Nature Reviews Cancer：专家访谈之“肿瘤微生物组”

原创 莫沉 微生态 2019-11-25

导读

共生细菌和其他微生物定殖于我们身体的上皮表面，已被证明可以产生多种小分子和代谢物，这些小分子和代谢物对肿瘤的发生、发展和治疗反应都有局部或系统性的影响。然而到目前为止，大多数关于微生物组的研究都是基于传统的临床前小鼠模型，并初步确定了微生物种类和肿瘤表型之间的相关关系。

现在，多项研究已经表明，微生物对肿瘤治疗效果有着深远地影响，例如对于肿瘤免疫治疗，菌群的影响已经开始在患者身上广泛地表现出来。因此，对于研究者来说，基于菌群疗法的研发是至关重要的。微生物组研究的下一个挑战将是确定微生物影响癌症表型的因果关系，以及核心物种并揭示其潜在作用机制。

在这篇文章中，访问了四位致力于肿瘤微生物组研究的科学家，针对该领域的现状、研究方向以及如何提高我们的认知来合理设计以微生物为基础的疗法，从而革新肿瘤患者的现有的治疗策略。

论文ID

原名：The cancer microbiome

译名：肿瘤微生物组

期刊：Nature Reviews Cancer

IF：51.848

发表时间：2019.6.11

通讯作者：Eran Elinav, Wendy S.Garrett, Giorgio Trinchieri，Jennifer Wargo

专家介绍

EranElinav教授：以色列魏茨曼科学研究所免疫学教授、德国癌症微生物组部门主。他的研究重点是破译宿主-微生物相互作用的分子基础及其对健康和疾病的影响，目标是使医学和营养个性化。

WendyS. Garrett教授：哈佛大学免疫学和传染病教授、Dana-Farber癌症研究所胃肠肿瘤中心的内科肿瘤学家、哈佛陈公共卫生微生物研究中心的联合主任。她的实验室寻求进行侧重于癌症、炎症性肠道疾病以及免疫和上皮细胞发育和功能的机械性微生物组研究。

GiorgioTrinchieri 教授：美国国立卫生研究院(NIH)杰出研究员、癌症研究中心(CCR)及国家癌症研究所(NCI)癌症和炎症项目主任。多年来，他的研究重点是炎症、先天抵抗和适应性免疫之间的相互作用，以及促炎细胞因子和干扰素在造血调节、先天抵抗和对感染和肿瘤的免疫中的作用。他的实验室目前的重点是炎症、先天抵抗力、免疫和共生微生物群在癌症发生、癌症进展和癌症预防或治疗中的作用。

JenniferWargo教授：德克萨斯大学MD安德森癌症中心外科肿瘤学和基因组学副教授。她的主要兴趣是黑色素瘤和其他癌症的靶向治疗，新辅助策略以及肠道和肿瘤微生物对免疫和抗肿瘤免疫应答的影响。

专访内容

1 我们应该如何最好地模拟微生物对肿瘤的发生、发展和治疗反应的影响，并在当前基于临床前模型的基础上进行改进？

Eran Elinav教授：肠道微生物对肿瘤的影响取决于三个极其复杂、不断进化的生物实体之间的相互作用—微生物群、肿瘤和免疫系统。在恶性肿瘤的整个临床过程中解开这种复杂性的最佳模型是结合微生物组和宿主多基因组特征的综合方法(例如，通过16s核糖体RNA基因扩增子测序，微生物组的宏基因组测序和代谢组学表征，以及宿主的单细胞RNA测序)，临床前模型的使用(即，无菌小鼠，患者衍生的异种移植和器官移植)和高级计算工具。

与人类具有相容性的肿瘤临床前模型正变得越来越复杂，这有助于理解微生物在癌症中的作用。例如，在体内，涉及将人类肿瘤植入活体小鼠的患者衍生异种移植越来越多地用于高通量药物筛选，以发现患者特有的有效治疗方法。3D器官结构芯片等体外模型是在体内模拟癌症病理生理学特征，同时保留其微环境的某些方面。这使得研究者可以在高度受控的环境中研究肿瘤的进展、侵袭和转移，而在其他情况下，这种环境是不适合用体内模型进行研究的。在这样的体外系统中植入患者的个体微生物和肿瘤细胞可能有助于整合微生物效应和贡献，并预测患者对治疗的特异性反应，同时避免不必要的毒性。

