22种癌症相关消化道菌群：筛查、诊断和预后标志物
在生物医药界，肠道微生物群是癌症治疗革命的后起之秀。
就在过去5年中，“Oncomicrobiome”（肿瘤菌群）一词开始用来指代这一炙手可热的研究课题。科学家们正逐渐接受这一事实：生活在人类消化道中、数以万亿计的细菌、真菌、病毒等微生物，也许是一个免疫肿瘤学的新靶点，具备为癌症患者开发新疗法的潜力。
事实上，各大顶级医学期刊所发表的小鼠和人类实验报告，已经初步揭示了肠道菌群在癌症中的作用。
比如，肠道菌群帮助对抗肿瘤：
2013年，Zitvogel的研究小组发现，化疗药物环磷酰胺会破坏肠道的黏液层，使一些肠道细菌进入淋巴结和脾脏，从而激活特定的免疫细胞。而对于那些使用抗生素消灭肠菌的小鼠来说，这种药物基本上失去了抗癌作用。
两年后他们于《Science》发表的报告进一步发现，给予小鼠口服脆弱拟杆菌Bacteroides fragilis，能够提升它们对癌症免疫治疗药物（检查点抑制剂）的响应。
随着癌症免疫疗法的爆炸性增长，科学家们也正在更细致地研究肠道微生物群如何与抗癌药物相互作用，以及我们应该如何利用这些作用。
其中，最惊喜的一些发现，来自肠道菌群作为“癌症筛查、诊断和预后标志物”的潜力。
值得注意的，除了结直肠癌之外，肠道微生物群的变化对一些远端器官癌症（比如肝癌、胰腺癌）也具有显著效应。
可筛查结直肠癌的细菌：P. anaerobius，F. nucleatum等
（1）P. anaerobius，F. nucleatum
P. anaerobius 和 F. nucleatum菌与结直肠癌（CRC）存在确定的已知关联。
机制研究发现，F. nucleatum菌可通过招募浸润性免疫细胞和激活β-连环蛋白信号增强CRC的发生。
F. nucleatum菌的基因标记可以对粪便免疫化学试验（FIT）起到补充作用，与FIT相结合，在检测CRC和晚期腺瘤方面具有更高的准确性和敏感性。
2012年，温哥华BC癌症中心等机构的科学家们通过对99名受试者的定量pcr分析证实：跟对照组相比，CRC肿瘤样本中的F. nucleatum菌存在明显的过度表达，并且与淋巴结转移呈正相关。
也有报道称，F. nucleatum菌的丰度与患者生存率呈负相关，它作为CRC预后生物标记物的潜力也正在上升。
2017年，香港中文大学的于君等人证实，两个细菌的基因标记物（F.nucleatum菌的丁酰辅酶A脱氢酶，以及P. micra菌的RNA聚合酶β亚单位rpoB）的定量pcr丰度，可清楚地将一支中国独立队列中47例CRC患者和109名健康对照组区分开来：
两个基因标记的定量pcr丰度
该研究还报告了CRC微生物基因标记在4个国家首次成功的跨种族验证。
（2）两种细菌仅在CRC早期增加
2019年6月，日本国立癌症研究中心和东京工业大学、大阪大学等机构的研究人员，对616名参与者进行了粪便宏基因组研究。他们发现，CRC患者的肠道微生物群存在2种独特的发展模式，且各个阶段的变化非常明显：
从粘膜内癌到晚期CRC，F. nucleatum菌的相对丰度一路升高；
但Atopobium parvulum 和 Actinomyces odontolyticus 这两种菌，仅在多发性息肉样腺瘤和/或粘膜内癌（都是CRC发展的早期阶段）中显著增加。
研究提示了使用这两种细菌作为粪便筛查标志物的潜力。
（3）CRC中存在高丰度的ETBF菌和一些口腔菌群
2006年，马尔马拉大学医学院的研究人员调查了73例结直肠癌患者和59例对照组粪便标本中产肠毒素脆弱类杆菌 Enterotoxigenic B. fragilis（ETBF）丰度，首次证实结直肠癌患者中ETBF菌丰度增加（38%，健康对照组12%） 。
另外，2017年，爱尔兰科克大学分析了99例CRC患者、32例息肉患者和103例健康人的口腔拭子、结肠粘膜和粪便微生物群发现，与对照组相比，CRC中也存在多种高丰度的口腔菌群，如 Streptococcus 和 Prevotellas pp.菌。
他们为此开发了一种基于口腔和粪便微生物群的分类器，可将患有CRC和腺瘤的个体与健康对照组区分开来。值得注意的是，这一分类器对腺瘤的鉴别能力要高于传统检测方法。
CRC患者与健康人的口腔微生物群差异具备统计学意义
肝细胞癌：30个最能准确反映肝癌进程的微生物标记物网络
2018年7月，中国浙江大学医学院和郑州大学第一附属医院的研究人员于BMJ子刊《Gut》发文称，利用肠道菌群可构建肝细胞癌（HCC）早期诊断筛查模型。
