关于微生物群与胰腺癌,你想知道的都在这里

这样令人惋惜的事在医院悄然发生着...

胰腺癌早期症状不明显

易被误诊为胃病等其他疾病

5年存活率不足5%

因此,胰腺癌又被成为“癌中之王”

更好地了解胰腺癌的发生和发展对早期诊断和治疗是非常重要的。

随着现代医学的不断发展,对胰腺癌的研究也有了许多新的方向。近年来的研究表明,胰腺癌的发展可能与微生物群密切相连。

从生理结构上来说,由于胰腺通过胰管与胃肠道进行解剖连接,并通过胆总管与肝脏沟通,胰腺与胃肠道有着密切的关系,这种关系导致了这样一个问题:

肠道微生物,甚至是一种固有的胰腺微生物,是否会向这个器官传递类似的稳态特性,就像它对肠道的影响一样?

正常生理状态的胰腺中也有微生物群

是的,目前对微生物群的研究已经延伸到了胰腺。在正常非病理状态下,已在胰腺中观察到了微生物群的存在。

表1 涉及胰腺疾病的主要微生物组研究综述

Thomas R M, Jobin C., Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019

这些研究通过使用DNA提取试剂盒对照,空白对照,原位检测或细菌培养被严格执行,以解决污染问题。

细菌进入胰腺的途径

胰腺微生物群的存在已被证明发生在各种正常和疾病状态下。细菌进入胰腺的途径仍有争议,但有几种机制,如口服途径(1)通过门静脉循环(2)或肠系膜淋巴结(3)从下消化道转位进入胰腺,这些都得到了文献的支持和说明。

图1 胰腺细菌移位和宿主稳态反应的模型

Thomas R M, Jobin C., Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019

正常胰腺生理中菌群的作用

胰腺抗菌肽(AMPs)是参与胃肠道抗菌天然免疫的分泌成分,主要由肠道paneth细胞(肠腺的嗜酸性细胞)直接分泌到肠腔体内。它可以与胃肠道进行稳态双向通讯。

这种双向通讯,使胰腺抗菌肽受到肠道微生物的影响,调节胰腺内的免疫细胞,并通过胰液向胃肠道分泌抗菌肽,进而改变肠道微生物群和肠道免疫系统。

例如,胰腺β-细胞产生天冬氨酸相关抗菌肽的过程被证明是由肠道微生物群产生的短链脂肪酸所控制的。这种天冬氨酸相关抗菌肽的产生,作为回报,导致胰腺内巨噬细胞从炎症型转变为调节型,这是通过减少巨噬细胞肿瘤坏死因子的产生和增加转化生长因子-β的产生来实现的。

此外,天冬氨酸相关抗菌肽的产生还会诱导传统的树突状细胞以及胰腺内的调节性t细胞,从而创造一个免疫调节环境。

在一组单独的研究中,阐明了抗菌肽对肠道微生物群落和肠道先天免疫的影响。在C57BL/6小鼠中,ORAI1基因的缺失 (一种钙离子存储通道) 在胰腺腺泡细胞分泌的过程中参与细胞膜孔的形成,导致动物意外死亡,这是继发于细菌过度生长。这种细菌过度生长使胃肠道微生物群转变为促炎症表型,这是继发于抗菌肽 (天冬氨酸相关抗菌肽) 分泌下降。

AMPs是否调节胰腺微生物群尚不清楚,但最终可能通过AMP产生的信号影响免疫稳态。

以上我们可以看到胰腺本身不是无菌的,有其自身的微生物环境,这可能会影响胰腺炎甚至胰腺癌的发生和发展。


胰腺炎中的微生物群

急性和慢性胰腺炎

急性胰腺炎至少由以下两种标准诊断:腹痛、血清淀粉酶和/或脂肪酶3倍于实验室正常的上限,最常见的诊断方式是静脉造影的计算机断层扫描(CT)。

在急性过程中的成像发现被细分为间质性水肿性胰腺炎,其特征在于局部脂肪炎症,但增强了胰腺对对比成像和坏死性胰腺炎的特征,其特征在于胰腺对造影成像缺乏增强,这意味着该区域内器官的死亡。