Wendy S. Garrett教授：理想情况下，我们可以模拟微生物对癌症发生、发展和治疗的影响。然而在短期内，仍有一些需要进一步开发和努力的方法。类器官可以作为许多实体肿瘤的一种治疗方法。越来越多的生物样本库，包括学术的和商业的，提供具有优秀基因分型的人类来源的类器官，并且类器官的繁殖现在已经在许多实验室的财力范围之内。由于CRISPR-Cas技术，许多不同类型的类器官的基因操作现在是可以实现的。越来越多的细胞类型(例如免疫、基质细胞和微生物)正被整合到有机培养物中，使这些系统更好地模拟肿瘤微环境。此外，将类器官由内而外翻转的能力为模拟暴露(微生物产物或微生物代谢物)提供了机会，这些暴露会影响癌症的发生和进展，并更容易评估治疗的效果。

目前小鼠模型仍然是一个优秀的，但远不够完美的体内癌症研究模型。位点特异性重组酶、CRISPR-Cas和诱导表达(小分子和病毒)技术能够以时间可调和组织特异性的方式更有效地捕获小鼠体内的人类基因。人源化小鼠的技术令人震惊，并且有些技术操作十分的简单。Gnotobiotics (允许实验动物不含微生物或与特定的微生物群落定殖) 确实相当“低技术”，但其可以使小鼠能够通过从肿瘤本身或更常见的粪便样本中接种人类的微生物群落。上述方法虽然并不十分新潮，但正在大量的癌症微生物组研究中应用，这些研究正在揭示免疫肿瘤疗法为什么在患者身上起作用或失败的原因，并且也正在被转化为有益于患者的治疗策略。当然，饲养中固有的是饮食和其他环境暴露(例如，光照和外源物质)。微生物组和人群健康研究正在揭示食物和药物的环境因素对健康的重要性，而且越来越多的研究者开始考虑利用这些因素使小鼠成为更有效的人类癌症模型。除了通过基因组编辑、基因生物制剂、饮食和环境扰动使小鼠人性化外，还存在通过过继转移人CD34+干细胞与自体人胸腺移植物来人源化小鼠免疫系统的方法。

Giorgio Trinchieri 教授：研究微生物菌群或特定细菌种类对癌症发生和发展的影响的大多数研究都使用了遗传诱导或化学致癌小鼠模型，而癌症治疗的研究主要是基于小鼠可移植性肿瘤。事实上，免疫检查点抑制疗法的临床前模型大多使用可移植肿瘤，这些模型经常被批评为不能代表人类肿瘤。然而，在研究微生物对癌症治疗的影响时，与许多人类肿瘤相比，遗传操作的肿瘤模型存在许多限制，包括有限数量的突变和免疫原性降低。此外，这些模型中使用的病毒载体的转染效率和炎症的促瘤作用可能受到微生物的存在和组成的影响，这可能是一个混淆的来源，不仅在癌症治疗研究中，而且在评估微生物在癌症发生和发展中的作用时也是如此。使用可移植肿瘤时需要特别注意的是，大多数细胞系起源于B6小鼠已被重新排列复制的内源性小鼠白血病病毒(MLVs)感染，而MLV抗原是肿瘤相关的排斥抗原。此外，在可移植肿瘤中转染的人工抗原的普遍使用可能产生类似细菌抗原，产生在自体人类肿瘤中不存在的耐药性机制。

将人类共生菌定殖在小鼠上是评价微生物对肿瘤发生或治疗作用的常用方法。然而，人类共生细菌并不完全以与人类相同的方式在老鼠身上定殖。此外，小鼠粘膜和免疫系统对引入的共生菌的反应并不总是与人类的反应相同。

在癌症治疗研究中，主要目标是确定有利于治疗反应的微生物的组成，并设计针对微生物组以提高治疗效果的方法。为了研究人类共生细菌的作用，使用了移植来自健康捐赠者、患者的微生物的无菌小鼠。已经开始了使用粪便微生物移植的临床试验，旨在提高免疫治疗的响应率。与移植供体微生物相关的小鼠可能在理想情况下有助于预测移植是否可以有效地改善对治疗的反应。大多数研究使用的是与病人粪便菌群相关的无菌小鼠模型，然后很快进行肿瘤生长和治疗反应的测试。然而，无菌小鼠的免疫系统发育不正常，并且突然暴露于共生细菌会导致炎症和免疫应激，这可能会改变对治疗的反应。用抗生素处理的小鼠而不是无菌小鼠的使用增加了复杂性，这是由于抗生素对宿主细胞的影响以及可能剩余的宿主共生体与转移的人类微生物的相互竞争。

