翻譯-肺微生物組與肺癌之間的相互作用

原文來自：Q. Mao, F. Jiang, R. Yin, J. Wang, W. Xia, G. Dong, W. Ma, Y. Yang, L. Xu,J. Hu, Interplay between the lung microbiome and lung cancer, Cancer Letters (2017), doi: 10.1016/j.canlet.2017.11.036.

摘要

人類的微生物群通過多種途徑向人體提供益處或疾病易感性。在糖尿病、肥胖症和慢性胃病等系統疾病中，常發現人體微生物體共生平衡的破壞。新出現的證據表明，微生物區系的失調也可能在多個層面上發揮重要的致癌作用，例如通過影響代謝、炎症或免疫途徑。雖然腸道微生物群對消化道腫瘤的影響已被廣泛探討，但很少有研究表明腸道微生物群與肺癌之間的相互作用。最近的一些研究表明，某些微生物和微生物區系失調與肺癌的發生有關。在這篇小型綜述中，我們簡要地總結了目前描述肺微生物群與肺癌的關係的研究成果。我們進一步討論了肺微生物群在肺癌發生中的作用和影響肺癌治療的潛在機制。更好地了解肺癌與肺微生物組之間的相互作用，可以促進肺癌早期預防和個性化治療的創新策略的制定。

亮點

肺並不是無菌的，肺微生物群與肺健康有關。肺微生物群與肺癌有關。微生物失調可以在多個水平上改變惡性腫瘤的風險。

簡介

人類微生物群落與宿主共同進化，在人體各種生物學功能中發揮著重要作用[1]。生活在人體內外的微生物(微生物群)由大約四十萬億個微生物細胞組成，數量超過了人類細胞的數量[2]。人類微生物區系的特徵和相對丰度與不同的疾病狀態有關。在這些不同的微生物中，許多已經被確認為與人類致癌相關的病原體。例如，幽門螺桿菌的存在，一種常見的Proteobacteria細菌，發現在上消化道，主要導致胃炎和胃潰瘍，並顯著增加了胃癌的風險[3]。此外，在小鼠模型中，Citrobacter rodentium感染可促進結腸腫瘤的發展[4]。近年來，隨著高通量下一代測序(NGS)的發展，對人類微生物群的全譜進行了調查，數據表明，微生物群落中特定的病原體和全局變化可能通過各種生物途徑，包括炎症、代謝和細胞信號途徑，促進癌變並影響癌症治療。雖然健康個體的肺被認為是無菌的，但最近的幾項研究對這一教條提出了挑戰，表明了肺微生物群的多樣性及其與肺部疾病和肺癌的關係[5，6]。本文簡要綜述了近年來肺微生物學的研究進展，肺微生物在各種肺部疾病和肺癌中的作用，以及肺微生物群促進肺癌發生的機制。

環境與肺微生物群

肺微生物群因肺取樣區域的不同而不同[7]。許多觀點綜述表明肺內微環境的差異，如PH水平、氧分壓和免疫條件等，決定了寄生在肺內的不同微生物[8，9]。因此，「地形」、生理和免疫學的多樣性決定了肺微生物學的組成。全球環境和地理變化在腸道微生物區系中起著至關重要的作用。然而，這些效應在肺微生物學中有爭議。最近的一項研究表明，直徑為10微米的顆粒物(PM 10)的大氣濃度(g/m3)可能會影響肺微生物區系，這意味著存在著相當大的地理變化[10]。此外，PM2.5還在肺微生物群的組成中起著一定的作用[11]。地理和環境的影響改變了微生物群，反過來又影響到人類健康。例如，HosGood等人發現肺癌中肺微生物群的潛在作用可歸因於家用煤燃燒暴露[12]。然而，在美國8個城市的健康受試者[13]以及英國志願者的社區成員中，沒有觀察到肺微生物區系的地理變異[14]。但這些健康志願者的下呼吸道研究僅限於西歐和北美[15]。需要更多的相關研究來證實肺部微生物群與肺癌患病率之間的關係，並根據地理變數進行調整。

