Nature Reviews Cancer：專家訪談之“腫瘤微生物組”

原創 莫沉 微生態 2019-11-25

導讀

共生細菌和其他微生物定殖於我們身體的上皮表面，已被證明可以產生多種小分子和代謝物，這些小分子和代謝物對腫瘤的發生、發展和治療反應都有局部或系統性的影響。然而到目前為止，大多數關於微生物組的研究都是基於傳統的臨床前小鼠模型，並初步確定了微生物種類和腫瘤表型之間的相關關係。

現在，多項研究已經表明，微生物對腫瘤治療效果有著深遠地影響，例如對於腫瘤免疫治療，菌群的影響已經開始在患者身上廣泛地表現出來。因此，對於研究者來說，基於菌群療法的研發是至關重要的。微生物組研究的下一個挑戰將是確定微生物影響癌症表型的因果關係，以及核心物種並揭示其潛在作用機制。

在這篇文章中，訪問了四位致力於腫瘤微生物組研究的科學家，針對該領域的現狀、研究方向以及如何提高我們的認知來合理設計以微生物為基礎的療法，從而革新腫瘤患者的現有的治療策略。

論文ID

原名：The cancer microbiome

譯名：腫瘤微生物組

期刊：Nature Reviews Cancer

IF：51.848

發表時間：2019.6.11

通訊作者：Eran Elinav, Wendy S.Garrett, Giorgio Trinchieri，Jennifer Wargo

專家介紹

EranElinav教授：以色列魏茨曼科學研究所免疫學教授、德國癌症微生物組部門主。他的研究重點是破譯宿主-微生物相互作用的分子基礎及其對健康和疾病的影響，目標是使醫學和營養個性化。

WendyS. Garrett教授：哈佛大學免疫學和傳染病教授、Dana-Farber癌症研究所胃腸腫瘤中心的內科腫瘤學家、哈佛陳公共衛生微生物研究中心的聯合主任。她的實驗室尋求進行側重於癌症、炎症性腸道疾病以及免疫和上皮細胞發育和功能的機械性微生物組研究。

GiorgioTrinchieri 教授：美國國立衛生研究院(NIH)傑出研究員、癌症研究中心(CCR)及國家癌症研究所(NCI)癌症和炎症項目主任。多年來，他的研究重點是炎症、先天抵抗和適應性免疫之間的相互作用，以及促炎細胞因子和干擾素在造血調節、先天抵抗和對感染和腫瘤的免疫中的作用。他的實驗室目前的重點是炎症、先天抵抗力、免疫和共生微生物群在癌症發生、癌症進展和癌症預防或治療中的作用。

JenniferWargo教授：德克薩斯大學MD安德森癌症中心外科腫瘤學和基因組學副教授。她的主要興趣是黑色素瘤和其他癌症的靶向治療，新輔助策略以及腸道和腫瘤微生物對免疫和抗腫瘤免疫應答的影響。

專訪內容

1 我們應該如何最好地模擬微生物對腫瘤的發生、發展和治療反應的影響，並在當前基於臨床前模型的基礎上進行改進？

Eran Elinav教授：腸道微生物對腫瘤的影響取決於三個極其複雜、不斷進化的生物實體之間的相互作用—微生物群、腫瘤和免疫系統。在惡性腫瘤的整個臨床過程中解開這種複雜性的最佳模型是結合微生物組和宿主多基因組特徵的綜合方法(例如，通過16s核糖體RNA基因擴增子測序，微生物組的宏基因組測序和代謝組學表徵，以及宿主的單細胞RNA測序)，臨床前模型的使用(即，無菌小鼠，患者衍生的異種移植和器官移植)和高級計算工具。

與人類具有相容性的腫瘤臨床前模型正變得越來越複雜，這有助於理解微生物在癌症中的作用。例如，在體內，涉及將人類腫瘤植入活體小鼠的患者衍生異種移植越來越多地用於高通量藥物篩選，以發現患者特有的有效治療方法。3D器官結構芯片等體外模型是在體內模擬癌症病理生理學特徵，同時保留其微環境的某些方面。這使得研究者可以在高度受控的環境中研究腫瘤的進展、侵襲和轉移，而在其他情況下，這種環境是不適合用體內模型進行研究的。在這樣的體外系統中植入患者的個體微生物和腫瘤細胞可能有助於整合微生物效應和貢獻，並預測患者對治療的特異性反應，同時避免不必要的毒性。