Jennifer Wargo教授：既然研究者已经确定了微生物可以影响肿瘤的发生、发展和治疗反应，我们仍然需要通过分析更多的患者队列以及优化体外和体内模型来更好地了解这背后的机制。整合现有的和未来癌症患者队列的数据对这一过程至关重要。然而，这是有困难的，因为在这些研究中涉及到了复杂的方法 (例如，样品的收集、存储和处理方式以及用于分析的测序方法存在较大差异)。其中重要和必要的第一步将是协调和标准化这些方法，以便可以更容易地比较各组之间的数据。在这样的研究中，重要的是要记住这些肠道微生物并不是癌症的唯一影响因素，还有许多其他因素在起作用--包括宿主基因组学，宿主免疫，环境暴露(如紫外线辐射和吸烟)和肿瘤内在因素(如基因组，表观基因组和肿瘤微环境的改变)。

2 如何设想我们对微生物组在癌症诊断和治疗中的应用的理解，以及转化的关键挑战是什么?

Eran Elinav教授：了解微生物组对癌症发生、进展和治疗反应性的贡献可以彻底改变患者的管理策略。现在已经确定，一些独特的微生物参与了肿瘤形成。一个典型的例子是幽门螺杆菌，一种世界卫生组织公布的I类致癌物，它会直接导致胃癌。其他细菌，如梭杆菌属(Fusobacteriumspp.)，与结直肠腺癌相关，结肠癌患者中Escherichia coli的丰度也有所增加。进一步参与癌症的病因，微生物也可能有助于对化疗治疗方案的反应性或抵抗力。令人兴奋的新的基于免疫检查点抑制剂显示出不同的效果，治疗成功可能受到宿主因素和肠道微生物组成的影响。此外，已发现存在于肿瘤内的微生物可以赋予微生物药物代谢所带来的肿瘤化学抗性。

总体而言，Eran Elinav教授认为癌症护理的未来涉及到针对患者遗传和微生物组特征进行个性化的整体治疗方法。肠道微生物参与致癌或调节治疗效果也可能为改变微生物区组成和功能的新干预铺平道路。例如，益生菌或个性化的营养方法可能会改变微生物的群落结构，使之更有利于癌症治疗的反应性。补充患者量身定做的益生菌可能对癌症治疗成功至关重要。由共生细菌产生或修饰的分子组成的“Postbiotic”干预，可能使微生物衍生的小分子得到补充或抑制，从而影响人类宿主，同时绕过可变的微生物生态系统本身。在需要消除细菌的情况下，诸如噬菌体治疗之类的新方法可能有助于消除促癌细菌，同时避免对整个微生物区系的不利改变。影响宿主-微生物群落可能使肠道屏障功能减弱，从而使化疗药物更好地吸收，或加强屏障，从而避免微生物进入引起感染和炎症的不良反应。总而言之，Eran Elinav教授设想在优化癌症患者护理的各种患者特定的、癌症特定的和症状特定的上下文中组合使用这些模式。

Wendy S. Garrett教授：微生物组作为预后生物标志物、指导选择适当的个人预防和治疗策略、一级和二级预防措施以及作为靶点和治疗手段的辅助治疗有着巨大的潜力。一个关键的挑战是对癌症中的微生物进行适当的健康人群规模研究。我们迫切需要对微生物进行研究，无论是跨越癌症病种还是跨越更大规模的癌症类型--数以千计和数万名受试者，而不是数百名受试者。

Giorgio Trinchieri 教授：针对几种癌症，目前研究者已经提出了用于癌症诊断的微生物组组成分析方法。然而，最有希望的结果是基于对某些Fusobacterium spp菌株的鉴定，来作为结肠癌的独立诊断标准。这种方法已经引起了人们的兴趣，因为这项测试的侵袭性很低，但目前还没有达到很高的准确度，而且它不会检测出与Fusobacterium spp以外的细菌相关的结肠癌。由于某些细菌，当系统地使用时，往往会在肿瘤的厌氧微环境中选择性地积累和增殖，因此人们建议将转基因菌株用于肿瘤治疗，这是一种有前途和值得追求的治疗方法。

