国人综述| 北京中医药&北京友谊医院：肠道菌群影响免疫治疗反应:机制和治疗策略

编译：微科盟小木，编辑：微科盟小编、江舜尧。

导读  

长期以来，肠道微生物群一直被认为在人类健康和疾病中发挥着关键作用。目前，从临床前到临床研究的一些证据逐渐证实，肠道微生物群可以调节抗肿瘤免疫并影响癌症免疫治疗的疗效，特别是免疫检查点抑制剂(ICIs)。破译其潜在机制揭示了肠道微生物群通过与先天和/或适应性免疫细胞结合来重新编程肿瘤微环境(TME)的免疫。值得注意的是，肠道微生物群调节抗肿瘤免疫的主要模式之一是通过代谢物，这些小分子可以从肠道的初始位置扩散并影响局部和全身的抗肿瘤免疫反应，以提高ICI疗效。机制探索为通过操纵肠道微生物群(如粪便微生物群移植(FMT)、益生菌、工程微生物和特定微生物代谢物)来开发基于微生物群的合理治疗策略提供了新的见解，以提高ICI的疗效并推进微生物群精准医疗的年龄利用。

论文ID

原名：Gut microbiota influence immunotherapy responses: mechanisms and therapeutic strategies

译名：肠道菌群影响免疫治疗反应:机制和治疗策略

期刊：Journal of Hematology & Oncology

IF：17.388

发表时间：2022.4

通讯作者：李琴 ＆ 王济

通讯作者单位：首都医科大学附属北京友谊医院＆北京中医药大学

DOI号：10.1186/s13045-022-01273-9

综述目录

1 前言

2 肠道菌群与免疫治疗的疗效:从发现到应用

3 肠道菌群重塑TME以提高ICI疗效

3.1 肠道菌群调节先天免疫以改善ICI反应

3.1.1 DCs

3.2单核细胞/巨噬细胞

3.3 NK细胞

3.4 肠道菌群调节适应性免疫以改善ICI反应

3.4.1 CD8+ T细胞

3.4.2 CD4+ T细胞

3.5 肠道菌群调节肿瘤细胞的免疫原性以改善ICI反应

4 肠道微生物代谢物介导的ICI抗肿瘤免疫反应

4.1 肌苷

4.2 短链脂肪酸(SCFAs)

4.3 漆树酸

4.4 胆汁酸和色氨酸

5 其他肠道微生物标志物指导抗肿瘤免疫反应

5.1 肽聚糖(PG)和多糖(PSA)

5.2 外膜囊泡(OMV)

6 肠道菌群与ICI治疗毒性

7 肠道微生物组联合ICI的治疗策略

7.1 粪便微生物群移植

7.2 益生菌

7.3 工程微生物

7.4 其他策略

8 进一步研究的方向

9 结论

主要内容

1 前言

胃肠道中的微生物产生大量的小分子和代谢物，其在人体的多种生理过程中发挥着重要作用，如代谢、炎症、免疫和神经学。微生物群及其代谢物在调节局部和全身免疫反应中的作用导致了对癌症免疫系统和免疫检查点抑制剂(ICI)治疗反应影响的研究的出现。成人肠道微生物群的广泛变异性是将肠道微生物群视为癌症进展和ICI治疗结果表型变异的潜在来源的另一个原因。

在临床前和临床研究中，越来越多的证据支持肠道微生物群在ICI反应中的作用。ICI免疫疗法改进了传统的癌症治疗药物，并在转移性实体恶性肿瘤的治疗方面取得了突破。ICIs通过靶向程序性细胞死亡1(PD-1)及其配体(PD-L1)、淋巴细胞激活基因-3 (LAG3)、细胞毒性T淋巴细胞相关抗原-4 (CTLA-4)等其他靶点释放免疫制动反应并有效抑制肿瘤免疫逃逸。但对ICI治疗的反应是异质性的且不稳定，患者的客观反应率(ORRs)仅为10-30%。操纵肠道微生物群为提高抗肿瘤免疫反应和扩大ICI疗效提供了新的见解。

然而，在某些癌症类型中，肠道微生物组及其代谢物影响ICI疗效的潜在分子机制仍不清楚。 本文综述了肠道微生物群对ICI疗效影响的研究，并讨论了微生物群与先天性和适应性免疫细胞相互作用以改善ICI反应的机制。 我们将特别强调微生物衍生的代谢物和分子介导的ICI抗肿瘤免疫反应的机制。最后，我们将回顾研究操纵肠道微生物群来提高ICI疗效的治疗策略和正在进行的试验。

2 肠道菌群与免疫治疗的疗效:从发现到应用

早期研究表明，肠道微生物群可以通过调节CD8 +  T细胞、辅助性T细胞1(Th1)和肿瘤相关髓系细胞来刺激抗肿瘤免疫反应。事实上，在抗生素治疗或无菌小鼠模型中，癌症治疗的效果减弱，并受到特殊肠道微生物群的影响。重要的是，2015年关于小鼠模型的里程碑式出版物首次将肠道微生物群与ICI反应联系起来。肠道微生物群组成影响抗PD-L1治疗反应，FMT或共居消除了反应的差异。口服双歧杆菌( Bifidobacterium )通过促进树突状细胞(DC)成熟和增加肿瘤微环境(TME)中CD8 +  T细胞的启动和积累，恢复了PD-L1阻断剂的抗肿瘤疗效。另一项关于抗CTLA-4治疗的当代平行研究表明，抗生素会抑制ICI的抗肿瘤作用，在无菌或抗生素治疗的黑色素瘤小鼠中补充脆弱拟杆菌( Bacteroides fragilis )可以增强抗CTLA-4的治疗效果。微生物依赖性抗肿瘤作用依赖于诱导肿瘤引流淋巴结中的Th1细胞活化和诱导肿瘤内DCs成熟。