慢性胰腺炎是一种长期或反复的炎症过程,同时伴有急性发作的后遗症。

微生物感染常导致炎症。在胰腺坏死中,约30%的病例,虽然最初是无菌的,但会被感染,这引发了一场关于在急性胰腺炎中使用预防性抗生素的争论。在这种情况下,研究发现,培养阳性的主要是葡萄球菌、肠球菌、大肠杆菌和坏死胰腺组织中的克雷伯菌。

这种细菌可能起源于下胃肠道,因为在这个器官中发现了大量的细菌,但在身体的其他地方却没有。虽然细菌可能不是胰腺炎的诱因,但炎症环境可能会使这些微生物进入胰腺,使局部和全身炎症状况恶化,这与临床败血症起源于肠道的理论是一致的。

胰腺炎本身可以增加肠道通透性,可能是通过降低claudin 4 的表达来改变肠紧密连接。理论上,这一过程可以使额外的全身和胰腺细菌易位,导致持续的炎症状态。

一项研究评估了45名急性胰腺炎患者的粪便微生物群,并与44名健康志愿者进行了比较(基于 16S rRNA测序)。研究人员发现了健康人粪便样本比急性胰腺炎患者α-多样性更大(这是对给定样本中不同物种数量和分布的一种测量)。此外,急性胰腺炎患者有更多的拟杆菌门和变形菌门,部分厚壁菌和放线菌比健康对照者多。拟杆菌和变形菌的优势是否导致胰腺炎的坏死过程尚不清楚。比较有意思的是能根据患者的粪便菌群来预测哪些急性胰腺炎患者将随后发展为慢性胰腺炎及其相关并发症。

自身免疫性胰腺炎

在Hamada及其同事的一项研究中,他们证明了慢性胰腺炎患者和自身免疫性胰腺炎(简称AIP)患者肠道微生物群的显著差异,这可能有助于深入了解每种情况的致病因素。

在这项研究中,涉及有限的患者队列(8名慢性胰腺炎患者和12名AIP患者),16SrRNA基因测序显示,与AIP相比,慢性胰腺炎中的卵形拟杆菌Bacteroides ovatus, Streptococcus australis, Streptococcus gordonii, Clostridium lactatifermentans 和 Clostridium lavalense 的相对丰度显著增加(p<0.05)。

炎症也是许多癌症发展的危险因素。多项队列研究表明急性胰腺炎也与胰腺癌的发展和进展有关。然而,急性胰腺炎并不是一个直接的因素,但是炎症的慢性延长导致了胰腺癌的发生和发展。接着看下胰腺癌和微生物群之间有哪些相关研究?


微生物群与胰腺癌的相关研究


在前面表1 我们可以看到与胰腺炎,胰腺癌等涉及胰腺疾病的微生物群的变化,那么微生物群在胰腺癌中的具体作用是什么呢?下表列举了多项相关研究。

表2 微生物群在胰腺癌中作用的人体研究

Wang Y, et al.,Molecular Cancer, 2019

以上是目前有关微生物群在胰腺癌中作用的相关研究,微生物群变化引起的炎症和免疫抑制被认为是与胰腺癌发展相关的机制,总结如下图:

图2 微生物在胰腺癌的发展和治疗中起重要作用

Wang Y, et al.,Molecular Cancer, 2019

注:蓝色箭头表示,微生物群的暴露会激活炎症,促进胰腺癌的发展。橙色箭头显示微生物群导致免疫抑制。绿色箭头显示微生物群影响癌症治疗的效果


胰腺癌中的微生物群和免疫系统


肿瘤的发生和发展与免疫系统密切相关,微生物对免疫系统的影响是一个非常热门的话题。

最近,Riquelme等人在短期生存、长期存活或控制供体中使用人-小鼠粪便微生物群移植实验,发现调节肿瘤微生物群落可影响肿瘤生长和肿瘤免疫渗透。

不同的研究强调了微生物群落在免疫系统中的不同作用,包括对免疫成熟和免疫抑制的影响。

以下是来自Ryan M. Thomas 和 Christian Jobin 教授关于微生物和胰腺癌的中和评论文章中描绘的关于菌群和胰腺癌发生关系的免疫机制。

图3 菌群与胰腺癌发生的关系

Thomas R M, Jobin C., Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019

口腔和/或肠道菌群与胰腺导管腺癌的存在有关,但对加速感染的微生物因素存在争议。尽管胰腺炎与胰腺导管腺癌(简称PDAC)的形成始发事件尚不清楚,但在小鼠模型中,来自远处(即非胰腺)的细菌参与了胰腺癌的加速发生,这也可能是由细菌代谢产物介导的。

