肠道菌群与免疫治疗响应的关联研究

肠道菌群与免疫治疗响应的关联研究演讲人CONTENTS肠道菌群与免疫治疗响应的关联研究肠道菌群的基本特征与免疫系统的固有联系肠道菌群调控免疫治疗响应的核心机制肠道菌群作为免疫治疗响应的生物标志物与干预靶点当前研究的挑战与未来展望目录01肠道菌群与免疫治疗响应的关联研究肠道菌群与免疫治疗响应的关联研究引言在肿瘤免疫治疗的浪潮中，以PD-1/PD-L1抑制剂、CTLA-4抑制剂为代表的免疫检查点抑制剂（ICIs）已彻底改变了多种恶性肿瘤的治疗格局，部分患者甚至实现了长期生存的“临床治愈”。然而，临床实践中的“响应异质性”始终是悬在我们头顶的“达摩克利斯之剑”——相同病理类型、相同分期的患者，接受相同的免疫治疗方案，有的肿瘤显著缩小、持续缓解，有的却迅速进展、甚至出现超进展。这种差异背后，究竟隐藏着怎样的调控密码？作为一名长期深耕肿瘤免疫治疗领域的研究者，我在临床工作中曾目睹过太多这样的案例：一位晚期黑色素瘤患者，在PD-1抑制剂治疗下肿瘤持续缩小5年至今，而与他同期入组的另一位患者，却在2个月后即出现疾病进展。肠道菌群与免疫治疗响应的关联研究起初我们归因于肿瘤突变负荷（TMB）、微卫星不稳定性（MSI）等已知生物标志物，但后续检测发现，二者的TMB水平并无显著差异。这种“无法解释的响应差异”，促使我将目光转向了人体内一个庞大而神秘的“器官”——肠道菌群。肠道菌群，这个寄居在人体消化道内的微生物集合体，其数量是人体细胞的10倍，编码的基因数量更是人类基因组的150倍以上。过去，我们多关注其在消化、代谢中的作用；而近十年，随着微生物组学技术的发展，越来越多的证据表明，肠道菌群是连接“肠道-免疫-肿瘤”的核心枢纽，其稳态与否，直接关系到免疫治疗的成败。本文将从肠道菌群的基本特征入手，系统阐述其与免疫系统的相互作用机制，深入剖析其调控免疫治疗响应的多维路径，并探讨其在生物标志物开发及临床干预中的应用前景与挑战，以期为破解免疫治疗响应异质性提供新的思路与方向。02肠道菌群的基本特征与免疫系统的固有联系肠道菌群的结构组成与动态平衡肠道菌群是一个复杂的微生物生态系统，其组成包括细菌、真菌、病毒、古菌等，其中细菌占比超过99%，是研究的核心对象。从门水平看，厚壁菌门（Firmicutes）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是优势菌门，占总量的90%以上；其次为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）等。在属水平上，拟杆菌属（Bacteroides）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、梭菌属（Clostridium）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、阿克曼菌属（Akkermansia）等是常见的优势菌属。肠道菌群的结构组成与动态平衡这种组成并非一成不变，而是受饮食结构、年龄、遗传背景、药物使用（尤其是抗生素）、生活方式等多种因素影响，处于动态平衡状态。例如，高纤维饮食可增加产短链脂肪酸（SCFAs）菌的丰度，而高脂饮食则可能促进革兰阴性菌的过度生长；随着年龄增长，肠道菌群的多样性逐渐降低，致病菌比例上升；广谱抗生素的使用可在短期内导致菌群结构紊乱，部分菌属甚至永久性减少。这种动态平衡对维持肠道稳态至关重要，一旦打破，可能引发肠道屏障功能障碍、免疫失调，甚至促进肿瘤发生发展。肠道菌群与肠道黏膜免疫系统的双向对话肠道是人体最大的免疫器官，70%以上的免疫细胞分布于肠道黏膜相关淋巴组织（MALT）。肠道菌群与肠道免疫系统之间存在着“双向对话”机制：一方面，菌群通过其代谢产物、表面分子等刺激免疫细胞的发育与功能；另一方面，免疫系统通过分泌抗体、细胞因子等调控菌群的组成与定位，二者相互依存、相互制约。肠道菌群与肠道黏膜免疫系统的双向对话肠道菌群对免疫系统的“教育”作用从新生儿时期开始，肠道菌群就参与免疫系统的“教育”过程。