腸道微生物在乳腺癌中的研究進展*

呂文豪 綜述,張亞芬,2△審校

1.山西醫科大學第五臨床醫學院,山西太原 030012;2.山西省人民醫院乳腺科,山西太原 030012

乳腺癌是一種影響全球女性的常見惡性腫瘤,每年估計新增 200 萬例乳腺癌患者。發達國家的發病率較高,可能與生活方式和遺傳因素有關[1]。有研究表明腸道微生物群(GM)在乳腺癌的發病過程中發揮著一定作用[2],特別是糞菌轉移(FMT)實驗和抗菌藥物使用研究表明GM微生態失調可能是罹患乳腺癌的一個重要因素[3]。GM是人體的第二基因組,扮演著“共生生物”的角色,有上千種的微生物定植在成人的腸道中,基因數超過人類100多倍[4]。GM通過調節激素代謝、影響DNA雙鏈穩定和代謝物反應等影響乳腺癌[5]。其他研究發現,益生菌和FMT可以在乳腺癌中發揮重要的抗癌作用[6]。因此,GM在乳腺癌的發生、發展及治療方面均起著舉足輕重的作用。

1 乳腺癌患者中GM的改變

近年來,GM在腫瘤領域中充當的關鍵角色引起了學者們的廣泛關注,特別是GM與乳腺癌的相互作用。GM的構成受多種遺傳因素(例如個體基因型)和表觀遺傳因素(例如宿主微生物群、飲食和抗菌藥物治療)控制[7]。正常的GM在宿主消化吸收營養物質、參與外源生物制劑和藥物的代謝、維持腸黏膜屏障結構完整性、免疫調節和抵抗病原體方面發揮著重要作用。GM的紊亂(生態失調)會導致癌癥和各種急慢性疾病的發生、發展。GM、腸外微生物群,甚至最新提出的癌癥組織微生物群都可能在宿主的遺傳、免疫、環境、乳腺癌相關臨床和組織病理學特性之間產生相互作用。VELICER等[8]在病例對照研究中提出GM失調與乳腺癌之間的聯系,試驗結果表明抗菌藥物的使用會抑制腸道內共生細菌的種類,同時使條件致病菌富集,增加了乳腺癌的發病率和病死率。此外,有研究證明,GM和宿主共生穩態的失衡系統性和局部性地增強了腫瘤微環境中的纖維化和膠原蛋白沉積,并導致乳腺組織和腫瘤中發生顯著的早期炎癥和骨轉移[9]。這些影響是通過腸道信號引發的,表明腸道微生態失衡對乳腺腫瘤轉移有直接影響。MINELLI等[10]在一項比較乳腺癌患者和健康對照組GM差異的研究中發現,乳腺癌患者糞便樣品中梭狀芽孢桿菌、腸桿菌、乳桿菌和擬桿菌含量更高。在另一項詳細研究中,PARIDA 等[11]報道,當腸道或乳腺組織中存在產生毒素的脆弱擬桿菌菌株時,可能會增加乳腺癌的侵襲性,誘導乳腺癌細胞的自我更新并引發向遠處器官的轉移擴散。這些研究為GM在乳腺癌中發揮的作用提供了循證醫學依據,因此可以通過適當調節GM中不同菌群豐度控制乳腺癌的進展,同時也可將其作為乳腺癌的診斷依據之一,為乳腺癌的診治開拓新興領域。