Wendy S. Garrett教授：理想情況下，我們可以模擬微生物對癌症發生、發展和治療的影響。然而在短期內，仍有一些需要進一步開發和努力的方法。類器官可以作為許多實體腫瘤的一種治療方法。越來越多的生物樣本庫，包括學術的和商業的，提供具有優秀基因分型的人類來源的類器官，並且類器官的繁殖現在已經在許多實驗室的財力範圍之內。由於CRISPR-Cas技術，許多不同類型的類器官的基因操作現在是可以實現的。越來越多的細胞類型(例如免疫、基質細胞和微生物)正被整合到有機培養物中，使這些系統更好地模擬腫瘤微環境。此外，將類器官由內而外翻轉的能力為模擬暴露(微生物產物或微生物代謝物)提供了機會，這些暴露會影響癌症的發生和進展，並更容易評估治療的效果。

目前小鼠模型仍然是一個優秀的，但遠不夠完美的體內癌症研究模型。位點特異性重組酶、CRISPR-Cas和誘導表達(小分子和病毒)技術能夠以時間可調和組織特異性的方式更有效地捕獲小鼠體內的人類基因。人源化小鼠的技術令人震驚，並且有些技術操作十分的簡單。Gnotobiotics (允許實驗動物不含微生物或與特定的微生物群落定殖) 確實相當“低技術”，但其可以使小鼠能夠通過從腫瘤本身或更常見的糞便樣本中接種人類的微生物群落。上述方法雖然並不十分新潮，但正在大量的癌症微生物組研究中應用，這些研究正在揭示免疫腫瘤療法為什麼在患者身上起作用或失敗的原因，並且也正在被轉化為有益於患者的治療策略。當然，飼養中固有的是飲食和其他環境暴露(例如，光照和外源物質)。微生物組和人群健康研究正在揭示食物和藥物的環境因素對健康的重要性，而且越來越多的研究者開始考慮利用這些因素使小鼠成為更有效的人類癌症模型。除了通過基因組編輯、基因生物製劑、飲食和環境擾動使小鼠人性化外，還存在通過過繼轉移人CD34+幹細胞與自體人胸腺移植物來人源化小鼠免疫系統的方法。

Giorgio Trinchieri 教授：研究微生物菌群或特定細菌種類對癌症發生和發展的影響的大多數研究都使用了遺傳誘導或化學致癌小鼠模型，而癌症治療的研究主要是基於小鼠可移植性腫瘤。事實上，免疫檢查點抑制療法的臨床前模型大多使用可移植腫瘤，這些模型經常被批評為不能代表人類腫瘤。然而，在研究微生物對癌症治療的影響時，與許多人類腫瘤相比，遺傳操作的腫瘤模型存在許多限制，包括有限數量的突變和免疫原性降低。此外，這些模型中使用的病毒載體的轉染效率和炎症的促瘤作用可能受到微生物的存在和組成的影響，這可能是一個混淆的來源，不僅在癌症治療研究中，而且在評估微生物在癌症發生和發展中的作用時也是如此。使用可移植腫瘤時需要特別注意的是，大多數細胞系起源於B6小鼠已被重新排列複製的內源性小鼠白血病病毒(MLVs)感染，而MLV抗原是腫瘤相關的排斥抗原。此外，在可移植腫瘤中轉染的人工抗原的普遍使用可能產生類似細菌抗原，產生在自體人類腫瘤中不存在的耐藥性機制。

將人類共生菌定殖在小鼠上是評價微生物對腫瘤發生或治療作用的常用方法。然而，人類共生細菌並不完全以與人類相同的方式在老鼠身上定殖。此外，小鼠粘膜和免疫系統對引入的共生菌的反應並不總是與人類的反應相同。

在癌症治療研究中，主要目標是確定有利於治療反應的微生物的組成，並設計針對微生物組以提高治療效果的方法。為了研究人類共生細菌的作用，使用了移植來自健康捐贈者、患者的微生物的無菌小鼠。已經開始了使用糞便微生物移植的臨床試驗，旨在提高免疫治療的響應率。與移植供體微生物相關的小鼠可能在理想情況下有助於預測移植是否可以有效地改善對治療的反應。大多數研究使用的是與病人糞便菌群相關的無菌小鼠模型，然後很快進行腫瘤生長和治療反應的測試。然而，無菌小鼠的免疫系統發育不正常，並且突然暴露於共生細菌會導致炎症和免疫應激，這可能會改變對治療的反應。用抗生素處理的小鼠而不是無菌小鼠的使用增加了複雜性，這是由於抗生素對宿主細胞的影響以及可能剩餘的宿主共生體與轉移的人類微生物的相互競爭。