另一种可能是,细菌可能从肠道或口腔转移到胰腺,伴有胰腺屏障功能受损,在胰腺内定植,以改变免疫耐受,促进PDAC的进展。值得注意的是,这种免疫重编程涉及增加髓源性抑制细胞浸润和巨噬细胞向M2亚型的转变。这些过程随后导致CD4+T辅助细胞1(TH1细胞)和CD8+T细胞募集减少,从而阻碍肿瘤免疫监视和随后的PDAC进展。


另外,赵玉沛院士团队关于胰腺癌的综述文章中也有关于微生物群和胰腺癌发生之间关系的免疫机制的描绘,见下图:

图4 微生物与胰腺癌的发生有关

Wang Y, et al.,Molecular Cancer, 2019

微生物可以导致炎症的发展,抑制巨噬细胞与T细胞的相互作用,并有利于T细胞反应的Th2极化。所有这些因素都可能导致胰腺癌的发生。


胰腺癌中的微生物群和代谢


微生物引起人体代谢的变化,导致多种代谢疾病,如肥胖和糖尿病。肥胖和糖尿病也是胰腺癌发展的重要因素。Papamichael等人据报道,幽门螺杆菌是胰腺癌的潜在独立危险因素,它可能与肥胖和糖尿病有关。因此,微生物群落也通过代谢的变化影响胰腺癌的发育。

肥 胖

肥胖通过改变脂肪细胞因子、脂联素、脱氧胆酸和许多其他分子之间的相互作用而影响胰腺肿瘤的进展。此外,肠道微生物群也被认为在连接肥胖和胰腺癌方面发挥着重要作用。

除了微生物多样性的变化外,某些微生物代谢产物可能与肥胖的发展有关。例如,在肥胖个体中富集的短链脂肪酸 (SCFA) 可以通过G-蛋白偶联受体激活MAPK信号通路,并导致癌细胞增殖。此外,肥胖可促进脂多糖从肠道微生物中释放,从而导致内毒素血症。

Ren等人证明,胰腺癌患者具有比健康对照更多的LPS产生菌,支持内毒素血症和胰腺癌之间的潜在关系。事实上,肥胖也是一种炎症状态。如上所述,微生物可通过不同的机制来影响胰腺癌的发育和发展,NF-κB 通路是炎症和癌症的共同途径。Pagliari等人认为,肥胖与多种促炎细胞因子的释放有关,如IL-6和TNF,其激活NF-κB通路并调节下游癌症相关信号。

糖尿病

糖尿病也是胰腺癌的危险因素。在糖尿病患者中,厚壁菌与拟杆菌的比例相对较高,影响碳水化合物的代谢和短链脂肪酸的产生(关于菌群如何利用碳源代谢产生短链脂肪酸,前面文章有详细阐述,点击阅读)。Perry等人证实,血液中乙酸的含量增加导致胰岛素抵抗,而Devaraj等人显示,肠道中丁酸的降低促进了低水平的炎症并导致胰岛素抵抗。丁酸水平降低,肠粘膜上皮紧密连接受损,促进细菌内毒素进入血液。该机制可通过内毒素血症将糖尿病和胰腺癌联系起来。

图5 肠道微生物群与1型糖尿病发病的相互作用

Thomas R M, Jobin C., Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019

除了具有正常微生物群的健康肠道外,用功能性胰岛β细胞产生胰岛素来说明Langerhans的未患病的胰腺和胰岛。随着β细胞的破坏,患者不能产生足够的胰岛素来维持葡萄糖稳态,从而导致1型糖尿病(T1DM)。

在尚未确定的触发因素下,与健康对照组相比,T1DM患者的肠道微生物群中短链脂肪酸(SCFA)的相对丰度较低。SCFA减少的患者,特别是产生丁酸菌,表现出对胰腺β细胞的高水平自身抗体,,这可能导致β细胞的破坏和T1DM的发展。

