乍一看，腸道微生物群在人體免疫系統反應中發揮著重要作用，這似乎很奇怪。然而，考慮到絕大多數的免疫細胞（高達70%~80%）定期在腸道中活動，這就一點也不奇怪了。在腸道這個身體巨大的“交通樞紐”中，免疫細胞直接與外界接觸，接觸到腸道微生物驚人的基因多樣性。腸道微生物組由數萬億個主要是細菌的細胞組成，在日常生活中幫助消化以及合成維生素和其他營養物質，同時排出代謝產物。流動的免疫細胞確保“好的”微生物和人體細胞在入侵者被根除的同時得到耐受。
雖然分子細節還遠未被完全了解，但很明顯，擁有健康的腸道微生物組可以確保T細胞廣泛地針對抗原，并被激活成細胞毒性CD8+ T細胞，從而浸潤并攻擊腫瘤細胞。免疫檢查點抑制劑（CPI）療法的進展表明，有時，當細胞毒性T細胞反應的檢查點或剎車被移除時，即使是轉移性腫瘤也可以縮小和控制。然而，腫瘤學家沮喪地發現，通常只有不到30%~40%的患者對CPI療法有反應。
現在，研究表明，當聯合CPI療法（如抗PD-1、抗PD-L1和抗CTLA-4免疫療法）時，一個健康的、多樣化的腸道微生物組會使患者有更好的反應。弄清楚是哪些微生物或是哪些代謝物或產品正在塑造這些免疫反應，已經成為該領域研究人員之間的一項競爭。但這些“微生物管理者”希望能找到推動患者腸道微生物群的方法，以激活他們的抗癌T細胞，將更多的患者轉化為CPI應答者。
“有大量文獻表明腸道菌群在校準系統免疫反應中發揮作用。”明尼蘇達大學微生物菌群治療項目主任Alexander Khoruts表示。他是最早使用糞便微生物群移植（FMTs）治療復發性艱難梭狀芽孢桿菌感染患者的胃腸病學家之一。
揭示腸道與癌癥之間的聯系
2013年，位于法國維勒瑞夫的古斯塔夫•魯西癌癥學院的Laurence Zitvogel和她的團隊得出結論，與具有完整腸道微生物群的小鼠相比，腸道微生物群缺失或耗盡的小鼠對化療的免疫反應較弱。
這是一個如此新穎的想法，但它立即引發了質疑。位于馬薩諸塞州劍橋市的Vedanta 生物科學公司首席執行官Bernat Olle回憶起當時的想法：“我不知道自己是否相信這一點。”癌癥一直被認為是一種基因組和累積突變的疾病，“但是，我們現在知道，癌癥也是一種涉及無效免疫反應的疾病”。
Zitvogel團隊2015年的工作說服了Olle并開啟了這一領域。當他們用伊匹單抗（ipilimumab）治療小鼠肉瘤時，發現CPI可以控制具有正常腸道微生物群的無病原體小鼠的腫瘤，但不能控制沒有腸道微生物群的無菌小鼠的腫瘤。關鍵是，將有益菌種轉移回這些小鼠體內可以恢復CPI的抗癌活性。
Vedanta的科學創始人之一兼日本理化學研究所綜合醫學科學中心團隊領導人Kenya Honda，發現細胞毒性CD8+T細胞的誘導發生于腸道中，并且其取決于微生物組的存在。
“顯然，我對Zitvogel最初的發現的第一反應是那是錯誤的。”Olle說。他回憶說，就在10年前，我們曾認為免疫系統的功能是區分自身與非自身。但Olle認為現在它的作用應該更為廣泛——它進行分類，快速決定該攻擊誰和耐受誰。“也許免疫系統更像是人體內的園丁，決定哪些雜草必須拔除，哪些可以留在草坪上。”
自Zitvogel團隊最初發現以來，許多研究表明，接受廣泛的且已知會減少腸道微生物群的抗生素治療的患者，對CPI的反應不佳，對疫苗的適應性免疫反應較差。
腸道微生物群影響T細胞并進而影響癌癥免疫治療的潛在機制之一，是通過大量可充當免疫調節信號的腸道代謝物。“T細胞可以從腸道細菌中得到培養，然后每天多次循環到身體的其他部位。”Olle說，“腸道內發生的事情會影響整個免疫系統。”
微生物和T細胞之間的“黑匣子”
微生物及其代謝物、T細胞和其他免疫細胞之間的這些相互作用究竟是如何展開的，在很大程度上仍然是一個謎。