无菌（GF）小鼠实验表明，缺乏菌群暴露的小鼠，其肠道相关淋巴组织发育不良，IgA浆细胞数量减少，调节性T细胞（Treg）比例降低，而Th1、Th17等促炎细胞反应过度。这种“免疫教育”主要通过以下机制实现：-模式识别受体（PRRs）的激活：菌群及其成分（如脂多糖LPS、肽聚糖PGN、鞭毛蛋白等）被肠道上皮细胞、树突状细胞（DCs）、巨噬细胞等表达的PRRs（如TLRs、NLRs）识别，激活下游信号通路（如NF-κB、MAPK），促进细胞因子（如IL-1β、IL-6、IL-23）和趋化因子（如CXCL1、CXCL2）的分泌，引导免疫细胞的定向迁移与分化。肠道菌群与肠道黏膜免疫系统的双向对话肠道菌群对免疫系统的“教育”作用-分泌型IgA（sIgA）的调控：sIgA是肠道黏膜的主要抗体，可与肠道菌群形成“免疫排斥-共生平衡”。菌群代谢产物（如SCFAs）可促进B细胞向IgA浆细胞分化，而sIgA通过与细菌结合，阻止其黏附于上皮细胞，同时维持菌群的多样性，避免单一菌属过度增殖。-T细胞分化的调控：菌群可通过代谢产物（如丁酸）和直接抗原呈递，影响T细胞亚群的平衡。例如，梭菌属（尤其是IV、XIVa簇梭菌）可促进结肠Treg细胞的分化，抑制过度炎症反应；而segmentedfilamentousbacteria（SFB）则可诱导Th17细胞的分化，增强黏膜屏障的防御功能。肠道菌群与肠道黏膜免疫系统的双向对话免疫系统对菌群的“筛选”与“定植”免疫系统并非被动接受菌群的影响，而是通过主动筛选调控菌群的组成。肠道上皮细胞通过表达黏蛋白（MUC2）形成黏液层，将大部分细菌限制在肠腔内；同时，上皮细胞间紧密连接蛋白（如occludin、claudin）构成物理屏障，防止细菌及其产物易位。当菌群试图突破屏障时，上皮细胞和免疫细胞会释放抗菌肽（如defensins）、溶菌酶等，清除过度增殖的致病菌。此外，适应性免疫系统中的T细胞和B细胞也参与菌群调控。例如，Th17细胞产生的IL-17可促进上皮细胞分泌抗菌肽，抑制革兰阴性菌的定植；而Treg细胞则通过分泌IL-10、TGF-β等细胞因子，维持对共生菌的耐受，避免慢性炎症的发生。这种“双向对话”确保了肠道菌群与宿主免疫系统的动态平衡，为后续免疫治疗的响应奠定了基础。03肠道菌群调控免疫治疗响应的核心机制肠道菌群调控免疫治疗响应的核心机制免疫治疗的核心是打破肿瘤微环境（TME）中的免疫抑制状态，重新激活T细胞的抗肿瘤活性。而肠道菌群作为“系统性免疫调节器”，可通过调控T细胞分化、影响免疫检查点分子表达、改变肿瘤微环境代谢状态等多种途径，直接影响免疫治疗的响应效果。直接影响：肠道菌群抗原呈递与T细胞活化部分肠道细菌具有直接呈递抗原、激活T细胞的能力，从而增强系统性的抗肿瘤免疫应答。最具代表性的案例是脆弱拟杆菌（Bacteroidesfragilis）及其表面多糖抗原PSA。2015年，Sivan等在《Science》报道，黑色素瘤小鼠模型中，产PSA的脆弱拟杆菌可促进CD4+T细胞向Th1细胞分化，增强CD8+T细胞的肿瘤浸润，提高PD-L1抑制剂的疗效；而将无菌小鼠与PSA缺陷型脆弱拟杆菌共培养，或清除小鼠体内的产PSA细菌，均可削弱免疫治疗效果。此外，双歧杆菌属（Bifidobacterium）也可通过TLR2信号通路，激活树突状细胞，促进CD8+T细胞的活化与增殖。2018年，Gopalakrishnan等在《Science》发现，黑色素瘤患者肠道中双歧杆菌丰度较高者，接受PD-1抑制剂治疗后缓解率显著升高；而在无菌小鼠中回灌双歧杆菌，可增强抗PD-1治疗的抗肿瘤效果。这种“菌群-抗原-T细胞”轴的直接激活作用，是肠道菌群促进免疫治疗响应的重要机制之一。间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节肠道菌群的代谢产物是其发挥免疫调节作用的关键“信使”，其中短链脂肪酸（SCFAs）、色氨酸代谢产物、次级胆汁酸等已被证实与免疫治疗响应密切相关。