2018年发表在《 Science 》期刊上的人类研究补充了这些小鼠研究。三项研究均表明 肠道微生物群组成和多样性可预测对ICI免疫治疗的反应 。类似的发现是，将ICI反应患者的粪便微生物群移植到无菌或抗生素治疗的小鼠，可以改善肿瘤控制和对ICI的反应，而来自无反应患者的FMT则未能做到这一点。在非小细胞肺癌(NSCLC)和肾细胞癌(RCC)中，细菌多样性较高的患者对抗PD-1治疗更敏感。ICI无反应者FMT后口服补充 Akkermansia muciniphila 可恢复抗PD-1治疗反应。 在黑色素瘤患者中，肠道微生物群的多样性和组成与抗PD-1治疗反应呈正相关。 大多数情况下，消化道中粪杆菌( Faecalibacterium )和瘤胃球菌( Ruminococcaceae )丰度较高的ICI反应患者外周血中CD4 +  T细胞和CD8 +  T细胞数量增加。另一项涉及转移性黑色素瘤患者的研究表明，反应者的基线粪便中长双歧杆菌( Bifidobacterium longum )、产气柯林斯菌( Collinsella aerofaciens )和屎肠球菌( Enterococcus faecium )更丰富。

前瞻性研究证实，2019年至2020年间，NSCLC、肝细胞癌(HCC)、黑素瘤和RCC患者的肠道微生物群与ICI结果之间存在显著相关性。同时，回顾性研究表明，抗生素与晚期实体肿瘤患者的生存率下降和对ICI反应减弱有关，这支持了抗生素诱导的生态失调与ICI治疗效果差之间的因果关系。此外，两项临床试验意外地发现，在2021年，ICI反应者的FMT联合抗PD-1治疗克服了黑色素瘤患者对PD-1阻断剂的耐药性。图1总结了肠道微生物群和ICI疗效的时间线。

除了调节ICI免疫疗法外，肠道微生物群还可以影响过继T细胞转移(ACT)免疫疗法、CpG-寡脱氧核苷酸(CpGODN)免疫疗法和基于细胞的免疫疗法。抗生素暴露降低了ACT治疗小鼠的疗效，而补充细菌LPS则通过toll样受体(TLR) 4信号传导恢复治疗效果。另一项研究表明，肠道微生物群通过增加CD8α +  DCs的丰度和白细胞介素(IL)-1的上调来维持ACT治疗的疗效。在CpG-ODN免疫治疗中，肠道微生物群激活TLR4，直接或间接启动肿瘤相关髓系细胞对CpG-ODN的TLR9依赖性反应。在GF和抗生素暴露的小鼠中，CpG-ODN的功效通过抑制肿瘤坏死因子(TNF)和IL-12的产生而被消除。肠道微生物群也会影响基于细胞的免疫治疗。肠道微生物群介导的胆汁酸代谢增加了肝脏中CXCR6 + 自然杀伤T (NKT)细胞的丰度，并在肝细胞癌中发挥抗肿瘤作用。

图1 肠道菌群和ICI疗效的时间线:从发现到应用。 从2007年到2013年，小鼠研究表明，肠道微生物群可以刺激抗肿瘤免疫反应。2015年，两项临床前小鼠研究首次将肠道微生物群与ICI反应联系起来。2018年，小鼠和人类研究表明，肠道微生物群组成和多样性可预测对ICI免疫治疗的反应。将ICI反应患者的粪便微生物群移植到无菌或抗生素治疗的小鼠，可以改善肿瘤控制和对ICI的反应。从2019年到2020年，前瞻性研究证实了晚期实体肿瘤中肠道微生物群与ICI结果之间的显著相关性。回顾性研究表明，抗生素与ICI的生存率下降和反应减弱有关。2021年，两项临床试验发现，ICI反应者的FMT联合抗PD-1疗法克服了黑色素瘤患者对PD-1阻断剂的耐药性。

3 肠道菌群重塑TME以提高ICI疗效

研究表明，肠道微生物群调节ICI反应，有必要对ICI上的特定细菌种类和微生物代谢物进行详细的机制探索。肠道微生物群可以调节先天免疫和适应性免疫，并影响TME中的抗肿瘤免疫反应。本文将讨论特定细菌物种重新编程TME以提高免疫背景下ICI疗效的复杂机制(表1和图2)。

表1 肠道菌群研究靶向先天性和适应性免疫细胞以促进ICI疗效。

APC：抗原呈递细胞；A 2A R：腺苷2A受体；CRC：结直肠癌；CTLA4：细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4；DC：树突状细胞；FMT：粪便微生物群移植；FMT-R：粪便微生物群移植治疗反应者；FMT-NR：粪便微生物群移植治疗无反应者；GZMK：颗粒酶K；ICI：免疫检查点抑制剂；IFN：干扰素；MAIT：黏膜相关不变T；MHC：主要组织相容性复合体；NK：自然杀伤；NSCLC：非小细胞肺癌；NR-FMT：ICI无反应者的粪便微生物群移植；PBMCs：外周血单个核细胞；PD-1：程序性细胞死亡1；PD-L1：程序性细胞死亡配体1；RCC：肾细胞癌；R-FMT：ICI反应者的粪便微生物群移植；STING：干扰素基因刺激因子；Th1：辅助性T细胞1；TME：肿瘤微环境。