2 GM在乳腺癌中的致病機制

2.1GM對雌激素代謝的影響 激素失衡是罹患乳腺癌的危險因素之一,其中雌激素過多暴露被認為是最關鍵的因素,它可以通過雌激素依賴性增加癌細胞增殖、刺激血管生成、促進乳腺癌細胞轉移和誘導化療耐藥[12]。雌激素主要在絕經前卵巢和絕經后肌肉、脂肪和其他外周組織中合成,其代謝主要發生在肝臟中,包括不可逆羥化;雌激素經肝臟葡萄糖醛酸化和磺化形成無活性的葡萄糖醛酸-雌激素結合物,通過膽汁排泄到腸道,部分通過尿液或糞便排出體外,部分被細菌產生的β-葡萄糖醛酸酶水解結合,通過黏膜以活性游離雌激素的形式重新吸收進入循環系統,導致雌激素暴露,從而增加罹患乳腺癌的風險[13]。產生β-葡萄糖醛酸酶的細菌包括阿里菌屬、擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、柯林斯菌屬、愛德華菌屬、糞桿菌屬、乳桿菌屬和羅斯伯利亞菌屬[14]。研究表明,無菌小鼠中未檢測到有活性的β-葡萄糖醛酸酶,C57BL/6 小鼠的β-葡萄糖醛酸酶活性隨年齡的增長而發生性別依賴性變化,隨著年齡的增長,雌性小鼠體內β-葡萄糖醛酸酶活性顯著上升,而雄性小鼠各年齡段β-葡萄糖醛酸酶活性無明顯差異[15]。由此可見,GM可通過產生活性β-葡萄糖醛酸酶使得腸道中雌激素重吸收入血,增加雌激素暴露水平,進而使罹患乳腺癌的風險增加。

2.2GM對雙鏈DNA的影響 DNA雙鏈斷裂是最致命的DNA損傷,DNA雙鏈斷裂修復機制涉及非同源末端連接。因斷裂部位的堿基丟失,修復過程很容易導致連接錯誤,隨著時間的推移,細胞中這些錯誤修復的積累會導致基因組不穩定的風險增加,從而增加患癌概率。URBANIAK等[16]使用16S rRNA擴增測序發現,大腸埃希菌和葡萄球菌這兩類細菌在乳腺癌患者中比健康對照者更豐富。從乳腺癌患者中分離出的表皮葡萄球菌和大腸埃希菌被證明使用組蛋白-2AX(H2AX)磷酸化(γ-H2AX)測定可誘導HeLa細胞中的DNA雙鏈斷裂。由大腸埃希菌和幽門螺桿菌等菌株引起的DNA雙鏈斷裂在長期積累后可能會導致染色體不穩定,影響轉錄和翻譯,導致基因突變,促進腫瘤發生、發展[17]。同時,GM釋放的基因毒素具有 DNA 酶活性。一旦經血液循環釋放到靶器官附近,這些毒素就會導致宿主細胞中的雙鏈DNA斷裂,引起不同程度的基因突變,增加患癌風險。GORI等[18]研究發現,革蘭陰性菌產生的細胞致死膨脹毒素(CDT)具有脫氧核糖核酸酶(DNAse)活性,這種毒素在胃腸道上皮附近釋放時,會直接導致上皮細胞的DNA雙鏈發生斷裂,從而促進短暫的細胞周期停滯并出現可導致腫瘤形成的突變。

2.3GM代謝產物對乳腺癌的影響 宿主和GM之間存在復雜的雙向相互作用,宿主通過行為、飲食、代謝和免疫特性控制GM的組成。GM通過多種途徑發揮作用,包括釋放其自身代謝物[例如短鏈脂肪酸 (SCFA)]、宿主代謝物(例如次級膽汁酸)或合成維生素來誘導免疫反應的產生、基因表達的變化和調節宿主信號傳導。

2.3.1SCFA SCFA一直是GM代謝產物的研究熱點。GM利用膳食纖維中不可消化的碳水化合物發酵產生多種SCFAs。腸道總濃度大于100 mmol/mL的SCFAs主要是乙酸、丙酸和丁酸,可以誘導腸上皮細胞分泌各種物質,例如前列腺素、抗微生物肽和黏蛋白-2來保護腸屏障的完整性[19]。有研究表明SCFAs可以直接影響乳腺癌細胞的凋亡和轉移,GM產生的 SCFAs 對細胞穩態至關重要,可以通過多種途徑發揮作用,包括基因表達的修飾(例如組蛋白脫乙酰酶和其他脂質介導的轉錄因子激活)或宿主信號轉導的調節,從而影響細胞附著、免疫細胞遷移、細胞因子產生、趨化性和程序性細胞死亡[20]。HE等[21]發現,與絕經前健康女性相比,絕經前乳腺癌患者GM的組成和共生關系發生了明顯改變,產生SCFAs的細菌豐度明顯降低,產生SCFAs的關鍵酶也顯著減少。片球菌和脫硫弧菌作為產生 SCFAs的細菌,具有診斷絕經前乳腺癌的潛力。丙酸和丁酸在體外抑制乳腺癌細胞系細胞生長的能力表明相關的 SCFAs受體可能成為絕經前乳腺癌治療的新靶點。

