综述 | 同济大学医学院&附属上海市肺科医院：微生物在肺癌开始、治疗和结果中的作用:是福还是祸？（国人佳作，上）

编译：微科盟听雪斋，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

由于诊断延迟和对常规治疗的反应率较低，肺癌在5年间总生存率约为20%。微生物群，包括宿主微生物群和外来致病微生物群，已被调查与肺癌的发生、治疗和预后存在复杂而矛盾的关系。据流行病学证据，某些宿主微生物群和病原体感染的紊乱与肺癌的风险相关，抗生素（ATBs）可能显著损害抗癌治疗效果，包括化疗和免疫治疗。然而，益生菌和微生物介导的药物是增强常规抗肿瘤治疗的潜在方法。此外，益生菌和微生物介导的药物是增强常规抗肿瘤治疗效果的潜在途径。因此，了解微生物对肺癌的复杂双重作用，有助于取其精华，去其糟粕。本综述提供了与肺癌相关的微生物群或微生物成分的当前趋势和进展。

论文ID

原名：Microbes in lung cancer initiation, treatment, and outcome: Boon or bane?

译名：微生物在肺癌开始、治疗和结果中的作用：是福还是祸？

期刊：Seminars in Cancer Biology

IF：15.707

发表时间：2021.5.21

通讯作者：何雅億，杨洋

通讯作者单位：同济大学医学院，同济大学附属上海市肺科医院

DOI号：10.1016/j.semcancer.2021.05.025

综述框架

主要内容

1. 前言

肺癌是发病率和死亡率最高的一种。一般来说，85%的肺癌是非小细胞肺癌（NSCLC），而小细胞肺癌（SCLC）占肺癌的15%。确诊后，大多数肺癌患者病情恶化到晚期，错过了手术切除的时机。因此，包括化疗、靶向治疗和免疫治疗在内的药物治疗已被用作不可切除肺癌的一线治疗。然而，由于肿瘤干细胞样细胞（CSCs）的肿瘤异质性，耐药性已被报道为癌症治疗中最无法克服的问题。因此，准确的筛查和精确的治疗是战胜肺癌的关键途径。 先进的测序方法和分析技术加深了我们对人类微生物群和微生物组（定义为微生物的遗传物质）的理解。人类微生物群被定义为人体内10–100万亿的共生微生物，其中大部分是参与消化和吸收的肠道细菌。大量研究调查了人类微生物群与疾病之间的相互作用，特别是癌症。   除了宿主微生物群外，外来致病微生物群也是一个关键因素，可能介导肿瘤发生并双重损害癌症治疗。例如，爱泼斯坦-巴尔病毒（EBV）、人乳头瘤病毒（HPV）、人T细胞淋巴瘤病毒1（HTLV-1）、卡波西肉瘤病毒（KSVH）和默克尔细胞多瘤病毒（MCPyV）被归类为最终致癌病原体。同时，一些病原体具有裂解肿瘤细胞的能力，而抗生素（ATB）反过来阻碍了抗肿瘤治疗的效果。   在这篇综述中，我们从头到尾总结了微生物群对肺癌的影响。换句话说，我们讨论了肺癌形成、治疗和预后中的宿主微生物群和外来致病微生物群。此外，我们还就这些相互作用如何促进肺癌的早期诊断、精确医学和疾病预防提供了一个视角。

2. 肺癌患者体内的微生物

正常微生物群是指定植于人体皮肤、粘膜和口腔、气道、肠道等各种体腔的微生物群，在正常情况下对人体无害。此外，正常微生物组在人体内发挥着重要的生理功能，包括对抗外来病原体、合成营养素和刺激免疫。显然，感染、营养和免疫与癌症的发生和发展密不可分。因此，分析肺癌患者和健康人之间微生物组成的差异是揭示微生物与肺癌之间因果关系的第一步。

2.1 口腔微生物群

口腔是有700多种细菌的器官，仅次于肠道  。肺癌患者唾液或口腔冲洗液中的二氧化碳嗜纤维菌属、韦荣氏球菌属和厚壁菌门浓度明显高于健康人。相比之下，肺癌患者口腔冲洗液和痰液样本中螺旋体门和拟杆菌的丰度降低。这些在肺癌患者和健康人群之间的口腔微生物群的差异有望成为未来识别肺癌的非侵入性生物标志物。