“某些細菌的存在會影響活化的細胞毒性CD8+ T細胞的平衡。”位于亞利桑那州弗拉格斯塔夫的轉化基因組學研究所微生物基因組科學家Sarah Highlander指出。
但研究人員仍然需要確定哪些有益細菌必須存在，以及它們如何在分子層面開啟T細胞。Highlander和她的合作者、希望之城癌癥中心的腫瘤學家Sumanta Pal對接受抗PD-1 CPI治療的患者的腸道微生物群進行了縱向跟蹤。
他們發現，與無反應者相比，對CPI有反應的轉移性腎細胞癌患者具有更多樣化的腸道微生物多樣性，尤其是嗜黏蛋白阿克曼菌的豐度增加。
在Pal看來，腸道上皮細胞通過分泌炎性細胞因子對鄰近的某些微生物做出反應，進而影響T細胞的活化，這也是Olle對這個過程的設想。Vedanta已經證明，它的共生菌群必須是活的，從而產生代謝物和信號才能有效。
但是在這個過程中有很多步驟的機制是未知的：微生物是直接還是間接地向T細胞發出信號？微生物組還會影響其他類型的T細胞（輔助T細胞、調控T細胞）嗎？一旦T細胞在腸道中被完全激活，它們如何找到進入和浸潤腫瘤的途徑？
Khoruts解釋稱，在腸道微生物產生的物質和被激活的T細胞數量之間存在幾個“黑匣子”的原因之一，是從人類患者身上提取這些T細胞并對其進行研究是極其困難的。
另一陣營的研究人員將這一理論進一步推進，他們認為在腸道中發現的大量微生物產物中，有些可能會模擬腫瘤抗原，更直接地產生一種腫瘤定向的T細胞群。
位于法國巴黎的Enterome公司首席科學官Christophe Bonny表示：“我們相信腸道是T細胞的儲存器，它可以識別模擬腫瘤抗原的細菌抗原。”
基于腸道微生物組的藥物
如今，開發和測試基于腸道微生物群的方法的競賽開始了，這些方法旨在將癌癥患者轉變為CPI應答者。
“這就是‘圣杯’。”Highlander說，“以藥丸形式添加一些細菌，把患者變成一個好的CPI應答者。”她預測，可能會有許多成功的產品可以實現這一目標。“我們從人類腸道微生物組項目中了解到，人們可以擁有非常不同的腸道微生物組群落，但它們在功能上是相同的。”
她參與測試了CBM588（一種丁酸梭菌的結晶形式）與CPI治療的聯合療法。這種細菌會產生丁酸鹽，這是一種短鏈脂肪酸，被認為可以促進某些雙歧桿菌的生長，而雙歧桿菌是在應答者的腸道微生物群中發現的一種。
Vedanta生物科學公司基于Honda的研究成果開發出了VE800，這是一種純化的、凍干的11種細菌菌株的混合物，可以激活產生干擾素-γ的細胞毒性T細胞。它正在與CPI nivolumab聯合用于晚期結直腸癌、胃癌和黑色素瘤患者的試驗中。在試驗期間，Vedanta公司計劃對患者的糞便樣本進行測序，以觀察VE800菌株是否以及在何種程度上在腸道中定殖。
位于馬薩諸塞州劍橋市的Seres Therapeutics公司正在測試另一種細菌聯合候選藥物SER-401，用于與nivolumab聯合治療轉移性黑色素瘤。SER-401含有從健康人類捐贈者糞便中分離和純化的菌株，患者將在8周內每天服用，從CPI療程之前開始并繼續服用。Seres公司執行副總裁兼首席科學官Matthew Henn表示，該藥物的設計基于與位于得克薩斯州休斯敦的MD安德森癌癥中心的Jennifer Wargo的合作，該合作揭示了與CPI反應相關的菌株的關鍵特征，包括來自瘤胃菌科家族的細菌。
Khoruts和腸道微生物群治療項目正在測試一種名為MTP101的“FMT藥丸”配方，與CPI durvalumab相結合用于治療非小細胞肺癌。與Vedanta和Seres候選藥物相比，MTP101是從健康供體糞便中純化并冷凍干燥的完整微生物組。
