肺微生物组与肺癌之间的相互作用 | 文献分享

原文来自：Q. Mao, F. Jiang, R. Yin, J. Wang, W. Xia, G. Dong, W. Ma, Y. Yang, L. Xu,J. Hu, Interplay between the lung microbiome and lung cancer, Cancer Letters (2017), doi: 10.1016/j.canlet.2017.11.036.

摘要

人类的微生物群通过多种途径向人体提供益处或疾病易感性。在糖尿病、肥胖症和慢性胃病等系统疾病中，常发现人体微生物体共生平衡的破坏。新出现的证据表明，微生物区系的失调也可能在多个层面上发挥重要的致癌作用，例如通过影响代谢、炎症或免疫途径。虽然肠道微生物群对消化道肿瘤的影响已被广泛探讨，但很少有研究表明肠道微生物群与肺癌之间的相互作用。最近的一些研究表明，某些微生物和微生物区系失调与肺癌的发生有关。

在这篇小型综述中，我们简要地总结了目前描述肺微生物群与肺癌的关系的研究成果。我们进一步讨论了肺微生物群在肺癌发生中的作用和影响肺癌治疗的潜在机制。更好地了解肺癌与肺微生物组之间的相互作用，可以促进肺癌早期预防和个性化治疗的创新策略的制定。

亮点

• 肺并不是无菌的，肺微生物群与肺健康有关。
• 肺微生物群与肺癌有关。
• 微生物失调可以在多个水平上改变恶性肿瘤的风险。

简介

人类微生物群落与宿主共同进化，在人体各种生物学功能中发挥着重要作用[1]。生活在人体内外的微生物(微生物群)由大约四十万亿个微生物细胞组成，数量超过了人类细胞的数量[2]。人类微生物区系的特征和相对丰度与不同的疾病状态有关。在这些不同的微生物中，许多已经被确认为与人类致癌相关的病原体。例如，幽门螺杆菌的存在，一种常见的Proteobacteria细菌，发现在上消化道，主要导致胃炎和胃溃疡，并显著增加了胃癌的风险[3]。此外，在小鼠模型中，Citrobacter rodentium感染可促进结肠肿瘤的发展[4]。近年来，随着高通量下一代测序(NGS)的发展，对人类微生物群的全谱进行了调查，数据表明，微生物群落中特定的病原体和全局变化可能通过各种生物途径，包括炎症、代谢和细胞信号途径，促进癌变并影响癌症治疗。

虽然健康个体的肺被认为是无菌的，但最近的几项研究对这一教条提出了挑战，表明了肺微生物群的多样性及其与肺部疾病和肺癌的关系[5，6]。本文简要综述了近年来肺微生物学的研究进展，肺微生物在各种肺部疾病和肺癌中的作用，以及肺微生物群促进肺癌发生的机制。

环境与肺微生物群

肺微生物群因肺取样区域的不同而不同[7]。许多观点综述表明肺内微环境的差异，如PH水平、氧分压和免疫条件等，决定了寄生在肺内的不同微生物[8，9]。因此，“地形”、生理和免疫学的多样性决定了肺微生物学的组成。

全球环境和地理变化在肠道微生物区系中起着至关重要的作用。然而，这些效应在肺微生物学中有争议。最近的一项研究表明，直径为10微米的颗粒物(PM 10)的大气浓度(g/m3)可能会影响肺微生物区系，这意味着存在着相当大的地理变化[10]。此外，PM2.5还在肺微生物群的组成中起着一定的作用[11]。地理和环境的影响改变了微生物群，反过来又影响到人类健康。例如，HosGood等人发现肺癌中肺微生物群的潜在作用可归因于家用煤燃烧暴露[12]。然而，在美国8个城市的健康受试者[13]以及英国志愿者的社区成员中，没有观察到肺微生物区系的地理变异[14]。但这些健康志愿者的下呼吸道研究仅限于西欧和北美[15]。需要更多的相关研究来证实肺部微生物群与肺癌患病率之间的关系，并根据地理变量进行调整。