微生物群和肺病

最近的一些研究表明，支氣管肺泡灌洗液、痰和肺組織中存在著低密度、多樣化的微生物生態系統。肺微生物區系也顯示了微生物遷移和清除的動態平衡[16-18]。健康成人的肺微生物區系與口咽相似，主要的細菌門包括：Firmicutes,ProteobacteriaandBacteroidetes[13, 17, 19]。新出現的證據表明肺微生物群與肺健康之間存在複雜的相互作用。許多微生物特徵(在表1中總結)與特定的肺疾病表型密切相關。

COPD

慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一種慢性炎症性疾病，它是由呼吸道內潛在致病微生物的定植引起的[20，21]。最近一項利用16 SrRNA測序法進行的微生物區系調查發現，全局微生物群的變化與COPD狀態有關[7，22-29]。COPD患者與健康對照組在肺組織、BAL液、痰標本檢測中，假單胞菌、鏈球菌、Prevotella和嗜血桿菌的分布差異最大。鏈球菌、假單胞菌和嗜血桿菌的相對丰度隨COPD的加重而加重。此外，共生真菌和病毒群落已被確定為潛在的輔助因素，在COPD通過促進病原菌的生長[30，31]。

CF

囊性纖維化(CF)是由CF跨膜電導調節蛋白(CFTR)基因突變引起的一種進行性遺傳病[32]。包括銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌等病原體在內的微生物已在CF肺中發現。一些研究表明，CF中的多種微生物群可能導致CF表型的變異[33-37]。一項對嬰兒和兒童的縱向研究顯示，CF患兒的微生物多樣性降低，下氣道炎症增加[35]。此外，微生物區系組成的變化可能與部分CF惡化有關，並可能有助於預測和處理CF肺惡化[33，38]。

哮喘

兒童哮喘的風險與Moraxella catarrhalis,Haemophilus influenza, 或Streptococcus pneumoniae在下咽的豐富程度有關[39-41]。在成人中，有研究表明下氣道的Proteobacteria水平與哮喘有關。進一步的研究表明，嗜中性粒細胞和嗜酸性粒細胞表型中，Streptococcus II,Gemella,Rothia和Porphyromonas的丰度明顯低於嗜酸性粒細胞和貧粒細胞表型，提示氣道微生物群與哮喘表型之間存在一定的相關性[43，44]。此外，在哮喘患者和對照組之間也發現了真菌類型的差異[45，46]。

特發性肺纖維化

以往的研究表明，感染原可能在急性加重期起作用，但在特發性肺纖維化(IPF)的發病機制中可能起不到作用。然而，最近的研究已經證明細菌在IPF發病機制中的作用[47，48]。用生化標記物估計時間進展(Comet)研究的相關結果分析表明，與健康人相比，IPF患者中的鏈球菌、Prevotella和葡萄球菌等特殊微生物的過量出現，表明鏈球菌和葡萄球菌的相對高丰度與IPF疾病的進展有關[49]。然而，微生物學組在IPF中的作用機制尚不清楚。一般而言，如圖1所示，肺微生物群的穩態與免疫感應和共菌群耐受之間的平衡有關[50]。宿主肺已經建立了三條主要途徑來感知和抵禦病原體的入侵。首先，肺泡表面活性劑覆蓋在肺泡上皮細胞表面，參與肺天然免疫[51]。其次，上皮細胞層阻礙了病原體的易位。最後，分布在上皮細胞、樹突狀細胞和巨噬細胞表面的模式識別受體(PRRs)，包括Toll樣受體(TLR)和核苷酸結合寡聚結構域樣受體(NOD樣受體)，具有防止病原體或代謝物超載的作用。下游炎症信號通路隨後被激活，以消除病原體[53]。相反，輔助性耐受是由肺泡中的抗炎巨噬細胞通過抑制炎症途徑和抑制適應性免疫反應而介導的[54-56]。

