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编译:微科盟蓝胖儿,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。
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导读
肠道微生物群特征可预测癌症治疗结果,包括抑制骨髓化疗和免疫治疗的反应,以及严重的不良事件,包括肠道源性败血症。然而,人们对化疗药物对肠道微生物群的直接影响和肠道微生物群治疗结果的潜在影响知之甚少。几十年来,人们已经知道化疗药物能抑制细菌生长。然而,很少有研究试图评估化疗对人类肠道微生物的影响。此外,这些研究中的大多数患者正在接受血液恶性肿瘤治疗,并在研究之前或研究期间接受预防性抗生素治疗。因此,这些研究不能将微生物效应仅归因于化疗。肠道微生物群影响宿主生理的许多方面,包括免疫调节,预测癌症患者的预后等。然而,传统的骨髓抑制化疗是否影响非血液系统恶性肿瘤患者的肠道微生物群(与抗生素治疗无关)尚不清楚。本研究的目的是确定在没有接触抗生素或其他可能独立干扰肠道微生物的情况下,常规骨髓抑制化疗是否会改变实体器官恶性肿瘤患者的肠道微生物群特征。
原名:Conventional myelosuppressive chemotherapy for non-haematological malignancy disrupts the intestinal microbiome
译名:非血液系统恶性肿瘤的常规骨髓抑制化疗会破坏肠道微生物群
期刊:BMC Cancer
IF:4.430
发表时间:2021.05
通讯作者:Lito E. Papanicolas
通讯作者单位:南澳大利亚健康和医学研究所
在化疗前、化疗后7-12天和第一个治疗周期结束时,对19名接受常规化疗方案但未接受抗生素治疗的非血液系统恶性肿瘤参与者的粪便样本进行检查。通过16S rRNA 基因扩增子测序确定肠道微生物群的多样性和组成。
24名患者纳入研究。5名患者无法提供化疗前样本,因此被排除在分析之外。一名患者在采集第一份化疗后样本后死亡,因此未采集最终样本。该研究由12名女性和7名男性组成,年龄范围从48岁到82岁(均值68 ± SD 8.7),各类型恶性肿瘤的患者人数及所使用的化疗类型见表1。表1 各类型恶性肿瘤的患者人数及所使用的化疗类型。
化疗前后粪便样本中每单位体积的细菌绝对数量没有变化(化疗前中位数:1.14×109细菌细胞/g粪便[IQR 2.3×109],化疗后7-12天中位数:1.6×109细胞/g粪便[IQR 1.6×109];p = 0.76)。而化疗后样品内微生物多样性(α-多样性)显著增加(图1)。观察到化疗后7-12天,细菌丰度(观察到的物种均值120 ± SD 38 vs134 ± 40个;p = 0.007)和Shannon多样性(均值6.4 ± 0.43 vs6.6 ± 0.41;p = 0.02)显著升高。细菌丰度的增加持续到化疗周期结束(观察物种均值125 ± SD 36,p = 0.02)。
图1 化疗期间配对样本α-多样性变化。a:观察物种作为细菌丰富度的量度,b:Shannon多样性指数作为细菌多样性的量度。
Pre-chemo
:基线样本(化疗前),
Post-1
:化疗开始后7-12天,Post-2一个化疗周期结束时(化疗后21天)。*:p < 0.05,**:p< 0.01,对19对受试者样本进行Wilcoxon配对符号秩检验。与化疗后相比,化疗前细菌群落的分布或离散度(β-多样性)没有显著差异(与基线相比,化疗后7-12天后PERMANOVA p = 0.99,PERMDISP p = 0.90)(补充图1),样本按参与者聚类,而非时间点(图2)。在化疗前和化疗后,参与者之间的微生物群组成没有显著性差异(化疗前平均Bray-Curtis差异0.84 ± SD 0.06,化疗后平均Bray-Curtis差异0.81 ± SD 0.06;图3,p = 0.07)。
图2 非计量多维标度(NMDS)图显示了化疗7-12天后(
Post-1
)成对样本微生物群落组成的变化。每种颜色代表一名个体参与者,化疗前样本(轮廓,浅色)与化疗后样本(无轮廓,纯色)用一条线相连。样本显示为按参与者而不是按采样时间点进行分组,化疗前和化疗后Post-1组之间PERMANOVA没有显著差异;p = 0.99。
