肿瘤微环境的不速之客：癌症中的微生物组
Unexpectedguestsinthetumormicroenvironment:microbiomeincancer
作者：AbigailWong-Rolle1,HaohanKarenWei2,ChenZhao1*,ChengchengJin2*
*通讯作者:chen.zhao
nih.gov(C.Zhao),Chengcheng.JinPennmedicine.upenn.edu(C.Jin)机构：
1.ThoracicandGastrointestinalMalignanciesBranch,NationalCancerInstitute,NationalInstitutesofHealth,Bethesda,USA
2.DepartmentofCancerBiology,PerelmanSchoolofMedicine,UniversityofPennsylvania,Philadelphia,USA
翻译：余莉
校对：李丹宜
摘要
虽然肠道微生物组已经被证实是癌症发展和治疗反应的重要生物标志物和调节因子，但其他身体部位的微生物组在肿瘤中的作用知之甚少。越来越多的证据显示，局部微生物群是肿瘤微环境的重要组成部分，尤其是粘膜部位（包括肺部、皮肤和胃肠道）的癌症。肿瘤中存在的细菌群具有肿瘤类型特异性，机制研究表明肿瘤相关微生物群可直接调节肿瘤发生、发展和对化疗或免疫治疗的反应。本文就肿瘤组织中的微生物群及其在肿瘤发生和治疗中的作用和作用机制进行综述。
关键词：微生物组，肿瘤，肺癌，免疫系统，肿瘤相关微生物群，癌症免疫治疗
引言
共生微生物组包含的独特基因至少是人类宿主基因的倍。虽然人类共生微生物群的主要栖息地是肠道，但微生物遍布全身，包括皮肤、口腔、呼吸道和生殖道。这些共生微生物影响很多重要的生理功能，包括代谢和免疫系统。这种由人类宿主和微生物共生体组成的超级有机体，可感知环境信号并相应地进行适应。宿主和微生物之间的复杂相互作用可延伸至癌症中；微生物与20%的人类恶性肿瘤有关。共生细菌直接影响肿瘤发生、发展和治疗反应。小鼠肠道共生菌群的破坏可影响肿瘤对免疫治疗和化疗的反应。在癌症患者中也观察到这种肿瘤治疗反应对肠道微生物组的依赖性。抗生素治疗与对免疫检查点抑制剂的应答降低有关，而某些肠道细菌菌株的存在或丰度的增加与更好的治疗结果相关。目前已有综述文章论述了肠道微生物组在调节胃肠道及远端部位的癌症中的系统性作用。本文就荷瘤组织中的微生物群——尤其是肿瘤内微生物的作用，进行综述。
不同解剖部位分布的共生微生物群是不同的。荷瘤组织中的共生微生物群是肿瘤微环境的重要组成部分，在局部范围内影响肿瘤的发生和发展。此外，肿瘤内的细菌群具有肿瘤类型特异性，提示与肿瘤发生有关。最近的一项研究中，Nejman等人对7种癌症类型的多个肿瘤进行了分析，发现不同类型肿瘤的瘤内和细胞内的微生物组成是不同的；进一步的分析揭示出微生物代谢途径和临床特征之间的相关性。荷瘤组织中的共生微生物的作用与肿瘤内或肿瘤相关微生物的作用，两者之间的区别并不明确，由于技术上的挑战，两者之间的区别也不容易区分。本文综述了癌组织中微生物群，以及它们在不同类型的癌症中对肿瘤发生和进展的作用（表1）。
表1癌组织中的微生物群概述，以及它们在不同类型癌症的肿瘤发生和肿瘤进展中的作用
作用机制
肿瘤内微生物与癌症发展之间的联系已经得到相关证实，主要有3种潜在的作用机制（图1）：1）通过增加突变直接促进肿瘤发生；2）调节致癌基因或致癌通路；3）通过调节宿主免疫系统减少或增强肿瘤进展。
图1.微生物与肿瘤细胞的相互作用。
荷瘤组织中的微生物群落和肿瘤内的微生物都与癌症有关，但它们的确切作用尚不完全清楚。目前存在三种主要机制来解释局部微生物如何影响癌症的发生和进展：直接促进DNA损伤和突变增加（左上角），激活致癌信号通路（右上角），通过与宿主免疫系统的相互作用来减少或增强肿瘤的发生和发展（下方）。