微生物群还与模式识别受体(PRRs)相互作用,如Toll样受体(TLRs)2和4,通过“平衡信号”假说调节T1DM的发育,在这种假说中,疾病的发展取决于耐受信号和促炎症信号的平衡。

TLR4途径通过连接蛋白MYD88和TRIF,被认为是一种抑制T1DM发生的耐受途径。相反,通过TLR2途径的信号传导改变肠道微生物群,以促进前T1DM表型。这些机制被认为有助于淋巴细胞浸润和胰岛炎伴发β细胞破坏。

以上是微生物群与1型糖尿病发病的相互作用机制。

当然,也需要更多的实验证据来证实微生物群、糖尿病和胰腺癌之间的联系。


临床中的应用


利用饮食干预、益生菌和/或益生菌来控制肠道微生物群也可能是影响胰腺疾病的一种方式。

图6 调节微生物群对胰腺疾病影响的临床研究领域

Thomas R M, Jobin C., Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019

一项多中心、随机、双盲安慰剂对照试验,检验益生菌的预防性施用是否能够降低急性胰腺炎患者的感染性并发症,不仅显示出降低感染并发症的风险,而且与死亡风险增加2.5倍(相对风险2.53,95%CI 1.22-5.25)。

微生物群在胰腺癌中的应用提供了潜在的治疗选择,例如产生生物标记物或微生物特征来预测对新辅助治疗和辅助治疗的反应。

诊断标记

尽管许多研究表明口腔微生物失调与胰腺癌之间存在关联,但没有令人信服的证据表明口腔微生物失调与早期胰腺癌有因果关系还是仅仅是其作用。然而,进一步研究牙周病的细菌标志物,如牙龈卟啉杆菌和微生物多样性的变化,可能为非侵入性筛选胰腺癌的生物标志物提供了可能。近年来的研究进展表明,唾液RNA标记可以通过细菌小亚基核糖体RNA(16S  rRNA)基因的高通量测序来鉴定口腔细菌。因此,唾液检测,一种口腔生物标志物的无创检测,可能成为未来筛选胰腺癌的一种方便策略。

此外,其它体液可以含有与其它癌症相关的微生物ME的诊断标记。例如,粪便可用作结肠直肠癌的生物标志物,而尿液可含有膀胱癌的生物标志物。因此,其他体液,如粪便、血液和胰液也可能为胰腺癌提供诊断标志。所有这些生物标记物都需要更多的研究来证明它们的潜在价值。

以微生物为治疗靶点

这部分主要讨论微生物群落在吉西他滨治疗、PD-1靶向治疗和抗生素治疗中的作用,目的是强调某些微生物可以作为胰腺癌的治疗靶点。

微生物群落与吉西他滨耐药

化疗仍是所有阶段胰腺癌的一线治疗,但在个体患者中治疗效果差异很大。最近的研究表明,微生物组在决定化疗的疗效和副作用方面起着重要的作用。化疗也可能通过多种机制影响微生物。

吉西他滨(2',2'-二氟脱氧胞苷)是一种具有代表性的化疗药物,广泛应用于治疗包括胰腺癌在内的多种癌症。然而,细菌可以用胞苷脱氨酶将吉西他滨代谢成 2',2'-二氟脱氧尿苷,一种不活跃的形式。

通过对菌群 16S rDNA 的测序,Geller等人证明,与胰腺肿瘤相关的大多数菌群是γ-变形菌,包括肠杆菌和假单胞菌种。这些微生物可能会产生胞核嘧啶核苷脱氨酶,导致吉西他滨的降解和耐药。此外,通过间接增强这些药物的脱氨作用,由支原体产生的嘧啶核苷磷酸化酶(PyNP)也对化疗药物的治疗功效产生不利影响。用PyNP去除天然嘧啶核苷尿苷、2′-脱氧尿苷和胸腺嘧啶核苷,抑制吉西他滨脱氨反应。