最近在实验动物和病人身上的数据在一定程度上表明，肠道微生物的组成可以调节癌症化疗和免疫治疗的效果，以微生物为靶点可以提高免疫治疗的成功率。然而，目前实施起来仍然存在一些障碍。用患者的菌群定殖小鼠已被用来证明某些微生物组合物增强免疫治疗反应的机制。如上所述，转移到小鼠中的人类微生物并不总是完美地复制供体微生物，这可能是不稳定的，并且小鼠对人类微生物的反应可能与患者的反应并不完全相同。在PD1治疗的患者中的研究确定了似乎与响应率相关的微生物种类，但不幸的是，几乎每项研究都确定了完全不同的和无关的种类。因此，确定可靠的微生物组相关的生物标志物以预测临床响应率仍然是一个巨大挑战，这些有争议的结果可能是由于人类微生物在个体之间和在不同地理区域的异质性。此外，在不同的临床研究中发现的与临床响应率相关的单个细菌种类可能只是更复杂的生态变化的冰山一角。

粪便移植试验已经在计划或已经启动，来治疗接受免疫治疗的部分肿瘤患者。由于我们仍然无法确定有利的微生物组成，这些临床方案一直基于将粪便微生物从对PD1治疗成功应答的癌症患者转移到治疗失败的患者上。当我们能够为癌症治疗确定一个有利的微生物组成时，最好利用来自健康捐赠者的平衡粪便微生物，而不是来自病人的失调微生物。此外，

Jennifer Wargo教授：微生物组正在成为一种潜在的生物标记物，也是改善癌症治疗反应的治疗靶点。也许到目前为止最有说服力的临床数据是在免疫检查点阻断治疗的背景下，一些研究现在已经证明了应答者和无应答者肠道微生物中的差异特征(使用针对CTLA4和/或PD1的单克隆抗体治疗几种不同癌症类型的患者的队列)。微生物组作为生物标志物的发展是有吸引力的，因为一些研究已经证明了特定肠道微生物组特征与免疫检查点阻断的反应-与肠道微生物中的特征在选定研究中表现优于其他已知生物标志物。然而，我们显然还处于开发这些标志物作为诊断标志物的早期阶段，并且这种方法的复杂性肯定存在。具体而言，

除了作为潜在的生物标记物的作用外，人们对肠道微生物对治疗的影响包括癌症着浓厚的兴趣，并正在进行努力。这种努力在治疗艰难梭菌结肠炎等疾病方面取得了显着成功，这是一种以肠道内某种特定细菌种类过度生长和严重失调为特征的疾病，证明了难治性病例可以通过FMT来调节肠道微生物来治疗。调节肠道微生物组的策略现在正被用于癌症的治疗，然而，在使用这样的方法时需要考虑多方面的因素，包括要使用的策略类型、条件调节方案和许多其他考虑因素。除了肠道微生物之外，考虑到其他潜在的影响，还必须考虑到其他部位(如皮肤、呼吸消化道和其他部位)的肿瘤微生物组成变化。

3 如何在微生物种类和癌症表型之间展示因果关系而不是相关关系?

Eran Elinav教授：事实上，虽然共生微生物和癌症的各种特征之间的联系已经在许多研究和不同的癌症类型中显示出来，但因果关系的机制证明构成了该领域的主要挑战。例如，利用FMT从患者(对免疫治疗有反应或无反应)转入无菌小鼠，将表型转移到受体小鼠。接受FMT治疗的小鼠比未接受FMT治疗的小鼠显示了更高的CD8+ T细胞比例，这与人类数据一致，即接受FMT治疗的小鼠与未接受FMT治疗的小鼠相比，基线样本中CD8+ T细胞比例更高。

Wendy S. Garrett教授：多学科的团队科学研究包括在可靠的、可重复的临床前模型中进行实验(只要有可能，就应该使用多个模型来验证观察结果)，这对于从识别产生假设的相关性到为因果机制奠定基础是必需和必要的。

GiorgioTrinchieri 教授：仍然有很多工作可以做，以优化临床数据的解释，并获得明确支持相关性并可能暗示因果影响的证据。应将样本收集、细菌裂解、DNA纯化测序、生物信息学和统计分析的严格标准化应用于所有临床研究，以提高在不同试验和临床中心比较结果的能力。对于使用宿主细胞和共生微生物的深入多组学研究的临床研究的分析和解释，应该使用最先进的系统分析和机器学习方法。因果关系的证据也将从使用粪便微生物移植或确定的细菌的临床试验结果中推断出来。最终，精确的机制研究将不得不依赖于对无菌小鼠的使用，同时要注意人类和小鼠在生理上的差异。