微生物群和肺病

最近的一些研究表明，支气管肺泡灌洗液、痰和肺组织中存在着低密度、多样化的微生物生态系统。肺微生物区系也显示了微生物迁移和清除的动态平衡[16-18]。健康成人的肺微生物区系与口咽相似，主要的细菌门包括：Firmicutes, Proteobacteria and Bacteroidetes[13, 17, 19]。新出现的证据表明肺微生物群与肺健康之间存在复杂的相互作用。许多微生物特征(在表1中总结)与特定的肺疾病表型密切相关。

COPD

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种慢性炎症性疾病，它是由呼吸道内潜在致病微生物的定植引起的[20，21]。最近一项利用16 SrRNA测序法进行的微生物区系调查发现，全局微生物群的变化与COPD状态有关[7，22-29]。COPD患者与健康对照组在肺组织、BAL液、痰标本检测中，假单胞菌、链球菌、Prevotella和嗜血杆菌的分布差异最大。链球菌、假单胞菌和嗜血杆菌的相对丰度随COPD的加重而加重。此外，共生真菌和病毒群落已被确定为潜在的辅助因素，在COPD通过促进病原菌的生长[30，31]。

CF

囊性纤维化(CF)是由CF跨膜电导调节蛋白(CFTR)基因突变引起的一种进行性遗传病[32]。包括铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌等病原体在内的微生物已在CF肺中发现。一些研究表明，CF中的多种微生物群可能导致CF表型的变异[33-37]。一项对婴儿和儿童的纵向研究显示，CF患儿的微生物多样性降低，下气道炎症增加[35]。此外，微生物区系组成的变化可能与部分CF恶化有关，并可能有助于预测和处理CF肺恶化[33，38]。

哮喘

儿童哮喘的风险与Moraxella catarrhalis,  Haemophilus influenza, 或Streptococcus pneumoniae在下咽的丰富程度有关[39-41]。在成人中，有研究表明下气道的Proteobacteria水平与哮喘有关。进一步的研究表明，嗜中性粒细胞和嗜酸性粒细胞表型中，Streptococcus II, Gemella, Rothia和Porphyromonas的丰度明显低于嗜酸性粒细胞和贫粒细胞表型，提示气道微生物群与哮喘表型之间存在一定的相关性[43，44]。此外，在哮喘患者和对照组之间也发现了真菌类型的差异[45，46]。

特发性肺纤维化

以往的研究表明，感染原可能在急性加重期起作用，但在特发性肺纤维化(IPF)的发病机制中可能起不到作用。然而，最近的研究已经证明细菌在IPF发病机制中的作用[47，48]。用生化标记物估计时间进展(Comet)研究的相关结果分析表明，与健康人相比，IPF患者中的链球菌、Prevotella和葡萄球菌等特殊微生物的过量出现，表明链球菌和葡萄球菌的相对高丰度与IPF疾病的进展有关[49]。然而，微生物学组在IPF中的作用机制尚不清楚。

一般而言，如图1所示，肺微生物群的稳态与免疫感应和共菌群耐受之间的平衡有关[50]。宿主肺已经建立了三条主要途径来感知和抵御病原体的入侵。首先，肺泡表面活性剂覆盖在肺泡上皮细胞表面，参与肺天然免疫[51]。其次，上皮细胞层阻碍了病原体的易位。最后，分布在上皮细胞、树突状细胞和巨噬细胞表面的模式识别受体(PRRs)，包括Toll样受体(TLR)和核苷酸结合寡聚结构域样受体(NOD样受体)，具有防止病原体或代谢物超载的作用。下游炎症信号通路随后被激活，以消除病原体[53]。相反，辅助性耐受是由肺泡中的抗炎巨噬细胞通过抑制炎症途径和抑制适应性免疫反应而介导的[54-56]。