很多微生物产生的化合物可导致DNA损伤、细胞周期停滞和基因不稳定，在肿瘤微环境中出现这种微生物将会直接增加肿瘤组织的突变。一些大肠杆菌和其他肠杆菌科的细菌通过pks位点产生的colibactin，就是证明微生物具有直接促进肿瘤发生的潜力的一个例证：colibactin可引起DNA损伤，从而促进结直肠癌的发生。
除了对DNA的直接损伤，共生微生物产物可参与到宿主的致癌通路。有研究显示，共生微生物上调或激活导致肿瘤发生的通路，如Wnt/β-catenin。β-catenin信号的改变促进癌基因c-Myc和CyclinD-1等转录，促进肿瘤发生和进展。据报道，在胃癌和结直肠癌中，局部共生菌群可激活或调节β-catenin蛋白。
共生微生物群的免疫调节作用及其对癌症发生和进展的影响已经被充分证明。在健康状态下，共生菌与宿主免疫系统的相互作用处于平衡和稳态。宿主免疫系统对共生微生物群耐受，对潜在的有害病原体作出适当的反应。然而，扰乱这种平衡和微生物组的失调，能导致促进肿瘤起始和进展的微环境产生。很多研究显示，局部菌群的失调导致慢性促炎免疫反应，促进癌症生长。例如，微生物可激活NF-κB，NF-κB是癌症相关炎症的重要调控因子。除了炎症，局部微生物还能通过抑制抗肿瘤免疫反应，调控局部免疫监视。在结肠癌病人和肺癌小鼠模型中都观察到这种免疫抑制作用，表明局部共生微生物群可能是癌症治疗的潜在靶点，不过这需要进一步的研究。
肺癌
肺是人体表面积最大的粘膜部位，也是与外界环境的主要接触面，同时面临着微生物暴露和环境刺激。虽然传统上认为肺是无菌的，但是现在认为肺中有各种各样的微生物。肺是无菌的观点来源于无法从下呼吸道样本中培养细菌。然而，随着不依赖于培养的16SrRNA测序技术的出现，发现肺中存在多样的微生物种群。肺部微生物群不同于肠道和皮肤。在健康的肺中，普氏菌属、链球菌属、韦永球菌属、奈瑟氏菌属、嗜血杆菌属和梭杆菌属是最丰富的细菌属。肺中微生物是由新细菌的迁入、机械性和免疫性清除以及局部环境条件下的复制等决定的。肺部微生物群在慢性阻塞性肺病（COPD）和囊性纤维化等肺部疾病中处于失调状态。越来越多的人类和小鼠的研究表明，细菌失调和肺癌具有关联性。
癌症中，肺癌是癌症相关死亡的主要原因，也是第二常见的癌症类型，肺癌导致的死亡占美国癌症死亡人数的四分之一。据估计，90%的肺癌与吸烟有关，而吸烟、空气污染和其他致癌物都是确定的危险因素，虽然确切的病例机制尚不清楚。尽管存在争议，但吸烟者的肿瘤内和细胞内细菌分类群，显示出香烟烟雾中化学物质的降解途径的富集，表明肿瘤内微生物群与癌症病因学之间存在关联。普遍上看，肺部共生菌群与癌症相关。例如，Yu等人发现栖热菌属丰度的增加与晚期癌症相关，*团菌属与肿瘤转移相关。此外，与肺癌患者的非恶性肺部组织相比，肿瘤组织的细菌群落α多样性减少。尽管方法和样本各不相同，其他的研究同样观察到肺癌相关的特定细菌类群的富集和多样性的降低。非恶性组织和肿瘤组织之间的差异指向一个问题：肿瘤相关的微生物群，特别是肿瘤内微生物群，在肺癌的发生和发展中起什么作用？
肺部微生物群可直接影响肺癌细胞的生长。关于局部共生微生物在癌症发生和发展中的作用，我们提出了三个主要机制，其中调节局部免疫环境和致癌途径都与肺癌有关。肺微生物群的失调可能通过特定的微生物成分促进致癌途径的改变。Greathouse等人报道，TP53与肺部微生物群失调之间存在关联。在鳞状细胞癌的肺活检标本中发现食酸菌属的富集；在TP53突变鳞状细胞癌患者的肺活检标本中，存在食酸菌属的进一步富集，更多的机制分析需要进一步探索。Tsay等人分析诊断性支气管镜的气道刷检查结果，与对照组相比，肺癌患者气道内口腔来源的菌群增加，特别是链球菌和韦永球菌属。口腔来源菌群的增加与PI3K和ERK上调有关。体外实验中，将气道上皮细胞暴露于韦永球菌属、普氏菌和链球菌属，也导致了ERK和PI3K通路上调。PI3K通路被认为参与调控肺癌发生的早期事件，因此共生菌群失调通过上调该通路促进癌症发生。