肺微生物群和肺癌

以前的研究表明，微生物群與許多惡性腫瘤有關，包括結直腸癌、胃癌、肝細胞癌和胰腺癌[57，58]。微生物群與肺癌（全世界癌症相關發病率和死亡率的主要原因）的關係[59]，許多流行病學研究都對此進行了研究，發現結核分枝桿菌(TB)與肺癌[60]之間存在著顯著的關係。根據先前的研究，這兩種疾病的流行病學聯繫是由慢性炎症相關癌變機制解釋的[61]。一個可能的原因是結核桿菌持續感染會導致TNF的產生並導致肺部炎症。此外，肺結核引起的肺纖維化還導致細胞外基質(Ecm)合成，參與了肺癌的發生髮展。反過來，肺癌患者化療後免疫功能受損，增加了結核病感染的風險。此外，局部腫瘤肽，抗原，甚至放射治療可能導致肉芽腫微環境放鬆管制，允許結核分枝桿菌增殖[62]。兩項發表的Meta分析還表明，結核病是肺癌的一個危險因素[61，63]。然而，越來越多的證據顯示，全局微生物群的變化在肺癌的發展中起著核心作用。一般而言，非惡性肺組織的α多樣性(數量豐富度)和分布[均勻度]在非惡性肺組織中明顯高於腫瘤肺組織。β多樣性(不同樣本間微生物群落的多樣性)在非惡性腫瘤組織和腫瘤組織之間沒有顯著差異[10，64]。然而，與對照病例相比，癌症病例中的幾個分類群已被證明是豐富的。Laroumagne等人通過對216例支氣管鏡標本的分析，發現Haemophilus influenzae、腸桿菌和大腸桿菌等革蘭氏陰性菌在肺癌中具有定植性。HosGood等人對中國婦女口腔和痰標本進行了研究，發現肺癌患者與健康對照者相比，肺癌患者的Granulicatella,Abiotrophia和鏈球菌屬均富集[12]。此外，在使用煙煤做飯和取暖的情況下，肺微生物區系的α多樣性高於在痰樣本中使用無煙煤的情況。相反，在口腔樣本中沒有發現明顯的差異[12]。嚴氏的研究表明，鱗狀細胞癌和腺癌患者的Capnocytophaga、Selenomonella、Veillonella和Neisseria與正常人相比有顯著的改變。另外，Capnocytophaga和Veillonella這兩種細菌生物標記物在預測鱗癌(SCC)和腺癌(AC)方面表現出良好的效果，這可能有助於肺癌篩查[66]。此外，根據Lee等人的研究，肺癌患者的BAL液中有兩個門(Firmictutes和TM7)和兩個屬(Veillonella和Megasphaera)比較豐富。在肺癌患者中，吸煙者中的Firmicutes與Bacteroidetes細菌的比例明顯高於不吸煙者。值得注意的是，在COPD和肺癌患者中，TM7門的數量都有所增加，表明TM7可能在COPD向肺癌的轉化中發揮潛在作用。Megasphaera和Veillonella的結合，在預測肺癌方面顯示出顯著的高AUC值，可作為肺癌的生物標誌物[68]。由於肺活檢在健康人體中是不道德的，因此在研究領域中通常採用唾液、痰、支氣管鏡標本和BAL液的分析，作為類似於肺部微生物群變化的替代方法。然而，由於這些替代地點的樣本可能含有來自上呼吸道的污染[9]，對肺組織的分析可以更準確地評估肺癌中的微生物群。Yu等人發現，在健康人群中，肺微生物區系是獨特的，與消化道微生物區系不同。此外，肺癌組織中的α多樣性低於正常組織，在其他呼吸道疾病中也有發現。此外，腺癌與鱗狀細胞癌相比，系統發育多樣性較高，相對丰度增加，相對丰度下降，提示微生物群與癌組織有關。進一步的分析表明，軍團菌在轉移病例中含量很高，提示軍團菌可能通過多種途徑參與腫瘤的進展[10]。另一項重要研究報告表明，肺癌患者的微生物多樣性與對照組相比明顯減少，24例單側葉包塊肺癌患者和18例健康對照者的α多樣性從健康部位到非癌變部位逐漸下降。在屬層次上，鏈球菌在癌症病例中的含量明顯高於對照組，且具有中等的分類潛力，而葡萄球菌在肺癌中的分布則更為豐富，表明微環境的變化與肺癌的發生髮展有關。然而，到目前為止，大多數研究都是橫斷面的，而且只在適度的樣本範圍內進行。需要進一步的大規模研究來驗證肺癌患者的微生物生物標誌物或微生物療法。