肺微生物群和肺癌

以前的研究表明，微生物群与许多恶性肿瘤有关，包括结直肠癌、胃癌、肝细胞癌和胰腺癌[57，58]。微生物群与肺癌（全世界癌症相关发病率和死亡率的主要原因）的关系[59]，许多流行病学研究都对此进行了研究，发现结核分枝杆菌(TB)与肺癌[60]之间存在着显著的关系。根据先前的研究，这两种疾病的流行病学联系是由慢性炎症相关癌变机制解释的[61]。一个可能的原因是结核杆菌持续感染会导致TNF的产生并导致肺部炎症。此外，肺结核引起的肺纤维化还导致细胞外基质(Ecm)合成，参与了肺癌的发生发展。反过来，肺癌患者化疗后免疫功能受损，增加了结核病感染的风险。此外，局部肿瘤肽，抗原，甚至放射治疗可能导致肉芽肿微环境放松管制，允许结核分枝杆菌增殖[62]。两项发表的Meta分析还表明，结核病是肺癌的一个危险因素[61，63]。

然而，越来越多的证据显示，全局微生物群的变化在肺癌的发展中起着核心作用。一般而言，非恶性肺组织的α多样性(数量丰富度)和分布[均匀度]在非恶性肺组织中明显高于肿瘤肺组织。β多样性(不同样本间微生物群落的多样性)在非恶性肿瘤组织和肿瘤组织之间没有显著差异[10，64]。然而，与对照病例相比，癌症病例中的几个分类群已被证明是丰富的。Laroumagne等人通过对216例支气管镜标本的分析，发现Haemophilus influenzae、肠杆菌和大肠杆菌等革兰氏阴性菌在肺癌中具有定植性。HosGood等人对中国妇女口腔和痰标本进行了研究，发现肺癌患者与健康对照者相比，肺癌患者的Granulicatella, Abiotrophia和链球菌属均富集[12]。此外，在使用烟煤做饭和取暖的情况下，肺微生物区系的α多样性高于在痰样本中使用无烟煤的情况。相反，在口腔样本中没有发现明显的差异[12]。

严氏的研究表明，鳞状细胞癌和腺癌患者的Capnocytophaga、Selenomonella、Veillonella和Neisseria与正常人相比有显著的改变。另外，Capnocytophaga和Veillonella这两种细菌生物标记物在预测鳞癌(SCC)和腺癌(AC)方面表现出良好的效果，这可能有助于肺癌筛查[66]。此外，根据Lee等人的研究，肺癌患者的BAL液中有两个门(Firmictutes和TM7)和两个属(Veillonella和Megasphaera)比较丰富。在肺癌患者中，吸烟者中的Firmicutes与Bacteroidetes细菌的比例明显高于不吸烟者。值得注意的是，在COPD和肺癌患者中，TM7门的数量都有所增加，表明TM7可能在COPD向肺癌的转化中发挥潜在作用。Megasphaera和Veillonella的结合，在预测肺癌方面显示出显著的高AUC值，可作为肺癌的生物标志物[68]。

由于肺活检在健康人体中是不道德的，因此在研究领域中通常采用唾液、痰、支气管镜标本和BAL液的分析，作为类似于肺部微生物群变化的替代方法。然而，由于这些替代地点的样本可能含有来自上呼吸道的污染[9]，对肺组织的分析可以更准确地评估肺癌中的微生物群。Yu等人发现，在健康人群中，肺微生物区系是独特的，与消化道微生物区系不同。此外，肺癌组织中的α多样性低于正常组织，在其他呼吸道疾病中也有发现。此外，腺癌与鳞状细胞癌相比，系统发育多样性较高，相对丰度增加，相对丰度下降，提示微生物群与癌组织有关。进一步的分析表明，军团菌在转移病例中含量很高，提示军团菌可能通过多种途径参与肿瘤的进展[10]。

另一项重要研究报告表明，肺癌患者的微生物多样性与对照组相比明显减少，24例单侧叶包块肺癌患者和18例健康对照者的α多样性从健康部位到非癌变部位逐渐下降。在属层次上，链球菌在癌症病例中的含量明显高于对照组，且具有中等的分类潜力，而葡萄球菌在肺癌中的分布则更为丰富，表明微环境的变化与肺癌的发生发展有关。然而，到目前为止，大多数研究都是横断面的，而且只在适度的样本范围内进行。需要进一步的大规模研究来验证肺癌患者的微生物生物标志物或微生物疗法。