2.3.2次級膽汁酸 膽汁酸在肝臟中心靜脈周圍的肝細胞中由膽固醇合成并轉運至腸道參與脂肪代謝吸收,大多數膽汁酸在經腸肝循環被重吸收入肝臟。極少數膽汁酸(5%～10%)在腸道內則作為微生物代謝底物,轉化為疏水性次級膽汁酸,如脫氧膽酸(DCA)和石膽酸(LCA)[22]。次級膽汁酸僅通過微生物群合成,對乳腺癌細胞具有抑制作用。LCA是由鵝去氧膽酸(CDCA)合成的次級膽汁酸,在腸道中合成,通過血流進入乳房,在創造抗腫瘤微環境中發揮著重要作用。LCA可以通過抑制上皮-間質轉化(上皮細胞轉換成為具有活動能力的間質細胞并獲得侵襲和遷移能力的過程)和血管內皮生長因子的表達,降低乳腺癌細胞的轉移潛力來發揮抗腫瘤作用。MIK等[23]研究表明,人類和微生物共代謝形成LCA的能力在乳腺癌中顯著降低,在0期和Ⅰ期最為明顯。WANG等[24]通過體外實驗表明,梭狀芽孢桿菌特異性相關代謝物DCA促進HER2陽性乳腺癌細胞增殖,刺激G0/G1期細胞進入S期,這可能與肽-O-巖藻糖基轉移酶活性功能的激活和神經活性配體-受體相互作用途徑有關。因此,次級膽汁酸有望成為早期診斷乳腺癌的重要標志物,同時也可通過上調次級膽汁酸相關GM的豐度對乳腺癌患者進行輔助治療。

2.3.3其他 梭菌及其相關代謝物三甲胺N-氧化物(TMAO)在免疫微環境激活的腫瘤中含量更高,并通過激活內質網應激激酶PERK誘導腫瘤細胞焦亡,從而增強CD8+T細胞介導的體內乳腺癌的抗腫瘤免疫[25]。在其他腫瘤模型中還發現,雙歧桿菌產生的肌苷可以與腺苷 2A 受體 (A2AR) 結合,促進 Th1 細胞分化,并增強 T 細胞特異性A2AR信號傳導介導的免疫治療影響[26]。研究表明尸胺、琥珀酸和甲酚代謝物也可以延緩乳腺癌進展[27]。這表明GM次生代謝物對乳腺癌的影響不容忽視。

3 GM對乳腺癌常規治療的影響

3.1化療 化療是乳腺癌治療過程中的重要環節,GM能夠調節化療藥物的活性、功效和毒性,化療藥物也可影響GM的平衡。CHIBA等[28]基于人體體內和體外研究證明,GM與化療藥物[例如5-氟尿嘧啶(5-FU)、環磷酰胺和伊立替康]的藥理作用密切相關,由蒽環類和紫杉烷類藥物組成的新輔助化療(NAC)可以增加腸道中假單胞菌的豐度并減少鏈球菌的數量。BAWANEH等[29]對攜帶 TNBC 的小鼠模型的宏基因組學分析表明,阿霉素治療可顯著改變GM組,并導致嗜黏蛋白阿克曼菌豐度增加。此外,高脂飲食衍生的糞便微生物群移植的引入顯著改變了GM組,從而降低了這些小鼠對阿霉素功效的反應性。越來越多的證據表明,GM代謝產物SCFAs,特別是丁酸鹽和丙酸鹽,可以通過增加腫瘤敏感性或增強抗腫瘤免疫反應來增強化療藥物的有效性。有研究表明,乳腺癌患者NAC方案(環磷酰胺、蒽環類、紫杉醇或赫賽汀)的療效下降后,其腸道內產生SCFAs的菌群(糞球菌、多爾菌屬和瘤胃球菌)豐度也隨之降低[30]。此外,大腸埃希菌被證明可以調節多柔比星在癌細胞系中的細胞毒性[31]。