图3 箱线图使用Bray Curtis相异指数描述了样本组中微生物组相似度的中位数、IQR和范围,其中0表示样本组成相同,1表示没有共享物种。左侧为化疗前(化疗前,未配对)和化疗后7-12天(化疗后,Post-1,未配对)队列中不同参与者样本的相似程度。这表明化疗前个体间的微生物群落差异很大,化疗后个体间的微生物群落差异仍然很大(差异程度无明显变化)。右侧描述了相同参与者的配对样本在化疗前和化疗后7-12天(化疗,配对)或健康参与者(健康,配对)在匹配采样间隔的配对样本之间的相似度。同一受试者从化疗前到化疗后7-12天的微生物群组成变化,显著小于受试者在任一采样时间点的差异(平均Bray-Curtis差异0.58 ± SD 0.14和0.81 ± SD 0.06;图3,p < 0.0001)。然而,与未接受化疗的健康参与者在相似时间点采集的样本相比,接受化疗的参与者的微生物群组成变化明显更大(平均Bray-Curtis差异0.35 ± SD 0.14和0.58 ± SD 0.06;图3,p < 0.0001)。所有化疗参与者样本的微生物群由11个菌门组成(补充图2)。我们分析了四个最丰富的门(厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门)的变化,它们共同代表样本中大多数细菌(中位数为99.3%,IQR为2.0%)。其中,革兰氏阳性厚壁菌门的相对丰度在化疗后7-12天降低(化疗前中位相对丰度为0.78,IQR为0.11 vs 0.75,IQR为0.11;p = 0.003),而革兰氏阴性门的相对丰度增加(拟杆菌门:中位数0.16,IQR 0.13 vs 0.21,IQR 0.13;p = 0.01,变形菌门:0.015,IQR 0.018 vs 0.03,IQR 0.03;p = 0.02)。在化疗周期结束时,这些门的水平与基线水平不再有显著差异(图4)。
图4 化疗对微生物组组成的影响:门相对丰度。分析了代表样品中97%细菌四个最丰富的细菌门(厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门)的相对丰度。在19名受试者中,将化疗前粪便微生物群组成(化疗前)与化疗后7-12天粪便微生物群组成(Post-1)和化疗周期结束时粪便微生物群组成(化疗后21天,Post-2)进行比较。箱形和须形描绘了四分位数范围的中间值,条形代表最小值和最大值。在属水平上,鉴定了259个单个分类群,其中95个存在于≥ 20%的样品中,并进行进一步分析(补充图3)。其中,三个属的相对丰度从基线到治疗后7-12天发生了显著变化(p < 0.05,未校正)。厚壁菌门的两个成员在相对丰度上有所减少:疣微菌科UCG-014(中位数[IQR],0.002 [0.02] vs 0 [0.004];p = 0.006)和梭状芽胞杆菌D_3_梭菌目(未命名属)(0.021 [0.07] vs 0.011 [0.05];p = 0.025),而拟杆菌门的拟杆菌属相对丰度增加(0.123 [0.11]vs 0.153 [0.11];p = 0.03)。然而,这些差异在多次测试校正后不再显著。大肠杆菌是变形菌门中最常见的人体肠道共生菌和病原体,因此选择其绝对丰度进行定量。化疗后各采样时间点大肠杆菌绝对丰度均无明显变化(log10 CFU/μL均值 ± SD:化疗前4.3 ± 1.6 vs 化疗7-12天后4.8 ± 1.6;p = 0.18,化疗周期结束时为4.6 ± 1.2;p= 0.28,图5)。
图5 使用大肠杆菌特异性qPCR测定大肠杆菌细菌的绝对丰度。在化疗前(Pre-chemo)、化疗后7-10天(Post-1)和一个化疗周期结束时(Post-2)的三个时间点,评估每克粪便(CFU/克粪便)中大肠杆菌等效菌落形成总量。圆点代表19个配对受试者样本的单个值。化疗后大肠杆菌绝对丰度的增加不显著(p = 0.18;配对t检验)。我们的研究结果与之前患者同时接受化疗和抗生素治疗的研究结果之间有较大差异,这表明在没有抗生素治疗的情况下评估化疗相关变化的重要性。我们没有观察到化疗后粪便样本中细菌绝对数量的下降,如先前报道的那样,也没有观察到α-多样性的下降。α-多样性的减少与血液恶性肿瘤患者使用抗生素独立相关,并与更差的临床结果相关,包括感染风险增加和总死亡率增加。因此,在没有抗生素治疗的情况下,化疗后肠道微生物多样性的增加是可靠的。在没有微生物群破坏驱动因素的情况下(如接触抗生素),个体肠道微生物群的组成通常会随着时间的推移保持相对稳定。