（<2个月）粪便中测量的拟杆菌的相对量与TLR4的mRNA表达及脂多糖敏感性呈负相关。同样，乳杆菌和双歧杆菌的低定植与过敏的发生率较高有关[11]。这些结果显示了肠道微生物组对宿主免疫系统的影响，并突出了肠道微生物组驱动疾病易感性的可能性。 　　4 放射治疗与肠道菌群的关系
　　4.1 放射治疗对肠道菌群的影响 许多细菌对辐射敏感，而在接受放射治疗的患者和小鼠的上皮表面微生物群的变化已经被发现与治疗副作用如口腔黏膜炎、腹泻、肠炎和骨髓衰竭等有关[12]。放射治疗对肠道的影响的相关研究主要集中于辐射引起的毒性作用方面，其中关于辐射引起的肠炎的研究最为多见与透彻。有研究显示，辐射可以诱导肠隐窝中的细胞凋亡、破坏肠道屏障、改变微生物结构，从而导致肠道炎症、破坏微生物介导的黏膜稳态、影响先天与后天的免疫系统[13]。研究还发现，辐射引起的胃肠毒性与炎症性肠病之间存在相似性，两者具有相似的发病机制，并且多表现为腹泻、直肠出血和吸收不良等症状。临床研究显示盆腹腔放射治疗后，放射治疗引发放射性肠炎的患者相比较无放射性肠炎患者具有更高比例的肠道菌群紊乱，主要表现为粪便中杆菌和放线菌水平上升和梭状芽孢杆菌水平下降;在急性和晚期放射性肠病患者中出现小肠细菌的过度生长。综合来看，辐射可能引起肠道菌群紊乱，进而促进放射性肠炎的发生。另一方面，相比于其他患者，克罗恩病患者和溃疡性结肠炎患者放疗后严重的急性或慢性并发症风险增加29%～46%。这暗示着紊乱的肠道菌群环境会增加放射治疗后不良反应的发生。因此，放射治疗可引起菌群紊乱，而肠道菌群的紊乱又会增加各种并发症的风险[14]。
　　4.2 肠道菌群对放射治疗效果的影响 关于菌群影响放射治疗方面的基础研究开始较早。动物实验主要比较放疗后无菌小鼠和传统培养小鼠的生存，证明肠道菌群会影响放射的敏感性。经历全身照射后，无菌小鼠比传统培养的小鼠存活时间更长，并且需要更高的辐射剂量才能诱导肠病。照射后，无菌小鼠相比常规培养小鼠具有更少的内皮细胞凋亡和淋巴细胞浸润，表达更少的肿瘤坏死因子α（TNF-α）、IL-1β和IL-6，并可通过给予IL-1受体拮抗剂改善放射损伤，只有拟杆菌和大肠杆菌定植的动物模型具有与无菌小鼠相似的实验结果。经过放射的小鼠的微生物组在体内和体外都具有致病性[15]。有动物研究显示，对粪便移植（FMT）治疗小鼠进行10 d的放射过程中观察到与常规小鼠相比更高的存活率和更弱的毒性反应，这表明改变肠道菌群的组成可以改变肠道对辐射的敏感性[16]。另有研究比较了白天受照射的小鼠和晚上受照射的小鼠对放疗的敏感性，发现小鼠白天比夜间对照射毒性更为敏感。研究表明昼夜节律能影响辐射诱导的细胞凋亡和在肠道、骨髓、外周血p53基因的激活[17]。此外，昼夜节律与肠道微生物成分的昼夜变化和短链脂肪酸的产生相关，从而能够假设小鼠对放射治疗的敏感性的昼夜变化与小鼠体内微生物群成分的昼夜变化相关。
　　 菌群对放疗效果的影响方面的临床研究较少，大多是针对放疗相关副反应，并且每个研究病例数较少，很难做出有统计学差异的研究。目前的研究主要认为，杆菌和放线菌总量的增加和梭状芽孢杆菌的减少增加放疗后急性肠炎的风险，并且不建议具有炎症性肠病等的患者接受放疗。一项涉及少数患者的研究使用了16S核糖体RNA进行DNA指纹分析和克隆测序，评估了放疗前、放疗期间和放疗后的大便情况。有研究显示，患者初始肠道微生物的组成可能是放射治疗后是否会发生腹泻的一个决定因素[18]。另一项研究显示，与放疗后出现放射性肠炎的患者相比，未出现放射性肠炎患者的肠道菌群多样性较高，杆菌、小类杆菌、韦荣球菌丰度较低，梭菌、颤杆菌克菌、普雷沃菌和一些未分类菌群丰度较高，并且具有更低的厚壁菌/拟杆菌比率[12]。菌群对放射治疗效果影响则是亟待研究的问题。
　　5 调节菌群可以减少放疗相关黏膜炎症的发生