Jennifer Wargo教授：虽然许多已发表的关于微生物物种组成和癌症或治疗反应表型的数据仅显示相关关系，但因果关系已经开始在某些情况下得到证明--对机制的洞察正在获得。包括在免疫检查点阻断治疗，其中显示患者队列关联的研究得到小鼠模型数据的支持，这些数据表明应答者和无应答者表型可以通过FMT重现到无菌小鼠模型中。然而，尽管在这些已发表的文献中，研究者显示了队列中与应答与无应答相关的特定细菌分类，但每个队列之间几乎没有重叠。这与该领域的一些研究困境有关，来自专家研究人员的仔细分析表明，功能性方法(例如使用RNA测序或代谢组学分析微生物基因表达)可能需要帮助确定介导不同表型的基本机制。正在进行的和未来的分析应考虑到这些发现，并包括标准化的测序方法以及功能分析，以获得更好的洞察力。这些努力的关键是正在进行的和计划中的临床试验，其中有许多，包括使用FMT调节肠道微生物组成和细菌组合或益生菌的干预，以及饮食调节。这些试验应该包括密集的生物标志物评估，理想的情况是标准化和协调性，分析技术和原始数据的收集。调节肿瘤部位或身体其他部位的微生物的研究也在进行中，尽管目前这些研究不如针对肠道微生物的那些研究的深入和全面。

4 除了细菌，是否还有其他微生物群，如病毒和真菌在肿瘤的发生、发展和治疗反应中发挥作用?

Eran Elinav教授：事实上，肠道病毒、寄生虫组和真菌组也是潜在重要的微生物组分，与细菌微生物组相比，对它们的研究要少多。一些传染性非共生的DNA和RNA病毒(即人类乳头瘤病毒，人类疱疹病毒8，EB病毒，巨细胞病毒，丙型肝炎病毒和人类T淋巴细胞病毒1)被广泛认为是致癌性的，并且这些可能在某些情况下在肿瘤发病中起作用。支原体改变被认为与急性移植物抗宿主病，舌鳞癌和结直肠癌有关。然而，对于这些有趣的联系，一个明确的因果关系还有待证明。同样，噬菌体可能与细菌微生物群保持类似捕食者-猎物的关系，因此潜在地驱动与癌症相关的细菌扩张，这可能影响肿瘤的发生或对治疗的反应。值得注意的是，肠道微生物群以外的微生物群，包括皮肤、口腔、泌尿生殖系统和呼吸系统微生物群，也可能有助于局部癌症的形成、进展、转移和对治疗的反应，但目前这方面的研究远远少于肠道微生物。总之，这些生态系统将构成未来十年癌症微生物组研究的令人兴奋的新前沿。

Wendy S. Garrett教授：令人遗憾的是，认为微生物组只是细菌，对于理解微生物在癌症中的多方面作用是狭隘的。在癌症患者的肿瘤和粪便样本中有病毒序列(噬菌体和非噬菌体)，它们代表了一个值得关注和研究的信号。除了真核生物如真菌外，癌症与非人源的真核生物之间也存在着长期的联系，例如血吸虫和膀胱癌、活吸虫和华支睾吸虫、胆囊和胆管癌。除了癌症的发病、进展和治疗反应外，微生物还可以通过感染导致癌症患者的发病和死亡。癌症治疗可能使患者面临治疗相关的免疫妥协、医院获得性感染和多药耐药微生物感染之后的典型和非典型感染的风险，其次是复杂的临床暴露和病史。

GiorgioTrinchieri 教授：除了幽门螺杆菌在胃癌中的作用外，所有被正式确认为人类致癌物的微生物都是病毒和寄生虫。现在有证据表明真菌在上消化道肿瘤中的作用。微生物组分而不是细菌，包括噬菌体，在调节癌症治疗中的作用仍然需要充分研究。

Jennifer Wargo教授：虽然目前许多研究主要集中在细菌及其在癌症发生、发展和治疗反应中的作用，但其他微生物(如病毒、原生动物和真菌)也可能发挥重要作用，而且这些物质在目前的文献中研究较少，其中许多研究使用16S测序，只关注细菌分类，而不考虑其他微生物。

閱讀更多 營養醫學 的文章

關鍵字: 传染病 设计 机器学习