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直肠癌是最常见的消化系统肿瘤之一，全球每年新发病例超70万，且其中30%为局部晚期患者，生存预后差[1]。
新辅助放化疗（nCRT）联合手术切除是局部晚期直肠癌的一线治疗方案[2]，但治疗效果存在很大的异质性，仅有15%-27%的患者经nCRT治疗后可达到病理学完全缓解，20%-40%的患者甚至对治疗完全无响应[3]。
因此，明确局部晚期直肠癌对新辅助放化疗耐药的机制已成为直肠癌治疗领域需迫切解决的关键问题。
新辅助放化疗主要通过破坏肿瘤细胞的DNA复制抑制其增殖，肿瘤细胞对放化疗的敏感性很大程度上取决于DNA同源重组和链间修复的能力，而DNA修复则会受到微环境中各种代谢因素的影响[4]。
作为宿主代谢的主要参与者，肠道菌群可调控癌症对治疗的敏感性。有研究表明，肠道菌群的组成与局部晚期直肠癌患者对nCRT的治疗反应有着密切联系[5]，然而具体机制仍不清楚。
近日，由北京大学肿瘤医院詹启敏、王维虎领衔的研究团队在Cancer Cell发表了一项重要研究成果。
这项研究通过16S rRNA、宏转录组和代谢组学分析发现，普通拟杆菌（Bacteroides vulgatus）介导的核苷酸合成通过促进肿瘤细胞的DNA修复减弱了局部晚期直肠癌对nCRT的反应，且尿酸可作为预测直肠癌患者nCRT治疗反应的生物标志物[6]。
总之，这项研究从宿主-肠道微生物相互作用的角度揭示了局部晚期直肠癌对新辅助放化疗耐药的机制，并鉴定出了可预测其治疗反应的生物标志物。
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为明确局部晚期直肠癌患者行nCRT后对其肠道微生物的影响，詹启敏团队纳入了126名接受nCRT的局部晚期直肠癌患者，分别在治疗开始后2周、治疗结束后3天内和治疗结束后2个月时收集353份粪便样本行16S rRNA测序、宏基因组和代谢组学检测（图1），并发现粪便微生物的多样性在放化疗后显著降低。
图1. nCRT对粪便微生物群影响的实验设计
为明确nCRT治疗对微生物群的影响，研究人员比较了nCRT治疗前后微生物群的变化，发现拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）发生了显著改变，其中拟杆菌在nCRT治疗之前的样品中显著富集，而厚壁杆菌在nCRT治疗之后的样品中显著富集（图2）。
图2. nCRT治疗前后对微生物群的影响
为进一步探究粪便微生物群变化与nCRT治疗反应之间的关系，研究人员首先根据NCCN肿瘤退缩分级指南和治疗客观响应将患者分为应答组（n=84）和无应答组（n=32）。结果发现，在nCRT治疗后的样品中，普通拟杆菌在无应答组中富集度排名第一，表明普通拟杆菌可能与结直肠癌对nCRT的治疗反应有关。
随后，詹启敏团队深入分析了宏转录组数据，对应答组和无应答组之间代谢产物丰度进行了分析，结果发现核苷酸合成相关的模块在nCRT治疗后的无应答组中显著富集，且代谢组学表明nCRT治疗后的无应答组中核苷酸生物合成相关的底物丰度明显升高。
为探明导致粪便代谢物变化的微生物物种，他们对微生物组和代谢组数据进行了无偏倚综合分析，发现这些与核苷酸合成相关的代谢物是受拟杆菌属调节，进一步分析表明，普通拟杆菌在核苷酸从头生物合成途径中起主导作用。
图3. 普通拟杆菌介导了nCRT治疗后的核苷酸生物合成
然后，詹启敏团队发现向结肠癌细胞中补充外源性核苷可降低5-氟尿嘧啶及放射治疗诱导的细胞死亡，使用布喹那（Brequinar）或霉酚酸（mycophenolic acid）阻断核苷酸从头合成则可大幅降低肿瘤细胞的存活率。
此外，他们通过核苷转运蛋白抑制剂（NBMPR）阻断了核苷摄取，并发现NBMPR可降低外源性核苷加入导致的肿瘤细胞对氟尿嘧啶及放射治疗的抗性，证实外源性核苷可帮助肿瘤细胞躲避放化疗的“追捕”。
图4. 外源性核苷补充剂可增强癌细胞对放化疗的抵抗
接下来为探明结直肠癌中普通拟杆菌介导的核苷酸合成对放化疗治疗效果的影响，詹启敏团队将MC38细胞接种到小鼠盲肠肠壁，构建了原位结直肠癌模型，发现普通拟杆菌灌喂可显著减弱5-氟尿嘧啶对结直肠癌的治疗效果，而这种减弱可以被NBMPR逆转。