然而,化疗前后微生物组成分配对分析显示,微生物组成分变异性大于预期,因为在相同时间间隔内未接受化疗的健康参与者中发生的时间变化要小得多。这表明是化疗,而不是样本的自然时间变异性导致了微生物组成的变化。我们确定了化疗的门特异性效应。处理后7-12天,厚壁菌门革兰氏阳性菌的相对丰度降低,拟杆菌门和变形菌门革兰氏阴性菌的相对丰度增加。Montassier等人曾报道过,在造血干细胞移植的化疗后,厚壁菌门相对减少,而变形菌门相对增加。而Zwielehner等人的研究表明厚壁菌门中Clostridium cluster XIVa的相对丰度下降。Viaud等人的研究也观察到了化疗后厚壁菌门丰度的降低,该研究表明,环磷酰胺对小鼠的治疗导致肠屏障的破坏、厚壁菌门丰度的降低、厚壁菌门细菌向淋巴器官的转移,以及具有抗肿瘤作用的T细胞免疫反应的激活。据报道,使用抗生素逆转这些抗肿瘤效应的能力突出了共生微生物群在触发宿主抗肿瘤免疫反应中的重要性。在该项研究中,化疗后的几天内也观察到厚壁菌门的下降,这与Viaud等人的发现相一致。因此,在接受常规化疗的患者中,厚壁菌门细菌的易位也可能在驱动抗肿瘤反应中发挥作用。厌氧共生细菌产生一系列短链脂肪酸(SCFA),包括乙酸、丁酸和丙酸。SCFA对宿主生理有多种有益作用,包括维持肠道屏障完整性、促进宿主抗肿瘤反应和抑制病原体过度生长。厚壁菌门的一系列细菌负责SCFA丁酸盐的生物合成,这是与免疫调节和宿主抗肿瘤反应最密切相关的代谢物。这些物种的减少与血液系统恶性肿瘤患者的死亡率增加有关。在本项研究中,虽然观察到厚壁菌门的丰度普遍下降,但没有发现特定的丁酸盐产生物种下降。因此,我们观察到的变化不太可能导致肠道内SCFA水平的变化。然而,如果这种趋势在几个化疗周期中持续,肠道中的SCFA平衡可能会改变,有利于丙酸生成(由拟杆菌门细菌产生),而厚壁菌门的丁酸产量较低。在本研究中观察到的变化可能会告知化疗期间发生感染的风险,此时先天免疫防御受到损害,肠上皮损伤有利于细菌移位。变形菌门,特别是肠杆菌科的致病成员,如大肠杆菌,是引起肠道感染的常见原因。本研究中观察到的变形杆菌相对丰度的增加,此前已被认为与血液学癌症患者的不良感染结果有关。在血液恶性肿瘤患者中,基线成分> 5%的肠杆菌科细菌与败血症相关,而< 10%的毛螺菌科(来自厚壁菌门)与总死亡率相关。该队列中没有参与者的粪便微生物群组成< 10%的毛螺菌科,但是一名参与者的粪便微生物群组成> 5%的肠杆菌科(化疗前为6%,化疗后7-12天为10%)。这是研究期间唯一出现败血症并死亡的参与者。这支持了一个假设,即肠道微生物群中病原体患病率增加的标记物可以作为预测其他类型癌症患者感染结果的标记物。本项研究中观察到的变化在化疗后7-12天最为明显,在这个时间点,患者中性粒细胞减少和全身感染风险增加。事实上,骨髓抑制期间宿主免疫功能的变化可能会导致微生物群的变化。同时,细菌通过肠上皮的移位可能是治疗相关的宿主抗肿瘤反应的重要介质。因此,此时肠道微生物组成可能在确定感染风险方面特别重要,在调节化疗疗效方面也很重要。这项研究的一个局限性是样本量小,包含了许多类型的恶性肿瘤,因此无法将观察到的微生物群变化与临床结果联系起来。为了进一步研究,必须通过评估更多的患者来确定化疗诱导的肠道微生物组变化和使用特定化疗方案导致不同程度骨髓抑制之间的关系。这些分析应在多个化疗周期内进行,目的是将微生物组成发生的变化与结果联系起来,包括对化疗的反应和出现不良反应(如结肠炎和败血症)的风险。与许多其他影响健康结果的变量不同,微生物群是可以改变的。例如,益生元可用于促进有益细菌的生长,有针对性的抗菌素选择性地根除致病菌,而对其他共生体的影响最小,粪便移植能够重建整个微生物群落。通过了解化疗、肠道微生物组纵向变化和临床结果之间的联系,可能更准确地预测化疗结果,并开发以微生物组为目标的干预措施,以减少感染风险和提高治疗效果。常规化疗导致化疗后骨髓抑制期间肠道微生物群特征发生显著变化。进一步的研究表明,化疗期间的微生物组变化与临床结果有关。化疗后,肠道微生物群被破坏的程度远远超过测试取样时间间隔的预期。尽管每个个体的微生物群以不同的方式发生变化,但厚壁菌门革兰氏阳性菌的相对丰度显著降低,而拟杆菌门和变形菌门中革兰氏阴性菌的相对丰度相应增加。这些变化可能增加感染的风险,但也可能代表与宿主抗肿瘤免疫反应相关的有益变化。
Cancer,微生物群,恶性肿瘤,厚壁菌门,IQR,骨髓,肠道,样本,细菌