3.2內分泌治療 激素受體陽性(HR+)的乳腺癌主要通過內分泌療法(即雌激素受體阻斷或抑制雌激素生物合成的芳香酶抑制劑)減少雌激素在體內的暴露水平進行治療,內分泌耐藥是乳腺癌治療過程中的一大障礙。LASAGNA等[32]通過一項觀察性隊列研究,觀察到內分泌耐藥HR+乳腺癌的患者體內屬于韋榮菌屬的細菌過多。LI 等[33]通過16S rRNA 基因測序發現接受他莫昔芬(芳香化酶抑制劑)治療的乳腺癌異種移植小鼠腸道中普雷沃菌科和阿克曼菌的豐度較對照組小鼠顯著富集,并通過負反饋抑制他莫昔芬的治療效果。SCHETTINI等[34]通過一項前瞻性橫斷研究評估了乳腺癌患者的糞便微生物群與CDK4/6抑制劑治療效果之間的潛在關聯,發現長雙歧桿菌、伶俐瘤胃球菌可增強CDK4/6抑制劑+內分泌治療的敏感性,而無害梭菌、Schaalia odontolytica可降低CDK4/6抑制劑的作用。

3.3靶向治療 曲妥珠單抗是一種表皮生長因子受體2(HER2)靶向治療藥物,可防止HER2受體二聚化并激活先天免疫反應。然而,抗菌藥物使用帶來的GM差異會影響宿主先天免疫反應的激活,從而影響曲妥珠單抗治療的療效[35-36]。因此GM的合理調節在曲妥珠單抗治療效果中具有積極作用。

3.4放療 作為治療乳腺癌的常用方法之一,放療抵抗是乳腺癌治療過程中的棘手問題。在一項研究晝夜節律對放療影響的小鼠實驗中,研究人員發現具有正常光12 h/暗12 h光周期的小鼠比晝夜節律紊亂的小鼠接受放療后具有更高的存活率,這與正常小鼠有較高的GM豐度相關[37]。生物鐘的干擾可能會降低GM豐度,進而影響宿主的輻射敏感性。CUI等[38]研究了GM組成是否可以減輕輻射引起的毒性。高通量測序顯示,雄性和雌性小鼠的胃腸道細菌群落組成不同,并且與放射毒性的易感性相關。較高的GM豐度保留了宿主小腸的mRNA和長鏈非編碼RNA表達譜。通過改善放療小鼠胃腸道功能和腸上皮完整性來提高放療小鼠的生存率。因此較高的GM豐度可減少放射毒性、改善放療后乳腺癌患者預后。SHIAO等[39]報道,在乳腺癌小鼠模型中,細菌和真菌微生物群可差異性地調節腫瘤對放射治療的反應;共生真菌可增強腫瘤對放射治療的反應,并減少C型凝集素受體 Dectin-1的表達。Dectin-1 是一種關鍵的先天免疫受體,用于感知真菌,有助于腫瘤細胞的生存,Dectin-1 的缺失消除了抗真菌藥物對放療的作用。

4 GM的干預治療

4.1益生菌 益生菌是一類存在于宿主體內并對宿主有益的細菌,給癌癥患者服用益生菌的目的是重新激活患者受損的GM,從而重建共生微生物組的水平和功能。鼠李糖乳桿菌 GG 菌株 (LGG) 是第一個在腫瘤學領域研究的益生菌。研究發現LGG可以直接調節宿主的細胞增殖途徑,例如下調mTOR或Wnt途徑來控制細胞凋亡抑制、細胞異常增殖、免疫逃逸、上皮-間充質轉化等致癌生物過程。LGG還可以影響宿主的免疫系統,通過樹突狀細胞(DC)識別、誘導Th1免疫細胞極化,從而增強抗腫瘤免疫反應,幫助宿主早期清除新形成的癌細胞[40]。雙歧桿菌四聯活菌包括嬰兒雙歧桿菌、糞腸球菌、蠟樣芽孢桿菌和嗜酸乳桿菌,通過減少Th17細胞應答和增加CD4+等調節性T細胞應答抑制Th17免疫細胞介導的炎癥反應,緩解因化療導致的腸黏膜炎癥反應,同時上調細胞連接蛋白的數量,加固腸壁緊密連接以維持腸道屏障的穩定性,雙歧桿菌還可以提高化療藥物的療效,減輕化療過程中白細胞減少和骨髓抑制等不良反應,顯著提高乳腺癌患者的生存時間,改善其生活質量[41]。然而,并非所有的益生菌都可以改善乳腺癌患者的相關癥狀。應進行相關藥物臨床試驗來證實益生菌預防和治療乳腺癌的分子生物學機制和潛在效用,評估和調整益生菌的劑量,以便今后為患者制訂個性化的治療方案。