肺部微生物群可改变免疫微环境，促进肿瘤进展。慢性炎症与癌症紧密相连；细胞因子、趋化因子和其他促炎因子促进肿瘤生长和传播。由于肺部广泛地暴露在外界环境中，是免疫-微生物互作的重要部位，肺部驻留的免疫细胞维持肺的稳态平衡。Jin等人在原位小鼠模型中证明，微生物-免疫互作在促进炎症和肺癌发展中具有重要作用。他们发现，与健康的肺相比，荷瘤的肺组织中富集了特定的细菌分类群，比如草螺菌属和鞘脂单胞菌科，而健康的肺中富集其他的细菌类群，如Aggregatibacter和乳杆菌属。局部细菌负荷的增加和肺部微生物群组成的改变，刺激髓系细胞的依赖于Myd88的IL-1β和IL-23生成。这些细胞因子诱导Vy6+Vδ1+γδT细胞活化和增殖，产生IL-17，促进炎症和中性粒细胞浸润。此外，这些γδT细胞产生IL-22和其他效应分子，促进肿瘤细胞增殖。无菌（GF）小鼠或抗生素治疗小鼠的肺癌生长显著降低，表明共生细菌显著促进肺癌的发展。同样，LeNoci等人利用雾化抗生素证明，细菌生物量的减少通过T细胞和NK细胞的活化、免疫抑制性Treg细胞的减少，来增强抗肿瘤免疫反应。此外，益生菌鼠李糖乳杆菌可克服免疫抑制，抑制肺部肿瘤的植入，并且抗生素和益生菌治疗均可减少肿瘤转移。总之，这些发现表明，局部微生物通过调控局部免疫反应，在肺癌发展中起关键作用，且靶向肿瘤相关微生物群或是肺癌预防和治疗的潜在途径。
胃肠道癌症
结直肠癌
胃肠道含有人体内绝大多数的共生微生物，宿主和微生物群之间的双向互作已经成为肿瘤进展和各种胃肠道癌症治疗反应的关键。
许多研究证明了共生细菌在结直肠癌中的作用。机制上，肠道微生物群通过在宿主体内引起双链DNA损伤，或通过激活Wnt/β-catenin等致癌信号通路，或通过模式识别受体上调NF-kB信号通路以促进炎症，从而促进突变发生。例如，利用无偏差基因组分析首次鉴定出梭杆菌属与结直肠癌具有相关性。随后的研究进一步证实结直肠癌中有具核梭杆菌和相关厌氧菌的持续定植。Bullman等人利用体内和体外的人源性结直肠癌异种移植模型，发现具核梭杆菌促进肿瘤细胞增殖或肿瘤生长。能够解释这一发现的可能机制是，具核梭杆菌的粘附分子与癌症细胞或免疫细胞的表面基序结合，导致下游致癌或免疫抑制信号激活。其他与结直肠癌相关的共生细菌包括产肠*素的脆弱拟杆菌（ETBF）和表达聚酮合酶基因岛的大肠杆菌（pks+E.coli）。pks+E.coli衍生的colibactin导致DNA烷基化，生成DNA加合物，导致结肠上皮细胞的DNA损伤。Dejea等人利用FISH和微生物培养分析，发现ETBF和pks+E.coli共定植可加速结肠癌的发生，增加结肠癌小鼠模型的死亡率。此外，包被肿瘤的ETBF可招募其他细菌和免疫细胞到达肿瘤部位，并促进IL-17介导的炎症。有趣的是，最近的一项研究发现，远端肠道（回肠和结肠）的肠道微生物群将突变型p53从肿瘤抑制作用转变为致癌作用。
除肿瘤发生外，肿瘤内微生物群在调节肿瘤治疗反应中起着重要作用。例如，在化疗后复发的大肠癌患者的肿瘤组织中发现了大量的具核梭杆菌。Yu等人发现，具核梭杆菌通过下调microRNAs（miR-18a和miR）激活自噬通路，促进化疗耐药性。研究肿瘤内微生物对CD47靶向肿瘤免疫治疗的影响，Shi等人发现结肠双歧杆菌在肿瘤部位聚集，通过STING通路促进局部抗CD47的治疗。
其他胃肠道癌症