微生物群与癌变的可能机制

微生物群失调

宿主与微生物群之间的共生关系是建立在多层次屏障和免疫传感系统的基础上的[70，71]。一旦屏障缺陷或免疫缺陷，微生物组分和细菌易位就会发生扰动，导致微生物组与上皮细胞或免疫系统之间的相互作用[72，73]。这可能会促进失调和随后的连锁反应，导致癌变。其他因素，如炎症信号激活，饮食改变，感染和NOD 2缺乏症，也可能导致失调[74-76]。微生物群的失调导致共生微生物的减少和炎症诱导细菌的增加，从而导致多水平的致癌。

许多研究已经提出并研究了微生物群介导癌变的潜在机制；结果表明，微生物区系失调在多个水平上调节恶性肿瘤的易感性，包括遗传毒性和毒性效应的增加，代谢改变，免疫反应和促炎症(如图2所示)。

遗传毒性和毒力效应

活性氧(ROS)已被前几篇报道确认为介导DNA损伤反应。最近的研究表明，微生物区系的失调会改变活性氧水平，从而引起DNA损伤反应和癌变。细菌毒素，如细胞膨胀毒素(CDT)、细胞毒性坏死因子1、脆弱杆菌毒素等，被鉴定为引起双链DNA损伤反应的介质[74，77-81]。此外，细菌驱动的硫化氢和超氧自由基被发现是基因组不稳定的原因[82]。此外，核梭杆菌分泌的FAD A通过与E-cadherin[83]相互作用，调节catenin信号通路。关于毒性效应，Burns等人发现，大肠癌微环境中的毒力相关细菌基因富集，这可能依赖于Fusobacterium和Providencia的基因组[84]。

代谢

微生物群已被证明参与调节宿主代谢，这与解毒、激素和胆汁酸的产生以及营养和维生素水平有关[85]。以前的研究报告说，细菌微生物群有助于生成乙醛，乙醛是一种重要的致癌物质[86，87]。此外，脱氧胆酸(DCA)，一种肥胖引起的肠道微生物代谢物，有助于与肥胖相关的肝细胞癌的发展[88，89]。此外，最近的研究发现，膳食纤维可以促进肠道微生物群发酵短链脂肪酸[90，91]。SCFAs具有抗炎作用，降低结肠癌和乳腺癌的发病率[92，93]。

炎症

炎症途径的激活，如微生物相关分子模式(MamP)或PRR信号，不仅能感知微生物群的状态，还能促进癌症的发展。越来越多的证据表明，TLRs的激活在结肠癌、胃癌、肝癌和胰腺癌的发生中起着核心作用[94-96]。TLR 4基因敲除可抑制小鼠癌变。TLR的致癌作用是通过激活核因子-κB(NF-κB)通路和信号转导子和转录激活因子3(STAT 3)来促进恶性细胞存活[97]。有趣的是，与癌症相关的TLR调节增加了特定感染的易感性，从而通过增加某些TLRs的表达来促进致癌过程[98]。

此外，微生物区系在髓系细胞中诱导MYD 88，触发IL-23信号，促进肿瘤的进展和肿瘤IL-17反应的发展[99，100]。最近的一项研究表明，IL-17C缺乏会促进肺癌模型的生长和转移[101]。NLRs是另一个位于细胞膜上的PRRs亚家族。NLRs启动了一系列的防御机制来对抗入侵细菌。Nod 1发挥保护作用，是阻止炎症向致癌过渡的屏障[102]。NOD 2在微生物学区系的调控中起着重要作用，降低了CRC[103，104]的易感性。NOD 2基因在小鼠体内被敲除，导致细菌超载和炎症反应。此外，小鼠NLRP 6缺乏降低了IL-18的产生，增加了大肠癌的易感性[105]。在NLRP 12缺乏的小鼠身上也发现了类似的结果，它在微生物体的失调和癌变中起着重要的作用[106]。