4.2FMT FMT作為一種基于腸道微生態調節的治療方式,需要將健康供體糞便中對人體有益的微生物轉移到患者的胃腸道內,使患者腸道微生態獲得重建,減少炎癥反應、提升放化療敏感性來保證乳腺癌患者的治療效果。近年來,FMT在腫瘤治療領域取得突破,與口服益生菌相比,它是操縱GM最直接、最快速的手段,可以通過胃鏡或結腸鏡直接給患者給藥[42]。雖然FMT已在現階段取得初步成果,但由于移植過程中缺乏對移植菌群的有效控制,如移植菌離體存活率低以及有利菌分離不純等導致效果甚微。因此,移植前必須評估供體的身體健康狀況和患者的疾病進展;移植中需充分鑒別提純所需微生物種類,調節其培養環境保證存活率;移植后定期進行患者隨訪以評估治療結果的有效性。

5 總結與展望

5.1GM在乳腺癌中的診斷價值 原發腫瘤大小、淋巴結受累狀況和遠處轉移TNM分期方法以及基于病理學的分子分型為乳腺癌患者的管理提供了基石。然而,隨著腫瘤細胞復雜性增加、臨床證據不足、腫瘤沉積以及不同觀察者之間的不可重復性對傳統診斷方法的準確性提出了質疑,科學家們使用多組學方法和構建動物模型闡明了GM在乳腺癌中的作用,以便在傳統診斷方法基礎上改進乳腺癌的預測以提供更進一步的預防和治療策略。

5.2GM在乳腺癌中的治療價值 乳腺癌患者因早期并未出現明顯不適癥狀,僅可能會在觸診時摸到無痛性乳房結節。當出現明顯癥狀、體征時(腰痛、橘皮征、酒窩征等)提示疾病已發展到中晚期,對患者及社會造成了一定了負擔,常規治療效果顯著下降。各國科學家通過開展臨床實驗和基礎研究將GM療法與常規治療相結合:例如益生菌、FMT、關鍵信號通路的靶向抑制劑、免疫治療等針對 GM 的相關治療已被證明可以改善中晚期乳腺癌患者的預后,有望成為輔助治療中晚期乳腺癌的新手段。

5.3GM在乳腺癌中診治的困境 雖然GM對乳腺癌患者的診斷和治療讓人們看到了新的曙光,然而此領域仍存在許多懸而未決的問題:(1)不同物種共享是否能夠影響腫瘤細胞生物學并可能代表潛在治療靶點的共同機制?(2)抗菌藥物、益生菌在癌癥患者中的使用和FMT的安全性仍然存在爭議,而且在癌癥治療中調節GM區系的證據質量普遍較低。(3)GM作為生物體也存在進化和變異,這一動態過程為臨床醫生和患者提供了新挑戰。

5.4展望 鑒于不同群體內GM的組成有其獨特性,需根據不同患者的特點來制訂個體化診療方案。目前,GM在乳腺癌中的作用和治療仍處于理論階段,應設計大規模研究,包括動物模型、回顧性和前瞻性研究以及臨床研究,同時可以致力于建立乳腺癌相關GM數據庫,闡明GM與不同類型乳腺癌之間的關系,實現疾病的快速檢測和診斷,將基礎研究證據轉化為臨床實踐,便于實施微生物群移植以進行預防和治療,最終改善乳腺癌患者的預后。

綜上所述,越來越多的證據表明GM在乳腺癌中發揮著新的作用。GM可通過影響雌激素代謝、損傷DNA雙鏈、產生代謝產物等影響乳腺癌的發展和治療反應,為乳腺癌的診治提供了新的思路和靶點,益生菌、FMT在增強抗腫瘤反應、改善傳統療法的抗癌效果以及將傳統治療模式的不良反應降至最低方面具有明顯的效果。