这一结果再次证明了普通拟杆菌介导的核苷酸生物合成可以帮助肿瘤细胞抵御5-氟尿嘧啶治疗造成的损伤。
图5. 普通拟杆菌对小鼠肿瘤生长的作用
既往研究表明血清中的尿酸会随核苷酸生物合成活性的变化而变化，于是詹启敏团队想知道尿酸是否可以作为预测nCRT疗效的生物标志物。
在分析了2205份血清样本后，詹启敏团队发现，与对nCRT治疗有反应的患者相比，对nCRT治疗无反应的患者血清尿酸水平更高，且治疗后血清尿酸水平每增加1μM，预后不良的风险就会增加0.46%，ROC曲线表明，以尿酸为指标预测直肠癌nCRT疗效的AUC值为0.732。
综上所述，这项研究提出了一种肠道微生物和肿瘤放化疗相互影响的现象，揭示了肠道普通拟杆菌可通过介导核苷酸合成促进直肠癌nCRT治疗耐药的分子机制，并据此寻找到可预测nCRT治疗效果的生物标志物，对直肠癌精准治疗有着很高的指导意义。
参考文献:
[1] Smith JJ, Garcia-Aguilar J. Advances and challenges in treatment of locally advanced rectal cancer. J Clin Oncol. 2015 Jun 1;33(16):1797-808. doi: 10.1200/JCO.2014.60.1054.
[2] van Gijn W, Marijnen CA, Nagtegaal ID, et al. Preoperative radiotherapy combined with total mesorectal excision for resectable rectal cancer: 12-year follow-up of the multicentre, randomised controlled TME trial. Lancet Oncol. 2011 Jun;12(6):575-82. doi: 10.1016/S1470-2045(11)70097-3.
[3] Minsky BD, Cohen AM, Kemeny N, et al. Enhancement of radiation-induced downstaging of rectal cancer by fluorouracil and high-dose leucovorin chemotherapy. J Clin Oncol. 1992 Jan;10(1):79-84. doi: 10.1200/JCO.1992.10.1.79.
[4] Xu D, Shao F, Bian X, et al. The Evolving Landscape of Noncanonical Functions of Metabolic Enzymes in Cancer and Other Pathologies. Cell Metab. 2021 Jan 5;33(1):33-50. doi: 10.1016/j.cmet.2020.12.015.
[5] Yi Y, Shen L, Shi W, et al. Gut Microbiome Components Predict Response to Neoadjuvant Chemoradiotherapy in Patients with Locally Advanced Rectal Cancer: A Prospective, Longitudinal Study. Clin Cancer Res. 2021 Mar 1;27(5):1329-1340. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-20-3445.
[6] Teng H, Wang Y, Sui X, et al. Gut microbiota-mediated nucleotide synthesis attenuates the response to neoadjuvant chemoradiotherapy in rectal cancer. Cancer Cell. 2022 Dec 7:S1535-6108(22)00560-8. doi: 10.1016/j.ccell.2022.11.013.
责任编辑丨张金旭