他们收集了华东、华中和西北地区的486份来自健康人、肝硬化患者、早期肝癌患者粪便样本对其中419份样本进行了Miseq测序，发现在早期HCC患者中，丁酸盐生产菌——包括Ruminococcus, Oscillibacter, Faecalibacterium, Clostridium IV 和 Coprococcus 菌减少；而脂多糖产生菌——包括Klebsiella 和 Haemophilus 菌增加。此外：
与肝硬化相比，早期HCC中Actinobacteria放线菌门明显增多；
与肝硬化相比，早期HCC共有13个属（包括Gemmiger、Parabacteroides和Pararevotella）富集；
与对照组相比，早期HCC中Verrucomicrobia状疣菌门减少；
与对照组相比，HCC有12个菌属（包括Alistipes, Phascolarctobacterium 和 Ruminococcus菌属）明显减少，而6个菌属（包括 Klebsiella 和Haemophilus菌属）明显增加。
根据测序结果，研究小组构建了一个随机森林模型，其中包含了30个最能准确反映HCC进程的微生物标记物。
这个模型筛查早期HCC的AUC值达到了80.64%，并且对早期和晚期HCC的筛查都同样有效，值得在更大的样本中进一步验证。
30个微生物标记物网络
筛查胰腺癌的细菌：P. gingivalis，Neisseria elongata，Streptococcus mitis等
（1）P. gingivalis
牙周病、口腔健康差，是已知的胰腺癌风险因素。2016年，纽约大学佩尔马特癌症中心的研究人员在两个前瞻性队列（361例胰腺癌和371例对照）的漱口液样本中，利用细菌16S测序分析了口腔微生物群的组成。他们发现：
携带口腔病原体，牙龈卟啉单胞菌Porphyromonas gingivalis和放线菌Aggregatibacter，与胰腺癌风险增加相关；
Fusobacteria菌门及其菌属Leptotrichia与低风险相关。
与胰腺癌相关口腔细菌的鉴定，提高了对胰腺癌病因的科学认识。这些口腔细菌也有望作为非侵入性生物标记物，帮助识别胰腺癌高危人群。
（2）Neisseria elongata 和 Streptococcus mitis 菌的联合应用
2011年，加州大学洛杉矶分校大卫格芬医学院的研究人员，同样在唾液微生物群中，观察到了胰腺癌患者的特别之处。他们发现：
两种细菌（Neisseria elongata 和Streptococcus mitis菌）在癌症患者的口腔中出现的频率明显低于健康同龄人，而Granulicatella adjacens菌的水平则显著更高。
研究人员报告，联合使用N elongata 菌和 S mitis菌作为生物标记物，在区分胰腺癌患者和健康受试者方面，其敏感性和特异性分别为96.4%和82.1%。
（3）胰腺导管腺癌（PDA，约占胰腺癌的9成）相关微生物
2019年8月，来自德克萨斯大学安德森癌症中心、德克萨斯南方大学和以色列魏茨曼科学研究所的研究小组发现，通过肿瘤微生物群特征，可以预测PDA患者的长期存活情况：
与短期存活者相比，长期存活者的肿瘤菌群多样性更多，丰度相对较高的3种菌分别为：Pseudoxanthomonas、Saccharropolyspora和Streptomyces。在小鼠实验中，这3种细菌显示能促进免疫浸润和T细胞活化，改善肿瘤免疫微环境。
另外，这三种菌联合克劳氏芽孢杆菌Bacillus Clausii，可以作为PDA患者预后的预测指标——当这4类菌存在，那么患者也会拥有更好的生存机会。
点图跳转：《Cell重磅：肿瘤微生物断生死，粪菌移植逆天改命，缩小肿瘤、活化免疫、抗癌续命》
不久前《Nature》发表的一项重磅研究同样揭示了真菌在胰腺癌发展中的重要作用。
2019年10月，纽约大学研究团队发现，在PDA患者的胰腺中，真菌定植增加了约3000倍，尤其是马拉色菌属Malassezia显著富集。
而采用广谱抗真菌药物（amphotericin B）治疗小鼠，可在30周内使PDA肿瘤重量减少20%-40%，并提高化疗缩小肿瘤的能力。这意味着，改善特定人群的微生物群落，或将极大助力PDA这种致命癌症的治疗。
点图跳转：《Nature破解癌王生长关键：真菌由肠道入侵胰腺，定植增加3000倍，富集Malassezia菌 》
胃癌：H. pylori ；包括 P. stomatis 在内的口腔菌群
（1）H. pylori
幽门螺杆菌H. pylori已是公认的慢性胃炎、消化性溃疡、胃癌等疾病的重要发病因子。早在20世纪90年代，科学家就已首次将H. pylori菌与胃癌（GC）联系起来。