3.1 肠道菌群调节先天免疫以改善ICI反应

3.1.1 DCs

树突状细胞( DCs )是一组特殊的抗原呈递细胞，在T细胞活化和抗肿瘤免疫中发挥着重要作用。肠道微生物群抗原或带有免疫调节剂的代谢物用于动员和激活DCs，以逆转未成熟 DC 诱导的免疫耐受(图2A)。例如，口服双歧杆菌可增加DC活化，从而改善了肿瘤特异性CD8 +  T细胞反应并恢复了抗PD-L1疗法对肠道菌群不利的小鼠的治疗效果。11株菌株联合ICI强诱导干扰素(IFN)γ +  CD8 +  T细胞以依赖固有层cDC1和主要组织相容性复合体(MHC)I类的方式抑制肿瘤生长。脆弱拟杆菌( Bacteroides fragilis )通过触发DC成熟和刺激IL-12依赖性Th1细胞免疫反应来增强CTLA-4阻断的抗肿瘤作用。此外，万古霉素介导的肠道微生物群组成调节通过增加cDC1和上调IL-12来提高抗肿瘤特异性效应T细胞的活性。

图2 肠道菌群调节先天免疫、适应性免疫和肿瘤抗原，以改善ICI反应。A先天免疫。DCs：双歧杆菌(Bifidobacterium)、11种菌株及其代谢物和脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)促进DC成熟或活化，以及随后CD8+ T细胞和Th1细胞的活化。NK细胞：植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)增加NK细胞活化；高盐饮食可增加肠道通透性和肿瘤内双歧杆菌的定位，并增强NK细胞活化以诱导抗肿瘤免疫。单核细胞：饲喂高纤维饮食、用产生cdAMP的A. muciniphila进行单菌定植或从ICI反应者移植粪便微生物群可触发单核细胞-IFN-I-NK-细胞-DC级联反应；双歧杆菌通过STING信号传导和IFN-I依赖性方式促进基于CD47的免疫治疗；脆弱拟杆菌诱导巨噬细胞表型极化为M1。B适应性免疫。CD8+ T细胞：双歧杆菌、肠球菌、粪杆菌、瘤胃球菌和梭菌促进肿瘤组织中的CD8+ T细胞浸润；厚壁菌门和放线菌门可提高ICI反应者外周血CD56+CD8+ T细胞的活化；11株菌株增加了体循环中效应IFNγ+CD8+ T细胞的比例。CD4+ T细胞：B. pseudolongum和脆弱拟杆菌刺激Th1免疫反应；A. muciniphila触发CCR9+CXCR3+CD4+ T淋巴细胞募集到肿瘤床；Faecalibacterium增加CD4+ T细胞比例。C肿瘤交叉抗原。肠道微生物群通过提供肿瘤交叉抗原来提高肿瘤细胞的免疫原性，以改善ICIs的功效，包括抗原表位TMP1和抗原表位SVY。

3.2单核细胞/巨噬细胞

IFN-I和单核吞噬细胞水平的偏差导致免疫失调和免疫抑制性TME。微生物诱导的IFN-I信号通路介导先天免疫向适应性免疫的转变(图2A)。微生物群衍生的干扰素基因刺激因子(STING)激动剂(如c-diAMP)通过肿瘤内单核细胞诱导IFN-I信号传导，使单核吞噬细胞转向抗肿瘤巨噬细胞(Macs)，并触发单核-IFN-I-自然杀伤细胞(NK)-DC相互作用。值得注意的是， 饲喂高纤维饮食、用产生cdAMP的 A. muciniphila 进行单菌定植或或从ICI反应者移植粪便微生物群可提高抗肿瘤反应和ICI疗效。 同样，已经证明双歧杆菌优先定植于肿瘤部位，并以STING信号和IFN-I依赖性方式促进基于CD47的免疫治疗。另外，脆弱拟杆菌诱导巨噬细胞表型分化为M1，并上调细胞上CD80和CD86的表达，促进先天免疫。

3.3 NK细胞

已有研究表明，NK细胞可以调节TME中DC和CD8+ T细胞的丰度，并影响对ICIs的反应。近年来，越来越多的研究发现NK细胞与肠道微生物群之间存在相互作用(图2A)。具有高微生物多样性的NSCLC患者在PD-1阻断后，其外周特有的记忆性CD8+ T细胞和NK细胞亚群的丰度更高。植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)有效增加自然细胞毒性受体(NCR)蛋白的表达，并促进NK细胞活化以触发先天免疫。有趣的是，次优剂量的PD-1阻断剂结合高盐饮食可显著抑制小鼠的肿瘤生长。机制研究发现，高盐饮食增加肠道通透性和肿瘤内双歧杆菌定位，从而增强NK细胞活化，诱导抗肿瘤免疫。

3.4 肠道菌群调节适应性免疫以改善ICI反应

3.4.1 CD8+ T细胞

已有多篇文献证实，特定的肠道微生物群在体循环或TME中诱导CD8 +  T细胞(图2B)。例如，具有较高相对丰度的有利微生物群(如梭菌目 Clostridiales 、瘤胃球菌科 Ruminococcaceae 或粪杆菌 Faecalibacterium )的黑色素瘤患者可增加抗原呈递并改善外周血和TME中的效应CD4 +  T细胞和CD8 +  T细胞功能，从而改善ICI的抗肿瘤疗效。来自临床试验的证据表明，厚壁菌门和放线菌门在FMT联合PD-1阻断反应者中富集。FMT联合PD-1阻断可刺激外周血单个核细胞(PBMCs)中的粘膜相关不变T(MAIT)细胞和CD56 + CD8 +  T细胞，并上调肿瘤部位CD8 + T细胞上人类白细胞抗原(HLA)II类基因CD74和GZMK的表达。同时，在使用FMT联合PD-1阻断后，难治性转移性黑色素瘤中肠球菌的相对丰度较高，并导致肿瘤内CD8 +  T细胞浸润和肿瘤细胞坏死增加。此外，双歧杆菌和11株菌株还可以增加依赖于DCs的CD8 +  T细胞的数量，从而提高ICI治疗的疗效。