Khoruts承認，像他這樣使用類似FMT的全微生物組藥片的試驗，應該與其他已經縮小到少數幾種菌株的方法同時進行。“我們可以從彼此的數據中學習。”Khoruts說。
位于奧羅拉的科羅拉多大學安舒茨醫學院的醫學腫瘤學家Ryan Weight指出，膠囊化的細菌混合物是否真的會在癌癥患者的腸道中定殖是一個懸而未決的問題。這對其他類型的患者來說也是如此——尚未證明“FMT藥丸”產品能定殖在人類腸道中，而且艱難梭菌感染患者的FMT究竟隨著時間的推移如何改變其腸道菌群仍然是有爭議的。
“所有這些都屬于醫生尚未使用的治療方法。”Khoruts表示，評估這些藥物的配方、劑量、在體內的命運和藥效學，是藥理學的一個全新領域。
Khoruts指出，這些方法與使用FMTs治療艱難梭菌患者非常不同，因為這些患者的原生微生物幾乎被強力抗生素消滅了，這就好比期待一塊被除草劑和化肥破壞的土地能長出健康的莊稼一樣。癌癥患者通常仍然擁有自己原生的、完整的腸道微生物群，這更像是一個成熟的大草原，腫瘤學家正試圖在那里播種一些有益物種。
挖掘腸道微生物群中的抗原
Enterome正在基于腫瘤抗原模擬的想法采取一種完全不同的方法。最近，該公司及其合作者公布了對8000多人腸道微生物群進行測序的2000萬個基因，代表了4600多種微生物。
為了從2000萬種細菌產品中篩選出可能喚醒患者CPI免疫應答的產品，Enterome在數據集上運行了幾個生物信息學過濾器，以獲得一個包含2萬種蛋白質的“短名單”。這些小的分泌分子類似于細胞因子、趨化因子或激素，可能與人類細胞受體相互作用。
接下來，Enterome在這些細菌多肽中尋找類似于特定腫瘤抗原的分子，如在膠質母細胞瘤中特異表達的IL-13Rα2。Enterome把三種細菌抗原放入其疫苗產品EO2401中，希望喚醒識別這些抗原的T細胞。
在測試中，膠質母細胞瘤患者在CPI療程的前幾個月每3周接種一次疫苗。“如果我們是正確的，我們的目標是看到這些微生物抗原的記憶T細胞群。”Bonny表示，“所以我們預計很快會有結果。”
潛在陷阱中的希望
過去五年這一領域的工作表明，腫瘤學家“需要關注這種復雜的相互作用是如何在治療患者中發揮作用的”，Weight指出。在他的實踐中，這意味著建議患者在開始CPI治療前的6~8周內不要服用抗生素。而且令人驚訝的是，他還建議患者在這個階段不要服用非處方益生菌。根據Weight的說法，沒有證據表明益生菌能提高CPI療法的療效。事實上，這些經過高度選擇的菌株可能會破壞患者腸道的天然微生物群，而這種微生物群可以起到保護作用。
Pal還提醒道，研究人員需要更好地了解腸道微生物群是如何影響免疫治療的。“在我們為患者提供強化阿克曼菌的產品之前，需要知道阿克曼菌確實是一個關鍵因素。”
在這個極其復雜的領域里，研究人員還有很多問題需要回答。
“免疫腫瘤學是癌癥研究的一個巨大突破。”Khoruts指出美國前總統吉米•卡特因為CPI療法而活了下來。他表示，微生物群—腫瘤學領域還處于非常早期的階段，有許多不同的想法需要探討，有許多備選方案需要進行測試。“即使在最好的情況下，也只有40%的患者對CPI有反應，我們還有很大的發展空間來提高這一比例。”■
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Kendall Powell 是科羅拉多州拉斐特市的一名自由科學作家。
鳴謝：“原文由美國科學促進會（www.aaas.org）發布在2020年11月20日《科學》雜志”。官方英文版請見https://www.science.org/content/article/can-patients-gut-microbes-help-fight-cancer。