Jennifer Wargo教授：既然研究者已經確定了微生物可以影響腫瘤的發生、發展和治療反應，我們仍然需要通過分析更多的患者隊列以及優化體外和體內模型來更好地瞭解這背後的機制。整合現有的和未來癌症患者隊列的數據對這一過程至關重要。然而，這是有困難的，因為在這些研究中涉及到了複雜的方法 (例如，樣品的收集、存儲和處理方式以及用於分析的測序方法存在較大差異)。其中重要和必要的第一步將是協調和標準化這些方法，以便可以更容易地比較各組之間的數據。在這樣的研究中，重要的是要記住這些腸道微生物並不是癌症的唯一影響因素，還有許多其他因素在起作用--包括宿主基因組學，宿主免疫，環境暴露(如紫外線輻射和吸菸)和腫瘤內在因素(如基因組，表觀基因組和腫瘤微環境的改變)。

2 如何設想我們對微生物組在癌症診斷和治療中的應用的理解，以及轉化的關鍵挑戰是什麼?

Eran Elinav教授：瞭解微生物組對癌症發生、進展和治療反應性的貢獻可以徹底改變患者的管理策略。現在已經確定，一些獨特的微生物參與了腫瘤形成。一個典型的例子是幽門螺桿菌，一種世界衛生組織公佈的I類致癌物，它會直接導致胃癌。其他細菌，如梭桿菌屬(Fusobacteriumspp.)，與結直腸腺癌相關，結腸癌患者中Escherichia coli的丰度也有所增加。進一步參與癌症的病因，微生物也可能有助於對化療治療方案的反應性或抵抗力。令人興奮的新的基於免疫檢查點抑制劑顯示出不同的效果，治療成功可能受到宿主因素和腸道微生物組成的影響。此外，已發現存在於腫瘤內的微生物可以賦予微生物藥物代謝所帶來的腫瘤化學抗性。

總體而言，Eran Elinav教授認為癌症護理的未來涉及到針對患者遺傳和微生物組特徵進行個性化的整體治療方法。腸道微生物參與致癌或調節治療效果也可能為改變微生物區組成和功能的新幹預鋪平道路。例如，益生菌或個性化的營養方法可能會改變微生物的群落結構，使之更有利於癌症治療的反應性。補充患者量身定做的益生菌可能對癌症治療成功至關重要。由共生細菌產生或修飾的分子組成的“Postbiotic”干預，可能使微生物衍生的小分子得到補充或抑制，從而影響人類宿主，同時繞過可變的微生物生態系統本身。在需要消除細菌的情況下，諸如噬菌體治療之類的新方法可能有助於消除促癌細菌，同時避免對整個微生物區系的不利改變。影響宿主-微生物群落可能使腸道屏障功能減弱，從而使化療藥物更好地吸收，或加強屏障，從而避免微生物進入引起感染和炎症的不良反應。總而言之，Eran Elinav教授設想在優化癌症患者護理的各種患者特定的、癌症特定的和症狀特定的上下文中組合使用這些模式。

Wendy S. Garrett教授：微生物組作為預後生物標誌物、指導選擇適當的個人預防和治療策略、一級和二級預防措施以及作為靶點和治療手段的輔助治療有著巨大的潛力。一個關鍵的挑戰是對癌症中的微生物進行適當的健康人群規模研究。我們迫切需要對微生物進行研究，無論是跨越癌症病種還是跨越更大規模的癌症類型--數以千計和數萬名受試者，而不是數百名受試者。

Giorgio Trinchieri 教授：針對幾種癌症，目前研究者已經提出了用於癌症診斷的微生物組組成分析方法。然而，最有希望的結果是基於對某些Fusobacterium spp菌株的鑑定，來作為結腸癌的獨立診斷標準。這種方法已經引起了人們的興趣，因為這項測試的侵襲性很低，但目前還沒有達到很高的準確度，而且它不會檢測出與Fusobacterium spp以外的細菌相關的結腸癌。由於某些細菌，當系統地使用時，往往會在腫瘤的厭氧微環境中選擇性地積累和增殖，因此人們建議將轉基因菌株用於腫瘤治療，這是一種有前途和值得追求的治療方法。