3.4.2 CD4+ T细胞

在小鼠模型中， B. pseudolongum 主要通过肠道微生物代谢物肌苷促进Th1转录分化和抗肿瘤免疫反应来提高ICI疗效。脆弱拟杆菌通过促进固有层DCs的动员来刺激IL-12依赖性Th1免疫反应，从而恢复对ICI的免疫反应。此外，FMT无反应小鼠口服补充 A. muciniphila 可通过触发CCR9 + CXCR3 + CD4 +  T淋巴细胞募集到肿瘤床来恢复抗PD-1反应。在人类患者中， Faecalibacterium 增加了外周血中CD4 +  T细胞比例和血清CD25的产生，降低了Treg细胞比例，这导致了伊匹单抗的长期临床获益(图2B)。

3.5 肠道菌群调节肿瘤细胞的免疫原性以改善ICI反应

肿瘤免疫原性的降低是肿瘤细胞抵抗T细胞杀伤的重要机制。一方面，肠道微生物群通过作用于肿瘤细胞表面的UBA6直接增强肿瘤细胞的先天免疫原性，从而增强ICI反应。另一方面，肠道微生物群可以通过提供肿瘤交叉抗原间接增加肿瘤细胞的免疫原性，促进ICI的疗效。已经确定了肠道微生物和肿瘤细胞中表达的抗原之间的一些交叉反应(图2C)。噬菌体海氏肠球菌( Enterococcus hirae )基因组中的抗原表位尾卷尺蛋白1(TMP1)与蛋白酶体β亚基4型(PSMB4)肿瘤抗原具有较高的相似性。它们同时激活CD8 +  T细胞并提高PD-1阻断治疗的疗效。研究表明，共生菌短双歧杆菌( Bifidobacterium breve ) 中表达的抗原表位SVYRYYGL(SVY)与肿瘤表达的抗原表位SIYRYYGL(SIY)相似，导致SVY-特异性T细胞识别SIY并抑制肿瘤生长。

4 肠道微生物代谢物介导的ICI抗肿瘤免疫反应

值得注意的是，肠道微生物群调节抗肿瘤免疫的主要方式之一是通过代谢物。肠道微生物群合成或转化无数代谢物，这些代谢物是小分子，可以从肠道的原始位置扩散并影响局部和全身抗肿瘤免疫反应，以促进ICI疗效。因此，我们进一步探索了不同肠道微生物代谢物的机制以及肠道微生物标志物介导抗肿瘤免疫反应的其他特征。

4.1 肌苷

肌苷是嗜黏蛋白阿克曼氏菌( Akkermansia muciniphila )和 Bifidobacterium pseudolongum 的嘌呤代谢物，在提高ICI疗效中起着至关重要的作用。肌苷是人体的一种正常代谢物，在生理状态下参与核酸代谢、能量代谢和蛋白质合成。它能激活免疫细胞，刺激新陈代谢。过去，肌苷已被证明具有免疫抑制作用；但近年来，越来越多的研究发现肌苷可以重新编程TME，提高对ICI治疗的反应。目前的研究表明肌苷主要通过以下机制影响ICI的疗效(图3)。

肌苷增加肿瘤细胞的免疫原性。 某研究小组发现肌苷能显著增强肿瘤细胞呈递肿瘤抗原的能力，使细胞毒性免疫细胞容易识别并杀死肿瘤细胞，达到抗肿瘤作用。进一步的机制研究表明，肌苷处理的肿瘤细胞中IFNγ和TNFα信号通路的激活显著增加。 IFNγ可通过促进穿孔素和颗粒酶的释放来激活肿瘤特异性T细胞和NK细胞的细胞毒性，并且IFNγ可通过提高抗原呈递来促进肌苷介导的抗肿瘤作用。我们最近的研究表明 ，肌苷通过直接结合和抑制泛素激活酶UBA6来增强肿瘤先天免疫原性并增强ICI疗效，从而使肿瘤细胞对T细胞介导的细胞毒性敏感(图3A)。

肌苷促进免疫细胞活化。 肠道微生物代谢物肌苷可通过作用于肠癌、膀胱癌和黑色素瘤小鼠模型中T淋巴细胞上的腺苷2A受体(A 2A R)来提高ICI的疗效。肌苷-A 2A R-cAMP-PKA信号级联导致cAMP反应元件结合蛋白(pCREB)磷酸化，从而上调IL12Rβ2和IFNγ转录并促进TME中Th1细胞分化和积累。有趣的是，ICI与肌苷联合的体内抗肿瘤作用需要一种共刺激，如CpG和IL-12(图3B)。肌苷还能增强植物血凝素(PHA)介导的免疫反应，提高肿瘤抗原水平，增强T淋巴细胞分化和增殖。此外，肌苷通过激活巨噬细胞刺激B淋巴细胞分化和抗体产生，发挥抗病毒和抗肿瘤作用。

肌苷为CD8 +  T细胞提供了另一种碳源。致癌信号通路的激活会重新编程癌细胞的代谢。癌细胞的高代谢需求可以通过降低可利用营养物质的水平和产生免疫抑制代谢物来限制效应T细胞的能力。肌苷可以作为能量代谢限制下CD8 +  T细胞的替代碳源，以支持CD8 +  T细胞的生长和能力(图3C)。T细胞通过嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)将肌苷代谢为次黄嘌呤和磷酸化核糖(图3C)。重要的是，肌苷的核糖体亚基进入中枢代谢途径，为糖酵解途径和磷酸戊糖途径(PPP)提供ATP和生物合成前体。