间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节短链脂肪酸（SCFAs）：免疫微环境的“调节器”SCFAs（包括乙酸、丙酸、丁酸等）是膳食纤维经肠道菌群发酵的主要产物，可通过多种机制增强抗肿瘤免疫：-抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）：丁酸等可抑制HDAC活性，增加组蛋白乙酰化水平，促进Foxp3（Treg细胞的关键转录因子）和T-bet（Th1细胞的关键转录因子）的表达，从而平衡Treg/Th1细胞比例，既避免过度免疫抑制，又增强抗肿瘤免疫。-激活G蛋白偶联受体（GPRs）：SCFAs可通过GPR41、GPR43、GPR109a等受体，在免疫细胞中发挥抗炎和免疫激活作用。例如，丁酸通过GPR109a激活树突状细胞，促进其分泌IL-12，诱导Th1细胞分化；同时，GPR43信号可增强CD8+T细胞的线粒体代谢和效应功能，促进其在肿瘤微环境中的浸润与存活。间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节短链脂肪酸（SCFAs）：免疫微环境的“调节器”-维持肠道屏障完整性：SCFAs是结肠上皮细胞的主要能量来源，可促进紧密连接蛋白的表达，增强肠道屏障功能，减少细菌易位和全身性炎症，避免免疫治疗的“免疫相关不良事件（irAEs）”。临床研究显示，接受免疫治疗的肿瘤患者，其粪便中SCFAs含量越高，治疗缓解率也越高。例如，一项针对非小细胞肺癌（NSCLC）患者的研究发现，丁酸水平较高者，PD-1抑制剂治疗的客观缓解率（ORR）可达45%，而丁酸水平较低者ORR仅15%。间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节色氨酸代谢产物：免疫检查点的“分子开关”色氨酸必需从饮食中获取，约95%的色氨酸在肝脏经IDO1（吲哚胺2,3-双加氧酶1）代谢为犬尿氨酸，剩余5%经肠道菌群代谢为吲哚、吲哚丙酸（IPA）、色胺等活性分子。菌群对色氨酸的代谢竞争，直接影响色氨酸在“犬尿氨酸途径”和“菌群代谢途径”中的分配，进而调控免疫应答：-吲哚及其衍生物：脆弱拟杆菌、多形拟杆菌（Bacteroidesthetaiotaomicron）等可产生吲哚，通过芳香烃受体（AHR）激活免疫细胞。AHR激活后，可促进Treg细胞在肠道的聚集，维持肠道耐受；同时，AHR也可增强CD8+T细胞的细胞毒性功能，并抑制肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的M2极化，改善免疫抑制性微环境。间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节色氨酸代谢产物：免疫检查点的“分子开关”-色胺：某些乳酸菌可产生色胺，通过5-羟色胺受体（5-HT2B）促进肠嗜铬细胞分泌5-HT，调节肠道蠕动和屏障功能；同时，色胺也可通过AHR信号增强NK细胞的抗肿瘤活性。值得注意的是，肿瘤细胞和免疫细胞高表达的IDO1会过度消耗色氨酸，导致局部色氨酸缺乏，激活GCN2激酶通路，抑制T细胞的增殖与功能。而肠道菌群对色氨酸的代谢，可“拮抗”IDO1的抑制作用，维持色氨酸的可用性，从而增强T细胞的抗肿瘤反应。间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节次级胆汁酸：肿瘤微环境的“重塑者”胆汁酸由肝脏合成，经肠道菌群转化为次级胆汁酸（如脱氧胆酸DCA、石胆酸LCA）。次级胆汁酸可通过法尼oidX受体（FXR）和G蛋白偶联胆汁酸受体（TGR5）调控免疫应答：01-FXR信号：FXR主要表达于肠道上皮细胞和肝细胞，其激活可抑制炎症因子（如TNF-α、IL-6）的分泌，维持肠道屏障功能；同时，FXR也可调节T细胞的分化，促进Treg细胞增殖，抑制Th17细胞反应。02-TGR5信号：TGR5在巨噬细胞、树突状细胞、脂肪细胞中均有表达，其激活可促进GLP-1分泌，改善代谢；在免疫微环境中，TGR5信号可抑制NLRP3炎症小体的活化，减少IL-1β的释放，改善免疫抑制状态。