微生物群與癌變的可能機制

微生物群失調

宿主與微生物群之間的共生關係是建立在多層次屏障和免疫感測系統的基礎上的[70，71]。一旦屏障缺陷或免疫缺陷，微生物組分和細菌易位就會發生擾動，導致微生物組與上皮細胞或免疫系統之間的相互作用[72，73]。這可能會促進失調和隨後的連鎖反應，導致癌變。其他因素，如炎症信號激活，飲食改變，感染和NOD 2缺乏症，也可能導致失調[74-76]。微生物群的失調導致共生微生物的減少和炎症誘導細菌的增加，從而導致多水平的致癌。許多研究已經提出並研究了微生物群介導癌變的潛在機制；結果表明，微生物區系失調在多個水平上調節惡性腫瘤的易感性，包括遺傳毒性和毒性效應的增加，代謝改變，免疫反應和促炎症(如圖2所示)。

遺傳毒性和毒力效應

活性氧(ROS)已被前幾篇報道確認為介導DNA損傷反應。最近的研究表明，微生物區系的失調會改變活性氧水平，從而引起DNA損傷反應和癌變。細菌毒素，如細胞膨脹毒素(CDT)、細胞毒性壞死因子1、脆弱桿菌毒素等，被鑒定為引起雙鏈DNA損傷反應的介質[74，77-81]。此外，細菌驅動的硫化氫和超氧自由基被發現是基因組不穩定的原因[82]。此外，核梭桿菌分泌的FAD A通過與E-cadherin[83]相互作用，調節catenin信號通路。關於毒性效應，Burns等人發現，大腸癌微環境中的毒力相關細菌基因富集，這可能依賴於Fusobacterium和Providencia的基因組[84]。

代謝

微生物群已被證明參與調節宿主代謝，這與解毒、激素和膽汁酸的產生以及營養和維生素水平有關[85]。以前的研究報告說，細菌微生物群有助於生成乙醛，乙醛是一種重要的致癌物質[86，87]。此外，脫氧膽酸(DCA)，一種肥胖引起的腸道微生物代謝物，有助於與肥胖相關的肝細胞癌的發展[88，89]。此外，最近的研究發現，膳食纖維可以促進腸道微生物群發酵短鏈脂肪酸[90，91]。SCFAs具有抗炎作用，降低結腸癌和乳腺癌的發病率[92，93]。

炎症

炎症途徑的激活，如微生物相關分子模式(MamP)或PRR信號，不僅能感知微生物群的狀態，還能促進癌症的發展。越來越多的證據表明，TLRs的激活在結腸癌、胃癌、肝癌和胰腺癌的發生中起著核心作用[94-96]。TLR 4基因敲除可抑制小鼠癌變。TLR的致癌作用是通過激活核因子-κB(NF-κB)通路和信號轉導子和轉錄激活因子3(STAT 3)來促進惡性細胞存活[97]。有趣的是，與癌症相關的TLR調節增加了特定感染的易感性，從而通過增加某些TLRs的表達來促進致癌過程[98]。此外，微生物區系在髓系細胞中誘導MYD 88，觸發IL-23信號，促進腫瘤的進展和腫瘤IL-17反應的發展[99，100]。最近的一項研究表明，IL-17C缺乏會促進肺癌模型的生長和轉移[101]。NLRs是另一個位於細胞膜上的PRRs亞家族。NLRs啟動了一系列的防禦機制來對抗入侵細菌。Nod 1發揮保護作用，是阻止炎症向致癌過渡的屏障[102]。NOD 2在微生物學區系的調控中起著重要作用，降低了CRC[103，104]的易感性。NOD 2基因在小鼠體內被敲除，導致細菌超載和炎症反應。此外，小鼠NLRP 6缺乏降低了IL-18的產生，增加了大腸癌的易感性[105]。在NLRP 12缺乏的小鼠身上也發現了類似的結果，它在微生物體的失調和癌變中起著重要的作用[106]。