图3 肠道微生物代谢物肌苷促进ICI疗效的潜在机制。肌苷是肠道微生物Akkermansia muciniphila和Bifidobacterium pseudolongum的嘌呤代谢物，与ICI联合使用具有协同抗肿瘤作用。A肌苷增加肿瘤细胞的免疫原性。肌苷可以提高肿瘤细胞呈递肿瘤抗原的能力，使细胞毒性免疫细胞容易识别并杀死肿瘤细胞。B肌苷促进免疫细胞活化。肌苷可通过作用于T淋巴细胞上的A2AR来增强ICI疗效。通过肌苷-A2AR-cAMP-PKA信号通路刺激cAMP反应元件结合蛋白(pCREB)磷酸化，从而上调IL12Rβ2和IFNγ转录，促进TME中Th1细胞分化和积累。C肌苷为CD8+ T细胞提供了另一种碳源。肌苷可作为葡萄糖受限时CD8+ T细胞的替代碳源，缓解肿瘤细胞对CD8+ T细胞能量代谢的限制。

4.2 短链脂肪酸(SCFAs)

结肠厌氧菌从肠道上皮细胞分泌的未消化和吸收的碳水化合物或糖蛋白中产生SCFA。最近，肠道微生物衍生的SCFAs与纳武单抗或派姆单抗治疗实体肿瘤之间的关联已得到证实。SCFAs被发现是重要的物理和化学屏障，可刺激Paneth细胞和杯状细胞产生AMPs和粘液，以支持肠道黏膜屏障的完整性。SCFAs在复杂的肠道微生物免疫和代谢网络中发挥关键作用，影响免疫细胞和肿瘤细胞的活性(图4)。

SCFAs抑制肿瘤细胞增殖，诱导肿瘤细胞凋亡。 SCFAs与ICI的协同作用机制是目前的研究热点。丁酸是 Faecalibaculum rodentium PB1 (F.PB1)和 H. biformis 的代谢物，可作为组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂。它增加乙酰化并抑制钙调神经磷酸酶介导的活化T细胞核因子C3 (NFATc3)的激活，从而阻断肿瘤细胞增殖(图4A)。此外， A. muciniphila 产生的SCFA丙酸通过G蛋白偶联受体43(GPR43)和下调的凋亡蛋白抑制剂(IAP)激活细胞周期抑制剂p21，从而抑制癌细胞增殖，诱导细胞凋亡，提高ICI的抗肿瘤作用(图4A)。

SCFAs改善抗肿瘤免疫反应。 SCFAs可直接促进CD8 +  T细胞在体内和体外的抗肿瘤细胞毒性(图4B)。肠道微生物代谢产生的丁酸可通过抑制DNA结合抑制因子2(ID2)依赖性IL-12信号传导直接增强CD8 +  T细胞的抗肿瘤细胞毒性。另一项研究证实，戊酸和丁酸增强了mTOR作为中枢细胞代谢传感器的功能，并通过代谢和表观遗传重编程抑制了I类HDACs的活性。此外，这导致了效应分子(如CD25、IFNγ和TNFα)的增加，从而显著促进了黑色素瘤和胰腺癌小鼠模型中抗原特异性细胞毒性T淋巴细胞( CTLs )和嵌合抗原受体(CAR) T细胞的抗肿瘤作用。这两项研究都确定戊酸和丁酸是两种在癌症免疫治疗中具有治疗效果的SCFAs。

SCFAs为免疫细胞提供能量。肠道微生物群衍生的SCFAs可以调节抗肿瘤效应细胞的糖酵解、三羧酸(TCA)循环、PPP和脂肪酸氧化(FAO)，从而提高ICI的疗效(图4C)。首先，SCFA中的丁酸被转化为丁酰-CoA，经历β-氧化(β-OX)，并参与TCA循环和氧化磷酸化(OXPHOS)。这些过程为肠黏膜上皮细胞提供能量，改善肠绒毛结构，抑制自噬，并维持肠道稳态。其次，在记忆T细胞中，丁酸激活细胞内β-OX，促进TCA循环和OXPHOS。同时，乙酸产生的乙酰辅酶A通过乙酰化甘油醛-磷酸脱氢酶(GAPDH)促进糖酵解。重要的是，在效应T细胞中，SCFAs可以增加细胞内线粒体的数量并刺激糖酵解和OXPHOS。最后，SCFAs为B细胞分化成浆细胞、抗体产生和细胞代谢的整体变化提供能量。

图4 肠道微生物代谢物SCFAs增强ICI疗效的潜在机制。A SCFAs抑制癌细胞增殖并诱导其凋亡。SCFAs的丁酸是Faecalibaculum rodentium PB1和H. biformis的代谢物，可抑制HDAC的活性和钙调神经磷酸酶介导的NFATc3转录因子的激活，从而阻断肿瘤细胞增殖。A. muciniphila产生的丙酸通过GPR43激活细胞周期抑制剂p21，并下调IAP抑制剂，从而抑制癌细胞增殖，诱导细胞凋亡，提高ICI的抗肿瘤作用。B SCFAs提高抗肿瘤免疫反应。丁酸可通过IL-12信号传导诱导CD8+ T细胞中ID2的表达，从而直接增强CD8+ T细胞的抗肿瘤细胞毒性。SCFAs中的戊酸和丁酸可促进效应分子IFNγ和TNFα的表达，增强CTLs的抗肿瘤作用。C SCFAs为免疫细胞提供能量。SCFAs通过调节糖酵解、TCA循环和β-氧化等代谢途径为B细胞、记忆T细胞和效应T细胞提供能量，从而增强ICI的疗效。