胰腺癌是最致命的癌症之一，预后极差，5年生存率仅为8%。传统的观点认为胰腺是无菌的，然而新的证据揭示出肿瘤内微生物的存在及其对胰腺癌进展和治疗效果的影响。Geller等人偶然发现，76%的人类胰腺导管腺癌（PDAC）样本为细菌阳性，其中γ-变形菌纲是主要的分类群。15例新鲜的人PDAC样本中，14例的细菌培养物能够导致测试的人结肠癌细胞系对化疗药物吉西他滨产生耐药。Pushalkar等人发现，在基因工程小鼠的胰腺肿瘤中，部分细菌（其中45%为变形菌）的丰度增加。这些肿瘤内细菌通过依赖于TLR的方式导致T细胞无反应性，并且将PDAC小鼠的粪便菌群进行选择性或全部的移植，可加速肿瘤的进展，而移植野生型小鼠的菌群则不会。除了细菌外，肿瘤内真菌——例如胰腺癌中的球形马拉色菌，通过依赖于结合甘露糖的凝集素的方式，促进肿瘤发生、生长和吉西他滨耐药。另一方面，据报道一些肿瘤内微生物群可以提高抗肿瘤免疫。例如，Riquelme等人发现，肿瘤内细菌假*单胞菌属、糖多孢菌属、链霉菌属的丰度对胰腺癌患者的长期存活具有高度预测性，并且在长期存活的患者中观察到肿瘤微生物组的组成整体上更加多样化；肿瘤中更加多样化的微生物群有利于CD8+T细胞的招募和活化，从而促进抗肿瘤免疫应答。此外，Balachandran等人发现，免疫细胞浸润的增强与长期存活者肿瘤内新生抗原MUC16的存在有关，研究者推断肿瘤内微生物组可能增强相关新生抗原的免疫识别。
食管癌中，食管癌组织中具核梭杆菌的存在与不良预后相关。机制上，Yamamura等人发现，具核梭杆菌以依赖于趋化因子（尤其是CCL20）的方式，促进Treg淋巴细胞的肿瘤浸润，从而促进肿瘤的侵袭。
稳态条件下，共生菌存在于胃肠道中，那么一个重要的问题是肿瘤相关细菌的起源。胰腺癌和肝癌的发生与肠道微生物群的失调和错位有关，这与胰腺、肝脏和肠道之间存在持续相互作用的假说相一致。Geller等人提出，PDAC相关细菌可能来源于胃肠道细菌的逆行定植。Pushalkar等人揭示出细菌从肠道迁移到胰腺的证据，以及肠道失调和PDAC中Kras激活之间的时间依赖性关联。肠道菌群失调也可以直接促进胰腺的致癌通路。源于长期存活的PDAC患者的共生微生物群，具有增强免疫浸润和抗肿瘤免疫的能力。Bullman等人发现结直肠癌肝转移瘤中，具核梭杆菌的相对丰度显著高于原发性肝细胞癌。这些器官之间存在的相互作用，提示我们需要弄清楚在胰腺癌和肝癌中观察到的肿瘤内微生物组的起源，并且探究远端肠道或局部癌组织中微生物组对癌症相关免疫反应的相对贡献。
皮肤癌
人类皮肤上定植了大量微生物，每平方厘米约有万的细菌和数百种不同的种属。与身体其他部位一样，皮肤微生物群的组成发生变化与癌症具有相关性。对比正常和黑色素瘤猪的皮肤微生物群，发现黑色素瘤样本中富含梭杆菌属和Trueperella。在一项细胞培养研究中，一株皮肤共生微生物——表皮葡萄球菌对皮肤癌有保护作用。这株表皮葡萄球菌可产生6-N-羟基氨基嘌呤，抑制DNA聚合酶活性，从而抑制肿瘤细胞的增殖。皮肤癌中，研究人员开始研究宿主免疫系统、局部微生物群落和癌症之间的关系。Hoste等人利用创伤诱导的皮肤癌小鼠模型，来研究皮肤微生物群促进炎症和肿瘤发生的机制。在皮肤微生物存在的情况下，敲除几种先天免疫感知器如TLR-5可防止肿瘤发生，同时炎症与肿瘤发生率具有相关性。抗生素治疗抑制肿瘤形成同样依赖于TLR-5。更好地了解皮肤微生物群在皮肤癌中的作用是必要的，有助于进一步深入了解组织特异性微生物群在癌症发生、发展和潜在治疗中的不同作用。
其他癌症
除了上述主要的粘膜器官外，阴道微生物群也与宫颈癌有关。除了粘膜部位肿瘤中存在组织驻留的共生菌，其他类型的癌症中也发现了肿瘤内细菌，包括乳腺癌、卵巢癌、骨癌和多形性胶质母细胞瘤（GBM）。虽然相关实验证据非常有限，但这些癌症和不同的肿瘤内微生物之间具有相关性。Nejman等人发现，卵巢癌、骨癌和GBM中存在肿瘤内细菌。不同类型的癌症中，肿瘤内细菌具有不同的微生物群落组成和代谢功能。此外，不同的细菌特征和乳腺癌的亚型有关，与之前的研究结果相一致。在所有检测的癌症类型中，乳腺癌相关微生物群的多样性和丰度最高。重要的是，研究通过从新鲜乳腺组织中分离出细菌和荧光标记的D-丙氨酸，证实了肿瘤组织存在具有代谢活性的细菌。
总结与讨论
作为肿瘤微环境中调节肿瘤进展和影响癌症预后的一个关键因子，微生物群正受到越来越多的