2.2 气道微生物群

越来越多的研究支持采用先进的无创采样方法检测气道中的微生物群。肺癌患者和健康人之间的微生物组相似，但大豆根瘤菌仅在肺癌患者中检测到。然而，肺癌患者下呼吸道内的微生物丰富度和群落多样性低于健康人，同时细菌DNA负荷增加。从支气管肺泡灌洗液（BALF）中检测到多种细菌，包括艾肯菌（6.3%）、孪生球菌（8.9%）、欧陆森氏菌（6.3%）、卟啉单胞菌（7.6%）、链球菌（41.8%）和韦荣氏球菌（11.4%），它们可能来自口腔细菌。另一项研究也报道，肺癌患者的BALF中的巨球型菌和韦荣氏球菌比健康人的多。然而，普雷沃氏菌在肺癌患者中所占比例相对低于良性肺结节和健康人群（9.65%、7.98%，7.26%）。  除宿主微生物外，BALF中还发现病原菌，包括革兰氏阴性杆菌（39.8%）；  肠杆菌属、大肠杆菌、流感嗜血杆菌、分枝杆菌（0.9%）和白色念珠菌（13.9%）。 肺癌患者的支气管样本刷牙样本中链球菌和奈瑟菌的含量丰富，而健康患者和非癌症样本中葡萄球菌和链球菌的含量较高。特别是在链球菌中，肺癌患者痰液中的绿色链球菌显著高于非肺癌患者。此外，支气管链球菌丰度是中央型肺癌筛查和诊断的特异性工具 (敏感性=90.9%，特异性=83.3%，药物的生物利用度=0.897)。  值得注意的是，样本来源和病理已被报道为检测气道微生物群的重要因素。 虽然BALF和痰液是最常用的样本类型，但BALF微生物组与肺癌组织更相似。此外，变形菌门在BALF中比在痰中更容易检测到，这表明BALF可能是研究肺癌微生物群的更好的样本。同一研究还总结了一个结论：肺癌患者BALF的主要微生物群因病理特征而不同。在肺腺癌 (LUAC) 患者中，韦荣氏球菌、巨球型菌、放线菌、Arthrobacter更多，而嗜二氧化碳嗜纤维菌、罗斯氏菌、变形杆菌门在肺鳞性细胞癌 (LUSC) 患者中水平更高。同样，另一项生物信息学研究揭示了LUAC和LUSC中独特的丰富的微生物群。大肠杆菌K-12亚株W3110在老年LUAC患者中表达异常，而恶臭假单胞菌KT2440在年轻男性LUSC患者中是独特的。

2.3 肺微生物群

健康肺部是无菌环境的概念已被推翻，检测到与口腔微生物组相似的细菌，其主要门为普雷沃氏菌、韦荣氏球菌、链球菌。口腔和肺部微生物组之间的另一个相互作用是：肺微生物群的丰富度随着距离口咽的距离的增加而降低。这两个特征支持了肺部微生物来自微吸入这种治疗方法。 尽管正常肺中存在微生物群，但据报道肺癌组织中的微生物群组成和丰富度与正常肺中的不同。癌组织中微生物组的丰富度和多样性低于配对健康肺组织（P≤ 0.0001)。此外，正常组织而非肿瘤组织中的微生物群对肺癌患者的预后起着关键作用。令人惊讶的是，正常组织中较高的丰富度和多样性表明无复发生存期（RFS）和无病生存期（DFS）较短，而特定微生物的丰度进行了更复杂的调控。高丰度的克氏菌延长了RFS和DFS，而高丰度的类杆菌科、毛螺菌科延长了RFS和DFS，疣微菌科降低了RFS或DFS（P<0.05）。 至于肺癌组织中的微生物群，不同疾病状态下的优势种则不同。热菌在三期和四期肺癌组织中含量丰富，军团菌在转移性疾病中检测到更多。总的来说，在切除的肺癌组织中也检测到巨细胞病毒 (CMV)，这是术后呼吸并发症的一个潜在预测因子。