此外,Panos等人发现吉西他滨与大肠杆菌上清液一起孵育变得不太活跃。因此,抗生素和吉西他滨联合可能是提高胰腺癌患者化疗敏感性的新策略。

除了微生物对吉西他滨活性的影响外,药物还能扰乱微生物群。化疗对胃肠粘膜有害,在那里它可能对细胞产生直接的细胞毒性作用或产生肠道微生物的变化。

在吉西他滨治疗的小鼠中,厚壁菌和拟杆菌是肠道微生物的两个优势类群,它们被变形菌和疣微菌门所取代,导致肠道炎症,促进胰腺癌的发展。

虽然在这一领域已经取得了一些进展,但微生物-宿主-药物之间的相互作用仍未得到充分了解。生物复杂性仍然是精确治疗的巨大障碍。需要更多的研究来了解微生物组在胰腺癌化疗耐药中的作用,这有可能改善胰腺癌的不良预后。

微生物群与PD-1靶向治疗

免疫治疗对许多恶性肿瘤是有效的。免疫检查点抑制剂通过抑制T细胞抑制受体或其配体对肿瘤细胞的抑制作用而增强T细胞的应答。针对程序性死亡蛋白1(pd-1)的单克隆抗体在黑色素瘤、非小细胞肺癌和肾癌中有着广泛的应用。有趣的是,对抗-PD-1治疗的耐受性已经观察到,并且微生物在该过程中可能具有不可忽略的影响。

在非小细胞肺癌和肾细胞癌中,Routy等人报告抗生素治疗显著抑制了抗PD-1单克隆抗体的效力。他们用宏基因组学方法来探讨肠道微生物的组成,发现Akkermansia  muciniphila 患者有较好的预后。他们的结果表明,T辅助细胞1和细胞毒性T淋巴细胞反应与 A. muciniphila 的存在呈正相关。

然而,Pushalkar等人则报道了抗生素在胰腺癌中的作用的相反结果。结果表明,抗生素可通过上调T细胞中Pd-1的表达,增强肿瘤内CD4和CD8细胞的抗PD-1作用。他们认为抗生素治疗可以与检查点导向的免疫治疗相结合,这可能代表了一种治疗胰腺癌患者的新策略。

总之,这些研究表明不同的微生物可以在胰腺癌肿瘤微环境中发挥不同的作用。今后的研究应集中于特定类别的微生物,以提供联合抗生素与PD-1治疗的理论基础。

微生物和抗生素

如上所述,抗生素可能增加肿瘤对抗PD-1抗体和吉西他滨等药物的敏感性。然而,过量接触抗生素可能会导致菌群失调,并促进肿瘤的发生。

根据一项基于人群的嵌套病例对照研究,包括125,441例病例和490,510例匹配对照,使用青霉素与胰腺癌的风险升高有关。风险随着抗生素疗程的增加而增加,但随着时间的推移而减少。相比之下,大环内酯类、头孢菌素类、四环素类、抗病毒药物和抗真菌药物与胰腺癌风险增加无关。此外,抗生素处理的小鼠表现出抗原表达相关基因的下调和适应性免疫反应,但上调了与癌症相关的基因。

显然,在胰腺癌患者中使用抗生素是一项重大挑战。抗生素的使用是否能增强其他治疗或促进肿瘤发展可能取决于微生物的组成和比例。


结 语


研究人员对胰腺癌的认识已经逐渐深入,目前已有证据表明胰腺癌的发生、发展和治疗都与体内微生物体有关。研究胰腺肿瘤微环境中的微生物对胰腺癌的治疗也有潜在的意义。益生菌/抗生素的使用可与传统治疗如手术、放疗和化疗以及新出现的靶向疗法和免疫疗法相结合,从而产生新的治疗方案。

目前对于胰腺癌患者,应尽可能配合治疗,控制病情,随着科学研究不断深入,基于微生物群方向的研究已开辟了一个新的前沿,相信未来有一天对于胰腺癌的治疗会更加有效。

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参 考 文 献

Thomas R M, Jobin C. Microbiota in pancreatic health and disease: the next frontier in microbiome research[J]. Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019: 1-12.

Wang Y, Yang G, You L, et al. Role of the microbiome in occurrence, development and treatment of pancreatic cancer[J]. Molecular Cancer, 2019, 18(1): 1-13.

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