　　5.1 益生菌、益生元、合益菌粉 益生菌，是指经过适当方法使用可以使宿主受益的活的微生物;益生元，就是可以促进宿主体内有益菌群生长的非生物类食物;合益菌粉即指两者的混合物。已发现含有嗜酸乳杆菌、雙歧杆菌、干酪乳杆菌的益生菌制剂可以减少放射引起的严重肠炎的发生率[19]。同样的，针对头颈部的研究也发现短乳杆菌的使用减少了头颈部肿瘤患者放疗和化疗诱导的黏膜炎的发生率，并提高了治疗的完成率[20]。最近的一篇Meta分析纳入了6项研究以评价补充益生菌对放射性肠炎的预防作用，结果显示预防性使用益生菌相比较安慰剂组腹泻发生率明显降低，但与使用其他抗腹泻药物组无显著区别[21]。以上研究显示，益生菌和相关制剂可以作为一种针对放射性肠炎的潜在治疗方法，但由于相关研究较少，无法确定更好的益生菌和相关制剂的成分及使用时机。使用益生菌增强放射治疗效果将也是非常值得今后研究的课题。
　　5.2 抗生素 很明显，抗生素的使用会影响菌群的组成结构。早在几十年前抗生素就被考虑作为一种治疗放射性肠炎的方法，已有动物研究显示不同种类的不同抗菌药物可能对放射引起的炎症有治疗效果，但哪种药物具有更好的疗效还未被确定。基础研究认为一些共生菌具有在放射状态下保护宿主的作用，因此，理论上，作用于特定类型菌群的抗生素可能可以更好地保护接受放射治疗的宿主，从而将抗生素应用于辐射损伤的预防和治疗[22]。最近发表在Science上的一篇文章显示使用抗生素甲硝哒唑处理含有梭形杆菌的癌组织，降低梭形杆菌负载，可以抑制癌细胞增殖和肿瘤生长，这也显示出抗生素在肿瘤治疗中的潜在作用[23]。
　　5.3 粪便移植 以胃肠道为例，其上定植有十分密集的微生物菌群，它们通过十分复杂的相互作用共同调节宿主的免疫和代谢，这些共生菌群中组成结构和功能的变化被认为与许多疾病的发病有关。因此单独对个别菌群的研究可能并不能解释整体菌群对疾病的预防和治疗效果，了解肠道微生物群如何影响健康、导致疾病需要将范围从注重个别病原体转变为考虑整个微生态环境，因此有了粪便移植（FMT）方面的研究。FMT已被证明是可以改善炎症性肠病、非酒精性脂肪肝、代谢综合征和神经精神障碍患者生活质量的最直接和最根本的方式。2013年FMT已被美国FDA写进临床指南，用于复发性难辨梭状芽孢杆菌感染的治疗。但是，迄今为止，FMT是否可以用来预防和缓解辐射引起的毒性仍然未知。有动物研究显示，对FMT治疗小鼠进行10 d的放射过程中观察到与常规小鼠相比更高的存活率和更弱的毒性反应，这表明FMT对辐射诱导的毒性起到保护作用[16]。我国也有类似的案例报道，一例因宫颈癌行放疗导致放射性肠炎的患者经亲属供体粪菌移植后，症状获得显著缓解[24]。 　　6 調节菌群可以调节宿主对放疗的敏感性
　　 有关调节肠道菌群从而降低放射性肠炎等放射所致的损伤的研究很多，但是关于调节肠道菌群影响放疗敏感性的研究十分有限，主要在个别比较无菌鼠与野生鼠或特定菌群鼠对放射敏感性的基础研究中有所提及。研究显示肠道微生物影响肠道包括内皮细胞和淋巴细胞在内的多种细胞的放射敏感性，对比无菌小鼠对放射的反应，发现肠道菌群可以调节小鼠的放射抗性。改变肠道菌群组成的抗生素的使用也被证实可以影响小鼠接受辐射后的死亡率[25]。并有研究比较了小鼠肠道菌群和对放射治疗的敏感性的昼夜变化，发现两者之间存在明显的相关性[26]。由此可见，肠道菌群可以影响放射敏感性，而调节菌群可能可以作为一种增加放疗效果的方式。
　　 综上所述，放射治疗可以改变靶区内外的菌群结构，造成菌群紊乱和黏膜炎症。菌群与宿主间存在复杂的相互作用，使得不同菌群特征的人对放射治疗的反应不同。在对放射性肠炎的研究过程中发现，无论是预防性或是治疗性地调节肠道菌群均可以减少腹泻和肠炎的发生。由于微生物群与宿主动物在漫长的进化历程中存在复杂的相互作用，形成了具有物种特异性的密切共生关系，因此从动物到人类的推断并不一定准确，需要更多的临床研究来证实。相信随着宏基因组测序技术的发展进步，菌群相关的临床研究将越来越便利与准确。
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　　（收稿日期：2018-11-30） （本文编辑：张爽）
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