H. pylori菌是已知的胃癌最严重的危险因素，也是全球第二大癌症相关死因。与我们在本篇文章中提到的大多数细菌不同，这一结论有大量流行病学、临床和实验研究的支持，我们不再赘述。
不过，只有3%的H. pylori感染者最终发展为胃癌，这提示我们胃癌的发生是一个多因素、多步骤的复杂过程。
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（2）包括P. stomatis, P. micra 和 F. nucleatum在内的口腔微生物群
在GC中，幽门螺杆菌属于被研究得最透彻的细菌，但除此之外，是否还存在其他标志物呢？
2018年6月，香港中文大学的研究团队于《Gut》发文，定位了可促进胃癌的几种黏膜细菌：与浅表性胃炎相比，GC患者有21个细菌类群显著增加，10个细菌类群显著减少。分析显示，它们与疾病进展的相关性很强。
在GC微生物生态网络中，研究人员观察到口腔微生物P. stomatis, Streptococcus anginosus, P. micra, S. exigua 和 D. pneumosintes占据网络的显著中心位置，它们可以用作区分GC和浅表性胃炎的生物标志物。
GC富集菌和GC缺失菌的相关强度，随疾病进展而增加
GC标记物占据网络的显著中心位置
微生物群在癌症化疗中的重要角色
（1）化疗药物要发挥最佳效果，需要完整的肠道微生物群
2013年美国国立癌症研究所发表于《Science》的一则研究表明，微生物群对于激活对肿瘤的固有免疫反应非常重要。
在lida等人的实验中，微生物被破坏后，可能会损害皮下肿瘤对奥沙利铂的反应。肿瘤治疗要产生最佳反应，需要一个完整的共生菌群，通过调节肿瘤微环境中的髓样细胞功能来调节其作用。
（2）CRC组织中的 F. nucleatum菌与化疗后癌症复发有关
在2017年7月的《Cell》，上海仁济、上海交大等机构的一项研究调查了肠道微生物群对化疗耐药的作用。
他们发现，F. nucleatum菌可通过toll样受体和天然免疫信号，激活自噬途径，产生抗化疗作用。这种细菌在CRC肿瘤组织中的存在，与化疗后的复发有关。F. nucleatum 菌及其相关通路的检测和靶向研究，对CRC的治疗具有重要意义。
微生物群如何影响免疫治疗效果
（1）口服双歧杆菌，改善小鼠黑色素瘤
2015年，芝加哥大学的研究人员于《Science》发文称，肠道微生物群可影响PD-L1抗体治疗小鼠黑色素瘤的抗肿瘤反应。而双歧杆菌似乎与抗肿瘤作用密切相关，口服双歧杆菌可以改善肿瘤控制，就像PD-L1阻断剂一样。
（2）微生物作为免疫疗法应答的预测因子
在《Science》刊登的有关转移性黑色素瘤的2项研究中，研究人员发现了抗PD-1治疗的强微生物预测因子。
在第一项研究中，Gopalakrishnan等人分析了接受抗PD-1治疗的转移性黑色素瘤患者的肠道微生物群，发现对该疗法有响应的患者，粪便中有大量Faelibacterium菌属，而无反应的患者粪便中有大量的其他Bacteroidales菌目。
在第二项研究中，Matson等人观察到包括长双歧杆菌Bifidobacterium longum在内的微生物物种的数量增加，与抗PD-L1反应密切相关，而 Ruminococcus obeum 和 Roseburia intestinalis 两种细菌与免疫治疗无效有关。
在《Science》刊登的另一则有关非小细胞肺癌、肾癌和尿路上皮癌患者肠道微生物群的研究中，作者观察到同时使用抗生素与抗PD-1治疗反应之间存在负相关。与无应答者相比，对抗PD-1治疗有良好应答者的粪便微生物群，存在丰度升高的Akkermansia muciniphilia菌，而口服Akkermansia muciniphilia菌可增强IL-12依赖的抗癌作用。
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这些研究共同表明，细菌与PD-1阻滞剂的抗癌作用之间存在令人兴奋的相互关系，人体微生物组有必要成为精准用药策略中的一部分。
结语
微生物在癌症中的作用越来越受到重视。在实验室之外，许多研究者也正在联合商业力量推进这种可能性。
宾夕法尼亚州匹兹堡大学的免疫学家Hassane Zarour，正在与默克公司合作，从接受检查点抑制剂治疗的应答患者的粪便中分离细菌，并尝试将它们转移到无应答者的肠道。
与这项工作类似，帕克研究所的科学家们也在测试一种含有产孢细菌的药物，这些细菌是从应答病人的粪便中纯化出来的。他们将测试粪菌移植（FMT）能否重塑无应答者的肠道微生物群。