免疫反应

微生物群在整个生命周期内对适应性免疫的形成起着重要的作用。因此，微生物群如何调节癌症的免疫反应的中心作用必须引起注意。肠毒素性脆弱类杆菌(ETBF)通过选择性T辅助性17型(Th17)反应激活STAT 3，提示人类共栖细菌可通过Th17依赖途径诱发癌症[107]。此外，激活肿瘤相关微生物区系和TLR信号刺激活化T细胞(NFAT)因子的钙调神经磷酸酶和核因子的表达，维持肿瘤干细胞的存活和增殖[108]。另一项研究表明，微生物衍生丁酸可通过激活叉头盒P3(FOXP 3)和G蛋白偶联受体[109-111]来扩大调节T细胞的池。此外，病理微生物群促进COPD患者上皮细胞IL-17C的表达，从而促进肿瘤微环境中中性粒细胞炎症的生长[101]。

肺微生物学组与肺癌的联系机制的研究尚处于初步阶段。慢性肺部炎症，如慢性阻塞性肺病，被定义为肺癌的危险因素[112]。最近的研究揭示了肺微生物群变异在肺癌发生发展中的作用。RJungnickel等人发现，慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者由非典型流感嗜血杆菌(NTHi)等异常细菌诱导的上皮细胞因子IL-17C通过增加中性粒细胞炎症而介导细菌的促肿瘤作用。因此，IL-17C促进肿瘤相关炎症和肿瘤增殖[101]。另一项研究表明，吸烟暴露和NTHi联合可促进肺癌的转移生长和增殖，这是由于吸烟引起的细菌易位[113]。此外，IL-6通过促进COPD样炎症而在肺癌中发挥重要作用[114]。此外，微生物诱导的Th17细胞可促进肺癌细胞增殖和血管生成[115]。是维持宿主免疫稳态的关键。程等人证明，在小鼠模型中，共生微生物群参与了γδT17细胞对肺癌的反应[116]。

展望

一些初步研究为我们提供了肺微生物组与肺癌之间相互作用的初步概述。然而，许多问题仍有待回答，目前对肺癌的了解远远少于其他癌症，如胃癌和结肠癌。在肺微生物学和肺癌研究中面临的主要挑战包括：首先，众所周知，吸烟、接触各种致癌物、空气污染、家族史等多种危险因素都是肺癌易感性的因素。然而，目前几乎没有任何含有大量样本的肺微生物学研究，这在统计上足以调整多变量分析中许多重要的癌症混淆危险因素。对于未来的研究，一个国家/国际研究联盟必须建立一个标准化的样本收集和处理协议，对细菌装载量进行量化，并建立NGS测序分析管道，以便对肺癌与肺微生物群之间的相互作用进行比较分析和元分析。

其次，目前肺微生物学研究缺乏对采样类型和环境污染的系统偏差进行适当调控的研究。用不同的标本类型，如肺组织、痰、支气管镜标本和BAL液来表示肺微生物群可能会有问题，而且仅仅由于取样偏差，结果就会不同。此外，某些样品类型含有来自口腔部位的环境污染物，口腔微生物可通过口腔进入支气管镜。在避免口腔污染方面，肺活检可能优于其他样本类型。此外，对于一些低生物量肺样本类型，如BAL液和肺活检，即使是低环境污染的样本也可能是PCR或NGS结果的主要成分。因此，避免取样污染在肺微生物学研究中具有重要意义。在一个典型的样本收集过程中，肺样本应该使用无菌试剂和设备收集。然而，在实验室的实践中，从这些样品中获得绝对无污染的dna/rna是一项艰巨的任务。为了过滤那些可能来自试剂和设备污染的信号，空白试剂/工具也应作为系统控制纳入分析。

第三，需要更多的假设驱动的研究来探讨肺微生物群与肺癌之间的因果关系。例如，肠-肺轴的存在及其对慢性肺病(如COPD、CF和哮喘)的潜在影响，已被多项研究提出[117]。然而，肠道微生物群可能影响肺癌发展的潜在机制仍有待于研究。

相关阅读