免疫反應

微生物群在整個生命周期內對適應性免疫的形成起著重要的作用。因此，微生物群如何調節癌症的免疫反應的中心作用必須引起注意。腸毒素性脆弱類桿菌(ETBF)通過選擇性T輔助性17型(Th17)反應激活STAT 3，提示人類共棲細菌可通過Th17依賴途徑誘發癌症[107]。此外，激活腫瘤相關微生物區系和TLR信號刺激活化T細胞(NFAT)因子的鈣調神經磷酸酶和核因子的表達，維持腫瘤幹細胞的存活和增殖[108]。另一項研究表明，微生物衍生丁酸可通過激活叉頭盒P3(FOXP 3)和G蛋白偶聯受體[109-111]來擴大調節T細胞的池。此外，病理微生物群促進COPD患者上皮細胞IL-17C的表達，從而促進腫瘤微環境中中性粒細胞炎症的生長[101]。肺微生物學組與肺癌的聯繫機制的研究尚處於初步階段。慢性肺部炎症，如慢性阻塞性肺病，被定義為肺癌的危險因素[112]。最近的研究揭示了肺微生物群變異在肺癌發生髮展中的作用。RJungnickel等人發現，慢性阻塞性肺疾病(COPD)患者由非典型流感嗜血桿菌(NTHi)等異常細菌誘導的上皮細胞因子IL-17C通過增加中性粒細胞炎症而介導細菌的促腫瘤作用。因此，IL-17C促進腫瘤相關炎症和腫瘤增殖[101]。另一項研究表明，吸煙暴露和NTHi聯合可促進肺癌的轉移生長和增殖，這是由於吸煙引起的細菌易位[113]。此外，IL-6通過促進COPD樣炎症而在肺癌中發揮重要作用[114]。此外，微生物誘導的Th17細胞可促進肺癌細胞增殖和血管生成[115]。是維持宿主免疫穩態的關鍵。程等人證明，在小鼠模型中，共生微生物群參與了γδT17細胞對肺癌的反應[116]。

展望

一些初步研究為我們提供了肺微生物組與肺癌之間相互作用的初步概述。然而，許多問題仍有待回答，目前對肺癌的了解遠遠少於其他癌症，如胃癌和結腸癌。在肺微生物學和肺癌研究中面臨的主要挑戰包括：首先，眾所周知，吸煙、接觸各種致癌物、空氣污染、家族史等多種危險因素都是肺癌易感性的因素。然而，目前幾乎沒有任何含有大量樣本的肺微生物學研究，這在統計上足以調整多變數分析中許多重要的癌症混淆危險因素。對於未來的研究，一個國家/國際研究聯盟必須建立一個標準化的樣本收集和處理協議，對細菌裝載量進行量化，並建立NGS測序分析管道，以便對肺癌與肺微生物群之間的相互作用進行比較分析和元分析。其次，目前肺微生物學研究缺乏對採樣類型和環境污染的系統偏差進行適當調控的研究。用不同的標本類型，如肺組織、痰、支氣管鏡標本和BAL液來表示肺微生物群可能會有問題，而且僅僅由於取樣偏差，結果就會不同。此外，某些樣品類型含有來自口腔部位的環境污染物，口腔微生物可通過口腔進入支氣管鏡。在避免口腔污染方面，肺活檢可能優於其他樣本類型。此外，對於一些低生物量肺樣本類型，如BAL液和肺活檢，即使是低環境污染的樣本也可能是PCR或NGS結果的主要成分。因此，避免取樣污染在肺微生物學研究中具有重要意義。在一個典型的樣本收集過程中，肺樣本應該使用無菌試劑和設備收集。然而，在實驗室的實踐中，從這些樣品中獲得絕對無污染的dna/rna是一項艱巨的任務。為了過濾那些可能來自試劑和設備污染的信號，空白試劑/工具也應作為系統控制納入分析。第三，需要更多的假設驅動的研究來探討肺微生物群與肺癌之間的因果關係。例如，腸-肺軸的存在及其對慢性肺病(如COPD、CF和哮喘)的潛在影響，已被多項研究提出[117]。然而，腸道微生物群可能影響肺癌發展的潛在機制仍有待於研究。

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