4.3漆树酸

除了肌苷和SCFAs(图5A,B)，漆树酸也调节抗肿瘤免疫反应(图5C)。在这项前瞻性研究中，对接受ICI治疗的黑色素瘤患者粪便细菌的代谢组学分析显示，在ICI反应组中， Bacteroides caccae 显著富集，漆树酸水平显著升高(62倍，P<0.01)(图5C)。漆树酸通过磷酸化丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)触发巨噬细胞中的经典激活通路，从而激活先天免疫。漆树酸还可以诱导产生中性粒细胞细胞外陷阱(NET)，促进肿瘤浸润性免疫细胞的产生(包括巨噬细胞、NK细胞和T淋巴细胞)，从而调节适应性免疫和抗肿瘤免疫。事实上，在一些临床前模型中，漆树酸已被证实具有抗肿瘤作用。例如，在乳腺癌模型中，漆树酸增加了肿瘤浸润性NK细胞和 CTLs 的水平，并诱导肿瘤细胞凋亡(图5C)。

图5 微生物群衍生的代谢物和其他肠道微生物标志物调节抗肿瘤免疫反应，以提高ICI疗效。A-E微生物衍生的代谢物靶向免疫细胞和肿瘤细胞调节抗肿瘤免疫。肌苷、短链脂肪酸和漆树酸促进抗肿瘤免疫和ICI疗效；胆汁酸和色氨酸可减弱抗肿瘤免疫反应。F-H其他肠道微生物标志物对抗肿瘤免疫反应的调节。PG、PSA和OMV通过调节免疫细胞、肿瘤细胞和细胞因子促进抗肿瘤免疫反应。

4.4 胆汁酸和色氨酸

一些研究显示，肠道微生物衍生的代谢物(如次级胆汁酸或色氨酸)具有免疫抑制作用(图5D,E)。产生胆汁酸代谢物3-氧代石胆酸以及丰富的肠道代谢物异石胆酸的肠道微生物群抑制Th17细胞分化。此外，次级胆汁酸3β-羟基去氧胆酸作用于DCs时，免疫刺激作用减弱，诱导Foxp3表达，上调Tregs数量，并促进免疫逃逸。饲喂次级胆汁酸或胆汁酸代谢菌 Clostridium scindens 可减弱NKT细胞介导的肝脏选择性肿瘤抑制作用。此外，IL-2通过激活STAT5-5-羟色氨酸(5-HTP)-AhR轴诱导CD8 +  T细胞衰竭和色氨酸羟化酶1的强表达。色氨酸代谢物能有效促进乳腺癌肿瘤细胞的运动和迁移。在接受纳武单抗治疗的黑色素瘤和RCC患者中，血清犬尿氨酸/色氨酸比值的增加与总生存期的下降有关。低血浆色氨酸代谢物-3-羟基邻苯二甲酸酯水平与NSCLC患者中位无进展生存期(PFS)延长显著相关。

5 其他肠道微生物标志物指导抗肿瘤免疫反应

5.1 肽聚糖(PG)和多糖(PSA)

肠球菌表达和分泌同源物NlpC/p60 PG水解酶SagA，其可促进先天免疫传感器蛋白核苷酸结合寡聚化结构域2(NOD2)的表达，增强ICI的抗肿瘤疗效(图5F)。以核苷酸结合寡聚化结构域1(NOD1)依赖性方式识别微生物群衍生的PG可促进系统性先天免疫。此外，由 Leuconostoc mesenteroides 菌株NTM048或脆弱拟杆菌产生的PSA可作为免疫激动剂来增强黏膜屏障，影响全身免疫反应(图5G)。PSA可被小肠DCs识别并激活CD4 +  T细胞分泌细胞因子，从而促进T细胞增殖，改善Th1/Th2细胞失衡，促进淋巴样组织形成(图5G)。 TLRs ，如TLR9及其激动剂CpG-ODN，在病原体识别和免疫反应启动中发挥重要作用。艰难梭菌( Clostridium difficile )毒素A结合DNA激活TLR9信号传导和先天免疫反应。

5.2 外膜囊泡(OMV)

由细菌自然分泌的微生物群衍生的OMVs可以重新编程TME，并已被开发为肿瘤免疫治疗试剂、细菌疫苗、佐剂和药物载体。 OMVs表达肿瘤抗原，诱导先天免疫反应和抗原特异性T细胞介导的抗肿瘤免疫；表达多种肿瘤抗原的生物工程细菌OMVs可触发协同抗肿瘤免疫反应 (图5H)。带有磷酸钙(CaP)外壳的OMVs可促进细胞毒性T细胞浸润和M2-M1巨噬细胞极化，有效改善免疫抑制性TME(图5H)。此外，系统给药的细菌OMV特异性靶向并在肿瘤床中积累，随后诱导产生抗肿瘤细胞因子CXCL10和IFN-γ，从而有效地增强抗肿瘤免疫反应(图5H)。