2.4 肠道微生物群

肠-肺轴的概念被提出来说明肺部和肠道微生物群与免疫之间的双重影响（图1）。一般来说，这种串扰途径是由免疫细胞迁移和微生物成分通过淋巴和循环系统介导的。当完成抗原呈递过程时，树突状细胞（DC）应该迁移到肠系膜淋巴结或肺淋巴结，以启动成熟的幼稚T细胞和B细胞。活性B细胞进一步分化为浆细胞并分泌免疫球蛋白G（IgG）和IgA。特定类型的T细胞，如作为分化簇4（CD4）+T细胞、辅助T细胞1（Th1）的集群，Th17和调节性T细胞（Treg）也会在肺部之间相互转换以及通过淋巴管和血管进行肠道免疫。 在此过程中，C-C基序趋化因子受体6（CCR6）、α4β7（肠归巢整合素）和CCR9（肠归巢整合素）将T细胞招募到肠道，而CCR4（肺归巢整合素）将T细胞引导到肺。有趣的是，一项体外研究证实，肺树突状细胞刺激T细胞上α4β7和CCR9的表达，这是肠肺轴的良好证据。此外，微生物片段，如存活的细菌，部分死亡细菌和短链脂肪酸（SCFA）与细胞因子或趋化因子（即白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α和干扰素-γ一起从肠系膜淋巴结逃逸到肺淋巴结。因此，肠-肺轴是基石，在此基础上，肠道微生物群在肺癌免疫中发挥了重要作用。 最近，研究从肺癌患者和健康人的粪便中检测到肠道细菌，其组成存在显著差异。肺癌患者的粪便中类杆菌、梭杆菌、蓝藻、螺旋体和豆状芽孢杆菌的含量更为丰富，而肺癌患者的厚壁菌和疣状芽胞菌含量明显低于健康人（P<0.05）。此外，特异性肠道细菌的含量也与中性粒细胞淋巴细胞比率（NLR）、IL-12、IL-17和T淋巴细胞相关抗原-4的可溶性形式（sCTLA-4）显著相关，这是预后炎症指标。有趣的是，最近的研究并未发现肠道微生物群的显著微生物多样性（α多样性）和组成（β多样性）存在差异。在同一项研究中，肺癌患者的放线菌门和双歧杆菌属丰度较低，肠球菌水平较高。所有这些差异都是肺癌诊断和预防的潜在生物标志物。对于非小细胞肺癌，肠道丁酸产生菌显著减少，包括细梭状芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌簇I、玫瑰杆菌属、瘤胃球菌属、梭状芽孢杆菌簇XIVa和Faecalibacterium prausnitzii，这是一个有效的诊断指标。

综上所述，肺癌患者和健康人的微生物群丰度、丰富度和多样性各不相同，尤其是在气道、肺和肠道（表1）。这些差异对于肺癌的无创、方便性和诊断性生物标记物是有效的，这可能适用于未来的大规模肺癌筛查。这一推测最初在结直肠癌（CRC）中得到证实，发现肠道微生物群在结直肠癌中随肿瘤发生动态变化。Joseph P. Zackular等人通过注射化学致癌物偶氮甲烷（AOM）和注射2%右旋糖酐硫酸钠（DSS），构建了小鼠结直肠癌模型。随着DSS治疗轮数从一轮减少到三轮，肿瘤和上皮增生急剧增加，微生物肠道微生物组的多样性（逆辛普森指数）显著降低（P<0.001）。另一种由1，2-二甲基肼诱导的小鼠“腺瘤-癌序列”结直肠癌模型证明了变形杆菌门的丰度从炎症到过度增殖、腺瘤和癌逐渐减少。Jun Zhou等人使用了一种果蝇肠道肿瘤模型，该模型最初通过7天（T7）消耗co-Smad-Medea（Med）和Schnurri（Shn）来建立，这两种分子参与了提高CRC风险的途径。所有这些带有T7的果蝇被进一步分为进展组[持续表达（T14）]和恢复组[停止表达Shn或Med RNAi转基因（T7+7）]。基于该模型，他们发现醋酸杆菌科和乳酸杆菌的水平在T7和T14组中显著升高，但在恢复组T7+7中显著下降。所有这些结果表明，在结肠肿瘤发生过程中，肠道微生物群的变化具有时间依赖性。然而，专注于肺癌过程中微生物组变化具有时间依赖性的类似研究很少。如上所述，Hai-Xia Liu等人揭示了链球菌、奈瑟菌、葡萄球菌和Dialister从健康组织到癌旁组织和肺癌组织的显著梯度变化。因此，这一结论在肺癌中还没有得到充分的证实，因为没有直接证据报道来表明在肿瘤发生过程中微生物组的时间依赖性变化，这需要在将来进一步验证。