微生物在至少20%的癌症中都扮演着重要角色。它们与癌症的复杂关联，不仅彻底改变了科学家们既往对于癌症生物学的认识，而且为癌症的预防、诊断、预测和治疗开辟了新的机遇。
参考资料
[1]Giorgia Guglielmi, How gut microbes are joining the fight against cancer, Nature, 23 MAY 2018, DOI: 10.1038/d41586-018-05208-8
[2]Wong et al., Clinical applications of gut microbiota in cancer biology, Seminars in Cancer Biology, April 2019, DOI: 10.1016/j.semcancer.2018.05.003
[3]Yu et al., Metagenomic analysis of faecal microbiome as a tool towards targeted non-invasive biomarkers for colorectal cancer, Gut, September 25, 2015, DOI: 10.1136/gutjnl-2015-309800
[4]Toprak et al., A possible role of Bacteroides fragilis enterotoxin in the aetiology of colorectal cancer, Clinical Microbiology and Infection, August 2006, DOI: 10.1111/j.1469-0691.2006.01494.x
[5]Flemer et al., The oral microbiota in colorectal cancer is distinctive and predictive, Gut, October 7, 2017, DOI: 10.1136/gutjnl-2017-314814
[6]Ren et al., Gut microbiome analysis as a tool towards targeted non-invasive biomarkers for early hepatocellular carcinoma, Gut, July 25, 2018, DOI: 10.1136/gutjnl-2017-315084
[7]Fan et al., Human oral microbiome and prospective risk for pancreatic cancer: a population-based nested case-control study, Gut, October 14, 2016, DOI: 10.1136/gutjnl-2016-312580
[8]Farrell et al., Variations of oral microbiota are associated with pancreatic diseases including pancreatic cancer , Gut, October 12, 2011, DOI: 10.1136/gutjnl-2011-300784
[9]Coker et al., Mucosal microbiome dysbiosis in gastric carcinogenesis, Jun 2018, Gut, DOI: 10.1136/gutjnl-2017-314281
[10]lida et al., Commensal Bacteria Control Cancer Response to Therapy by Modulating the Tumor Microenvironment, Science, 22 Nov 2013, DOI: 10.1126/science.1240527
[11]Yu et al., Fusobacterium nucleatum promotes chemoresistance to colorectal cancer by modulating autophagy, Cell. 2017 Jul 27; 170(3): 548–563.e16.
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