6 肠道菌群与ICI治疗毒性

ICI治疗在杀伤肿瘤细胞的同时破坏了宿主的免疫平衡，这可能导致免疫相关结肠炎、免疫相关肺炎，甚至危及生命的免疫相关心肌炎。多项证据表明，肠道微生物群在免疫相关不良事件(irAEs)中的作用是一把双刃剑。某些肠道细菌可能对免疫治疗引起的毒性具有保护作用。小鼠模型已经证实，双歧杆菌、脆弱拟杆菌和洋葱伯克霍尔德菌( Burkholderia cepacia )可以在抗 CTLA -4治疗的背景下改善肠道免疫病理。一项前瞻性研究表明，在接受 伊匹 单抗治疗的转移性黑色素瘤患者中，参与多胺转运和维生素B生物合成的拟杆菌门和微生物遗传途径的增加与对ICI诱导的结肠炎产生耐药性有关。相反，一些肠道微生物群与ICI诱导毒性的高风险相关。在接受抗PD-1治疗的黑色素瘤患者中，两种微生物( Lachnospiraceae  spp.和 Streptococcus spp.)的富集与irAEs的增加有关。有趣的是，肠道微生物群的不同基线特征也可能与良好的抗癌反应以及ICI诱导的毒性有关。在26例接受 伊匹 单抗治疗的转移性黑色素瘤患者中，基线时 Faecalibacterium 和 Firmicutes 富集的患者容易同时发生免疫治疗诱导的结肠炎和ICI敏感性增强。在ICI的背景下，这被称为功效-毒性耦合效应。在CTLA-4联合PD-1阻断治疗的晚期黑色素瘤患者中，肠道微生物(如 Bacteroides )也可以作为预测ICI治疗毒性的生物标志物。通过重塑肠道微生物组和增加结肠黏膜中Tregs的比例，已经证明了FMT作为免疫治疗诱导毒性的治疗方式的有益效果。这些研究表明，肠道微生物组对ICI诱导的毒性具有复杂的正面和负面影响。在充分过滤和操纵肠道微生物群以增强ICI反应和减弱irAEs之前，还需要更多的证据。

7 肠道微生物组联合ICI的治疗策略

了解肠道微生物组及其代谢物对抗肿瘤免疫和免疫治疗反应的生物学机制对于合理调控微生物活性以提高ICI疗效至关重要。肠道微生物组联合ICI的治疗策略如图6所示。

图6 肠道微生物组联合ICI的治疗策略。 操纵肠道微生物群的治疗策略包括FMT、益生菌、工程微生物和其他提高ICI反应的策略。

7.1 粪便微生物群移植

FMT治疗是指对个体肠道微生物群进行整体移植，通常来自于ICI反应者。FMT制剂可通过口服冻干丸或通过结肠镜或胃镜检查直接给药。FMT最初用于治疗对传统疗法耐药的艰难梭菌感染。近年来，多项研究表明FMT可以增强ICI的抗肿瘤作用，克服免疫治疗的耐药性。在一项I期临床试验(NCT03353402)中，研究人员对10名对PD-1阻断无反应的黑色素瘤患者进行了FMT和再诱导抗PD-1治疗。结果显示10名患者中有3名出现肿瘤体积下降，包括2例部分缓解(PR)和1例完全缓解(CR)。同期，另一项针对15名抗PD-1治疗耐药的黑色素瘤患者(NCT03341143)进行的临床试验，结果显示3名患者在使用FMT联合派姆单抗治疗后出现PR，3名患者病情稳定(SD)超过12个月。 FMT的应用是一种逆转ICI免疫治疗耐药性和减少irAEs的新方法 。一些评估FMT与ICI联合治疗安全性和有效性的临床试验正在进行中(表2)。

尽管FMT治疗在接受ICI治疗的患者中取得了可喜的结果，但其长期安全性仍令人担忧。2019年，据报道，在两项独立临床试验中，两名患者在接受来自同一供体的FMT后出现产超广谱β-内酰胺酶(ESBL)大肠杆菌菌血症，一名患者死亡。这项研究导致美国食品和药物管理局发布了一份关于FMT治疗感染风险的安全公告。此外，最近一项对收集的供者粪便进行多重耐药菌检测的回顾性队列研究显示，66名受试个体中有6人(9%)在任何时间点对耐多药微生物呈阳性。因此， 应定期筛查供体粪便，以严格限制可能导致不良感染事件的微生物的传播，这对免疫缺陷患者尤为重要 。进一步的临床研究有助于更好地了解供体FMT的来源、移植程序和受体表型，这对于ICI-FMT联合治疗的成功至关重要。

表2 FMT调节ICI疗效和AEs的临床试验。

AEs：不良事件；CRC：结直肠癌；dMMR：错配修复缺陷；FMT：粪便微生物群移植；ICI：免疫检查点抑制剂；n：患者人数；NA：不适用；NSCLC：非小细胞肺癌；ORR：客观反应率；PFS：无进展生存期；RCC：肾细胞癌。

7.2 益生菌

益生菌是活的微生物，当给予足够的剂量时，对宿主的健康有益。在癌症患者中的早期临床试验主要评估益生菌如何改变微生物群组成或调节抗肿瘤免疫。一项针对乳腺癌患者的临床试验评估了益生菌(13株有益菌)对TME(NCT03358511)中CD8 +  T细胞浸润的影响。CRC患者服用益生菌(乳双歧杆菌 Bifidobacterium lactis 和嗜酸乳杆菌 Lactobacillus acidophilus )后，肿瘤、粘膜和粪便中产生丁酸的细菌丰度增加(NCT03072641)。另一项试验表明，接受益生菌治疗的患者结肠黏膜中IL-1b、IL-10和IL-23A mRNA水平较低(NCT01895530)。此外，特定的肠道微生物，如双歧杆菌、阿克曼氏菌、肠球菌、粪杆菌和瘤胃球菌科，在ICI免疫治疗中发挥免疫佐剂的作用。一些评估益生菌联合ICIs治疗的安全性和有效性的临床试验正在进行中(表3)。如MRx0518(鹑鸡肠球菌 Enterococcus gallinarum 胶囊 )主要依赖于游离鞭毛蛋白激活TLR5和NF-κB信号通路发挥抗肿瘤作用。I/II期开放标签临床试验(NCT03637803)探讨了口服益生菌MRx0518联合派姆单抗在NSCLC、RCC、膀胱癌或黑色素瘤中的协同作用，结果尚未发表。EDP1503是一种新型的癌症双歧杆菌免疫治疗佐剂。临床试验(NCT03775850)表明，EDP1503联合派姆单抗安全且耐受性良好，生物标志物研究发现EDP1503通过上调CD8 + T细胞/Treg细胞的比例发挥作用。