图1. 肠肺轴的概念。沉降到肠粘膜的微生物群和微生物成分或产物被DC吞噬并转移到肠系膜淋巴结（MLN），以刺激T和B细胞的成熟和激活。此外，这些免疫细胞及其产生的细胞因子可以在归巢受体（CCR4、CCR6、CC9、α4β7）的引导下，通过淋巴循环和循环，迁移到肠粘膜或肺结节。此外，存活的微生物或微生物产物，如短链脂肪酸，也可以通过血液或淋巴管迁移到肺部。当吸入气道时，这些微生物受到上皮屏障和进一步免疫反应的保护，如CCL17或CCL20引入的巨噬菌体和Th17。同时，含有细胞因子和微生物成分的活化免疫细胞也可以从肺结节迁移到MLN或肠粘膜，与MLN向肺转移的方式相同。趋化因子（C-C基序）配体，CCR；C，C基序趋化因子受体；CD，分化簇；树突状细胞；干扰素；免疫球蛋白；白细胞介素，白细胞介素；转化生长因子；Th，T辅助细胞。

表1 肺癌患者中检测到的微生物。

BALF，支气管肺泡灌洗液；CMV，巨细胞病毒；DFS， 无病生存率；LUAD，肺腺癌；LUSC，肺鳞状细胞癌；NSCLC，非小细胞肺癌；PCR，聚合酶链反应；qPCR，定量聚合酶链反应；RFS，无复发生存率；rRNA，核糖体核糖核酸。

注: $↑: 与对照组相比，肺癌患者或病例的微生物群增加；↓: 与对照组相比，肺癌患者或病例的微生物群减少。*本研究是一个系统的回顾。

3. 微生物群与肺癌风险

通过微生物的病原体相关分子模式（PAMP）和种系编码模式识别受体（PRR）结合导致的炎性细胞和细胞因子是肿瘤微环境中的重要组成部分。此外，宿主微生物失调和外来病原体都可能通过提高活性氧（ROS）水平而成为氧化DNA损伤的促进剂，活性氧主要来源于吞噬细胞上表达的多蛋白电子转移酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶（NOX2）复合物。因此，宿主微生物群的微生物感染和失调与肿瘤的发生和发展密切相关。本节将展示宿主微生物群和外来病原体与肺癌风险相关机制的流行病学和实验室证据。

3.1 口腔感染

肺癌患者口腔微生物的种类和丰度不同，提示牙周疾病可能与肺癌的发生有关。然而，这一假设仍然存在争议。临床研究【风险比：1.33；95%置信区间（CI）：1.07− 1.65】和荟萃分析（风险比：1.24；95%置信区间：1.13− 1.36）发现牙周病后患肺癌的风险增加，而另一项研究未发现牙周病与肺癌之间存在任何关联（风险比：0.96；95%置信区间：0.46–1.98）。

3.2 呼吸道微生物群与感染

一系列的微生物感染是肺癌发生的决定性因素。如上所述，肺癌患者下呼吸道中特定微生物的丰富程度比正常人更高，这与癌基因的升级有关。Jun Chieh J Tsay揭示气道上皮细胞暴露于链球菌和韦荣氏球菌参与细胞外信号调节激酶（ERK）和磷酸肌醇3-激酶（PI3K）信号传导。LUSC组织中检测到另外五个属与肿瘤蛋白p53（TP53）突变密切相关，包括食酸菌属，克雷伯氏菌属、红育菌属、丛毛单胞菌和Polarmonas属。这些菌属与野生型相比，具有显著更高的水平。最近，研究表明，肺共生微生物群可以通过刺激髓细胞依赖的IL-1β和IL-23和激活肺常驻的Vγ6+Vδ1+γδT细胞来促进肺癌的发展。

值得一提的是，吸烟引起的下呼吸道（肠杆菌属、Acidimicrobiales_norank、Caulobacteraceae_Unclassified genus) 而不是上呼吸道的改变，下呼吸道的改变损害了呼吸、免疫细胞活动，包括Th细胞(Th1/Th2/Th17)、CD4+CD25+Treg、CD8+T细胞、B细胞和记忆T/B淋巴细胞、树突状细胞、巨噬细胞和自然杀伤细胞 (NK细胞)。同时，香烟烟雾诱导的肺屏障损伤有助于细菌易位到肺肿瘤组织，并进一步促进肿瘤生长。

荟萃分析发现肺炎衣原体感染增加了肺癌的风险性（优势比：2.07；95%置信区间：1.43-2.99），肺癌患者血清IgG阳性率高于健康人（OR：2.22；95%置信区间：1.41–3.50）。在匹配年龄和性别后，有肺炎球菌肺炎史的人群的肺癌患病率也高于无肺炎球菌肺炎史的人群【风险比（RR）：3.25；95%置信区间：3.09–3.42】。根据一系列证据，肺结核是肺癌的重要危险因素，其发病率高11倍（26.3与2.41/10000人年相比）。