最近在實驗動物和病人身上的數據在一定程度上表明，腸道微生物的組成可以調節癌症化療和免疫治療的效果，以微生物為靶點可以提高免疫治療的成功率。然而，目前實施起來仍然存在一些障礙。用患者的菌群定殖小鼠已被用來證明某些微生物組合物增強免疫治療反應的機制。如上所述，轉移到小鼠中的人類微生物並不總是完美地複製供體微生物，這可能是不穩定的，並且小鼠對人類微生物的反應可能與患者的反應並不完全相同。在PD1治療的患者中的研究確定了似乎與響應率相關的微生物種類，但不幸的是，幾乎每項研究都確定了完全不同的和無關的種類。因此，確定可靠的微生物組相關的生物標誌物以預測臨床響應率仍然是一個巨大挑戰，這些有爭議的結果可能是由於人類微生物在個體之間和在不同地理區域的異質性。此外，在不同的臨床研究中發現的與臨床響應率相關的單個細菌種類可能只是更復雜的生態變化的冰山一角。

糞便移植試驗已經在計劃或已經啟動，來治療接受免疫治療的部分腫瘤患者。由於我們仍然無法確定有利的微生物組成，這些臨床方案一直基於將糞便微生物從對PD1治療成功應答的癌症患者轉移到治療失敗的患者上。當我們能夠為癌症治療確定一個有利的微生物組成時，最好利用來自健康捐贈者的平衡糞便微生物，而不是來自病人的失調微生物。此外，

Jennifer Wargo教授：微生物組正在成為一種潛在的生物標記物，也是改善癌症治療反應的治療靶點。也許到目前為止最有說服力的臨床數據是在免疫檢查點阻斷治療的背景下，一些研究現在已經證明了應答者和無應答者腸道微生物中的差異特徵(使用針對CTLA4和/或PD1的單克隆抗體治療幾種不同癌症類型的患者的隊列)。微生物組作為生物標誌物的發展是有吸引力的，因為一些研究已經證明了特定腸道微生物組特徵與免疫檢查點阻斷的反應-與腸道微生物中的特徵在選定研究中表現優於其他已知生物標誌物。然而，我們顯然還處於開發這些標誌物作為診斷標誌物的早期階段，並且這種方法的複雜性肯定存在。具體而言，

除了作為潛在的生物標記物的作用外，人們對腸道微生物對治療的影響包括癌症著濃厚的興趣，並正在進行努力。這種努力在治療艱難梭菌結腸炎等疾病方面取得了顯著成功，這是一種以腸道內某種特定細菌種類過度生長和嚴重失調為特徵的疾病，證明了難治性病例可以通過FMT來調節腸道微生物來治療。調節腸道微生物組的策略現在正被用於癌症的治療，然而，在使用這樣的方法時需要考慮多方面的因素，包括要使用的策略類型、條件調節方案和許多其他考慮因素。除了腸道微生物之外，考慮到其他潛在的影響，還必須考慮到其他部位(如皮膚、呼吸消化道和其他部位)的腫瘤微生物組成變化。

3 如何在微生物種類和癌症表型之間展示因果關係而不是相關關係?

Eran Elinav教授：事實上，雖然共生微生物和癌症的各種特徵之間的聯繫已經在許多研究和不同的癌症類型中顯示出來，但因果關係的機制證明構成了該領域的主要挑戰。例如，利用FMT從患者(對免疫治療有反應或無反應)轉入無菌小鼠，將表型轉移到受體小鼠。接受FMT治療的小鼠比未接受FMT治療的小鼠顯示了更高的CD8+ T細胞比例，這與人類數據一致，即接受FMT治療的小鼠與未接受FMT治療的小鼠相比，基線樣本中CD8+ T細胞比例更高。

Wendy S. Garrett教授：多學科的團隊科學研究包括在可靠的、可重複的臨床前模型中進行實驗(只要有可能，就應該使用多個模型來驗證觀察結果)，這對於從識別產生假設的相關性到為因果機制奠定基礎是必需和必要的。

GiorgioTrinchieri 教授：仍然有很多工作可以做，以優化臨床數據的解釋，並獲得明確支持相關性並可能暗示因果影響的證據。應將樣本收集、細菌裂解、DNA純化測序、生物信息學和統計分析的嚴格標準化應用於所有臨床研究，以提高在不同試驗和臨床中心比較結果的能力。對於使用宿主細胞和共生微生物的深入多組學研究的臨床研究的分析和解釋，應該使用最先進的系統分析和機器學習方法。因果關係的證據也將從使用糞便微生物移植或確定的細菌的臨床試驗結果中推斷出來。最終，精確的機制研究將不得不依賴於對無菌小鼠的使用，同時要注意人類和小鼠在生理上的差異。