表3 益生菌和工程微生物联合ICIs治疗癌症的临床试验。

ICI，免疫检查点抑制剂；n，患者人数。

7.3 工程微生物

随着细菌基因工程技术的发展，可以通过改变肠道微生物群或代谢物来改善对ICI的抗肿瘤反应。基因工程药物具有FMT无法达到的特异性。迄今为止，基因减毒、营养缺乏和可诱导的大肠杆菌、双歧杆菌、李斯特菌( Listeria )和沙门氏菌( Salmonella )已被转化，并在静脉、肿瘤内和口服给药途径的临床前模型中显示出抗肿瘤作用。Guo等人利用沙门氏菌和梭菌等菌株的能力在实体肿瘤中诱导特异性靶向，使其成为递送和诱导免疫刺激物以延缓肿瘤生长和转移的理想载体。此外，SYNB1891是一种基于大肠杆菌生物学设计的双重天然免疫激动剂。SYNB1891经修饰后可表达STING激动剂环腺苷二磷酸核糖(CADPR)，它可刺激IFN的表达并达到抗肿瘤作用。探索SYNB1891联合阿替利珠单抗治疗晚期实体瘤的安全性和有效性的临床试验正在进行中(表3)。此外， L-精氨酸通过调节T细胞代谢来提高T细胞存活率和抗肿瘤活性。 工程益生菌大肠杆菌Nissle 1917菌株定植于肿瘤部位，并在肿瘤床上将代谢物氨持续转化为L-精氨酸。小鼠瘤间注射该菌株可增加细胞内L-精氨酸浓度，触发肿瘤内CD4 + T细胞和CD8 + T细胞浸润，与抗PD-L1联合应用时发挥协同抗肿瘤作用。这些结果表明，工程微生物疗法能够对TME进行代谢调节，从而增强免疫疗法的疗效。

7.4 其他策略

涉及操纵肠道微生物群以提高ICI疗效的治疗策略还包括调整饮食和生活方式、服用益生元和避免使用抗生素。此外，肿瘤交叉抗原和肠道微生物群衍生的免疫激活剂的发现为肿瘤治疗疫苗(如Ty21a、JNJ-64041809和VXM01)的开发提供了新的思路。EO2401是一种微生物衍生的多肽药物，其结构与肿瘤相关抗原的结构相同。EO2401联合纳武单抗用于多形性胶质母细胞瘤(GBM)和肾上腺皮质癌患者的临床试验正在进行中(表3)。值得注意的是， 口服微生物衍生化合物(如噬菌体和微生物代谢物)可能比完全或特定的活菌移植更实用、更精确。 事实上，噬菌体作为治疗策略可以调节肠道微生物群、免疫和TME。重要的是，SCFA丙戊酸(VPA，2-丙基戊酸)是一种微生物衍生的代谢物。评估VPA联合ICI治疗实体肿瘤患者的安全性和有效性的临床试验已经在进行中(NCT02446431、NCT01106872、NCT02624128)。

8 进一步研究的方向

我们已经从临床前和临床研究中了解了肠道微生物群影响抗肿瘤免疫反应和ICI疗效的潜在机制，以及它们在治疗策略中的应用。未来，我们还需要考虑以下因素。首先，应该证明微生物组对ICI疗效影响的研究结果的准确性。肠道微生物群对肿瘤ICI治疗的影响是多方面的，甚至是双向的。我们应该准确区分针对免疫细胞或通路的有利和不利微生物组特征，并充分了解它们在不同TMEs中的作用。其次，这种方法有助于提高治疗策略的准确性。了解微生物-代谢物-免疫轴有助于我们直接操纵肠道微生物群衍生的特定免疫刺激代谢物或化合物(而非整个或特定的活菌移植)，以改善ICI反应。此外，促进抗肿瘤免疫反应的其他微生物衍生分子的作用可能成为未来ICIs临床前或临床研究的方向。第三， 肠道微生物群可以作为ICI疗效或安全性的预测性生物标志物。 患者的微生物群数据可以与其他已知的相关预测指标(如PD-L1表达和肿瘤突变负荷)相结合，以预测免疫治疗的潜在疗效或不良事件。最后，临床试验的有效性有待提高。在人体临床试验中，需要对影响肠道微生物群的因素进行综合监测，如饮食、益生菌、抗生素、药物、心理健康、宿主免疫系统、宿主遗传、地理因素、肿瘤类型、分期等。值得注意的是，整合微生物学、遗传学、免疫学、代谢组学、分子病理学和流行病学的多层次、多维研究设计将成为未来个性化癌症治疗的一部分。

9 结论

综上所述，肠道微生物组与先天免疫细胞和适应性免疫细胞发生相互作用，增强了先天免疫细胞的中间效应和适应性免疫细胞的抗肿瘤作用，并提高了肿瘤细胞的免疫原性，从而重新编程TME的免疫，改善ICI反应。值得注意的是，微生物衍生的循环代谢物调节多种人体生理机能，并从其在肠道中的原始位置扩散，介导局部和全身抗肿瘤免疫反应，从而提高ICI疗效。利用肠道微生物联合ICI的治疗策略，例如适当的抗生素选择、益生菌摄入、FMT和细菌基因工程等，可能为肠道微生物群及其代谢物成为ICI的优良佐剂提供新的可能性。进一步了解ICI与肠道微生物群之间的协同作用机制，准确识别免疫刺激剂和免疫抑制菌株或途径，有望为ICI开发更有效的联合治疗策略和推进精准医疗策略提供帮助。

原文链接：

https://jhoonline.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13045-022-01273-9