  值得注意的是，除了肺癌的发生外，感染中的病原体也可能导致癌症的转移和复发。骨形态发生蛋白2（BMP2）是一种重要的生长因子和形态发生素，通过促进癌细胞增殖和血管生成与肺癌的形成和转移相关。Shan Jiang等人发现支原体感染刺激了BEAS-2B细胞（永生化人支气管上皮细胞）和A549细胞（肺腺癌细胞），产生更丰富的BMP2，这有助于转移。最近，研究具有代表性的肺癌患者的痰液和切除的癌组织进行了16S基因测序，并建立了复发相关的BALF微生物组特征（对数秩检验P<0.001；风险比：14.5）。

3.3 肠道微生物群

肠肺轴的概念引起了对肠道微生物诱发肺癌的关注。Simon C Chow提出了大肠杆菌可能通过toll样受体4（TLR4）信号传导促进肺癌细胞粘附、移动和转移，具有以下表型：抑制TLR4（依立托仑）、p38丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）（BIRB0796）和ERK1/2磷酸化（PD184352）。此外，根据体内实验，大肠杆菌在两周后也能引起肝癌转移。总之，TLR4是感染诱导肺癌转移的有效治疗靶点。基于早期肺癌患者肠道微生物组的患者鉴别指数（PDI）保持了诊断和预测的准确能力【受试者工作特征曲线下面积（AUC）=92.4%；在试验队列中AUC=67.7%】。

3.4 全身感染

除了局限在一个器官内的感染外，一些系统性传染病也会导致肺癌。令人惊讶的是，尽管HPV被认为是宫颈癌的主要原因，但HPV感染与肺癌高风险的相关性也存在（OR：5.67；95%置信区间：3.09–10.40）。此外，与腺癌相比，HPV16/18感染与LUSC的相关性更高（OR：9.78；95%置信区间：6.28–15.22）（OR：3.69；95%置信区间：0.99–13.71）。然而，这种相关性缺乏因果证据。最近，人类免疫缺陷病毒（HIV）感染者中肺癌的高发病率引起了极大的关注，这可能归因于吸烟、免疫抑制（如CD4+淋巴细胞计数低于200的最低点）、肺部感染（如获得性免疫缺陷综合征（AIDS）肺炎），以及潜在的生物学差异。

3.5 ATB的使用

ATB，尤其是广谱ATBs，能够干扰30%的正常肠道微生物群，并增加肠道宿主微生物群的丰富度、多样性和均匀性。这种微生物改变与免疫失衡进一步相关，例如主要组织相容性复合体（MHC）I/II基因下调、Th1/Th17反应受损以及主要通过TLR途径改变微生物相关分子模式（MAMPs）（图2）。因此，ATB被认为会导致更高的风险和更坏的后果，包括肺癌在内的各种疾病的预后。

根据一项大人群病例对照研究，青霉素类、头孢菌素类（调整后的OR：1.3；95%置信区间1.0–1.6），或大环内酯类药物（调整后的OR：1.3，95%置信区间1.1–1.6）显著增加肺癌形成的风险。此外，青霉素的疗程超过5%是肺癌最重要的“推动力”（调整后的OR：1.4；95%置信区间：1.3–1.6）。

总的来说，根据一些流行病学研究，一些微生物感染和宿主微生物失调或过度使用ATB是肺癌的高危因素。然而，大多数流行病学证据不能表明微生物感染或失调是肺癌的直接原因。这些感染或失调可能反映了癌症形成过程中的免疫或生理紊乱，而不是癌变的起源。慢性炎症和DNA损伤是微生物导致肺癌最常见的假设，但没有明确的解释。微生物已被强有力地证明可直接导致肺癌。因此，澄清这些微生物是否是肺部疾病的发病原因，这对肺癌的预防至关重要。

图2. 基于肠道微生物群失调的抗生素对免疫的影响。在改变30%肠道微生物群的组成、多样性和丰富度后，抗生素的使用可能会损害宿主免疫力。在本文中，我们介绍了三个基本方面，包括MHC-I/II基因的下调、Th1/Th17反应的诱导和MAMP的交替。MHC-I和MHC-II分别是抗原呈递给CD8+和CD4+T细胞的关键部分。Th1和Th17反应是炎症（如自身免疫性疾病）所必需的。因此，这三个方面都可能导致免疫调节功能障碍，这对癌症的治疗和预后是有害的。

CD，分化簇；IFN，干扰素；IL，白细胞介素；LPS，脂多糖；MAMPs，微生物相关分子模式；MHC，主要组织相容性复合体；TCR，T细胞受体；TLR，Toll样受体。