Jennifer Wargo教授：雖然許多已發表的關於微生物物種組成和癌症或治療反應表型的數據僅顯示相關關係，但因果關係已經開始在某些情況下得到證明--對機制的洞察正在獲得。包括在免疫檢查點阻斷治療，其中顯示患者隊列關聯的研究得到小鼠模型數據的支持，這些數據表明應答者和無應答者表型可以通過FMT重現到無菌小鼠模型中。然而，儘管在這些已發表的文獻中，研究者顯示了隊列中與應答與無應答相關的特定細菌分類，但每個隊列之間幾乎沒有重疊。這與該領域的一些研究困境有關，來自專家研究人員的仔細分析表明，功能性方法(例如使用RNA測序或代謝組學分析微生物基因表達)可能需要幫助確定介導不同表型的基本機制。正在進行的和未來的分析應考慮到這些發現，幷包括標準化的測序方法以及功能分析，以獲得更好的洞察力。這些努力的關鍵是正在進行的和計劃中的臨床試驗，其中有許多，包括使用FMT調節腸道微生物組成和細菌組合或益生菌的干預，以及飲食調節。這些試驗應該包括密集的生物標誌物評估，理想的情況是標準化和協調性，分析技術和原始數據的收集。調節腫瘤部位或身體其他部位的微生物的研究也在進行中，儘管目前這些研究不如針對腸道微生物的那些研究的深入和全面。

4 除了細菌，是否還有其他微生物群，如病毒和真菌在腫瘤的發生、發展和治療反應中發揮作用?

Eran Elinav教授：事實上，腸道病毒、寄生蟲組和真菌組也是潛在重要的微生物組分，與細菌微生物組相比，對它們的研究要少多。一些傳染性非共生的DNA和RNA病毒(即人類乳頭瘤病毒，人類皰疹病毒8，EB病毒，鉅細胞病毒，丙型肝炎病毒和人類T淋巴細胞病毒1)被廣泛認為是致癌性的，並且這些可能在某些情況下在腫瘤發病中起作用。支原體改變被認為與急性移植物抗宿主病，舌鱗癌和結直腸癌有關。然而，對於這些有趣的聯繫，一個明確的因果關係還有待證明。同樣，噬菌體可能與細菌微生物群保持類似捕食者-獵物的關係，因此潛在地驅動與癌症相關的細菌擴張，這可能影響腫瘤的發生或對治療的反應。值得注意的是，腸道微生物群以外的微生物群，包括皮膚、口腔、泌尿生殖系統和呼吸系統微生物群，也可能有助於局部癌症的形成、進展、轉移和對治療的反應，但目前這方面的研究遠遠少於腸道微生物。總之，這些生態系統將構成未來十年癌症微生物組研究的令人興奮的新前沿。

Wendy S. Garrett教授：令人遺憾的是，認為微生物組只是細菌，對於理解微生物在癌症中的多方面作用是狹隘的。在癌症患者的腫瘤和糞便樣本中有病毒序列(噬菌體和非噬菌體)，它們代表了一個值得關注和研究的信號。除了真核生物如真菌外，癌症與非人源的真核生物之間也存在著長期的聯繫，例如血吸蟲和膀胱癌、活吸蟲和華支睪吸蟲、膽囊和膽管癌。除了癌症的發病、進展和治療反應外，微生物還可以通過感染導致癌症患者的發病和死亡。癌症治療可能使患者面臨治療相關的免疫妥協、醫院獲得性感染和多藥耐藥微生物感染之後的典型和非典型感染的風險，其次是複雜的臨床暴露和病史。

GiorgioTrinchieri 教授：除了幽門螺桿菌在胃癌中的作用外，所有被正式確認為人類致癌物的微生物都是病毒和寄生蟲。現在有證據表明真菌在上消化道腫瘤中的作用。微生物組分而不是細菌，包括噬菌體，在調節癌症治療中的作用仍然需要充分研究。

Jennifer Wargo教授：雖然目前許多研究主要集中在細菌及其在癌症發生、發展和治療反應中的作用，但其他微生物(如病毒、原生動物和真菌)也可能發揮重要作用，而且這些物質在目前的文獻中研究較少，其中許多研究使用16S測序，只關注細菌分類，而不考慮其他微生物。

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關鍵字: 傳染病 設計 機器學習