03间接调控：代谢产物介导的系统性免疫调节次级胆汁酸：肿瘤微环境的“重塑者”临床研究发现，黑色素瘤患者中，次级胆汁酸（尤其是DCA）丰度较高者，PD-1抑制剂治疗的响应率更高；而在小鼠模型中，补充DCA可增强CD8+T细胞的肿瘤浸润，抑制肿瘤生长。菌群介导的肠道屏障功能与免疫相关不良事件肠道屏障功能是连接肠道菌群与全身免疫的关键“门户”。当肠道菌群失调时，屏障功能受损，细菌及其代谢产物（如LPS）易位入血，引发全身性炎症反应，一方面可能增强抗肿瘤免疫（即“旁观者效应”），另一方面也可能导致严重的免疫相关不良事件（如免疫性结肠炎、肝炎、肺炎等）。例如，PD-1抑制剂治疗相关的结肠炎患者，其肠道中产短链梭菌（Clostridiumscindens）等有益菌丰度显著降低，而黏附侵袭性大肠杆菌（AIEC）等致病菌丰度升高；同时，粪便中LPS水平升高，血清中炎症因子（IL-6、TNF-α）水平升高。这种菌群介导的肠道屏障破坏，既可能导致免疫治疗响应不佳，也可能增加irAEs的发生风险。菌群介导的肠道屏障功能与免疫相关不良事件值得注意的是，不同irAEs的发生可能与特定的菌群特征相关。例如，一项针对接受PD-1抑制剂治疗的NSCLC患者的研究发现，发生结肠炎的患者肠道中γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）丰度显著升高，而产丁酸的罗斯拜瑞氏菌（Roseburia）丰度降低；而发生肝炎的患者则可能存在肠球菌属（Enterococcus）过度增殖。这些发现为通过菌群特征预测和干预irAEs提供了可能。04肠道菌群作为免疫治疗响应的生物标志物与干预靶点菌群特征作为预测免疫治疗响应的生物标志物鉴于肠道菌群与免疫治疗响应的密切关联，其组成和功能特征已成为潜在的无创生物标志物。目前，研究较多的菌群标志物包括：菌群特征作为预测免疫治疗响应的生物标志物菌群多样性菌群多样性（如α多样性、β多样性）是反映肠道菌群稳定性的重要指标。多项研究表明，接受免疫治疗的患者中，肠道菌群多样性较高者，缓解率（ORR）、无进展生存期（PFS）和总生存期（OS）均显著优于多样性较低者。例如，一项纳入249例晚期黑色素瘤患者的多中心研究发现，粪便菌群α多样性（以Shannon指数衡量）较高的患者，PD-1抑制剂治疗的ORR达48%，而多样性较低者ORR仅19%；中位PFS分别为12.4个月和5.3个月。菌群特征作为预测免疫治疗响应的生物标志物特定菌属的丰度除了多样性，特定菌属的丰度变化与免疫治疗响应的关系更为明确。例如：-有益菌：双歧杆菌属（Bifidobacterium）、Akkermansiamuciniphila（阿克曼菌）、Faecalibacteriumprausnitzii（普拉梭菌）、Eubacteriumlimosum（嗜黏蛋白艾克曼菌）等丰度升高，与更好的免疫治疗响应相关。Akkermansiamuciniphila可通过激活TLR4信号，促进CD8+T细胞的肿瘤浸润，其丰度较高的黑色素瘤患者，PD-1抑制剂治疗的ORR可达60%，而丰度较低者仅25%。-致病菌：拟杆菌属（Bacteroides）、肠杆菌属（Enterobacter）、梭杆菌属（Fusobacterium）等丰度升高，则与较差的响应或超进展相关。例如，肠杆菌属可通过分泌IL-17促进肿瘤血管生成，其在NSCLC患者中丰度越高，PD-1抑制剂治疗的PFS越短。菌群特征作为预测免疫治疗响应的生物标志物菌群功能特征除了菌属组成，菌群的功能特征（如代谢通路活性）也具有预测价值。例如，SCFAs合成通路、色氨酸代谢通路（如吲哚合成通路）、次级胆汁酸合成通路等活性增强，与更好的免疫治疗响应相关；而LPS合成通路、内毒素通路活性增强，则与较差的响应相关。基于菌群的免疫治疗干预策略明确了肠道菌群与免疫治疗的关联后，通过调控菌群改善免疫治疗响应成为研究热点。目前，主要的干预策略包括：基于菌群的免疫治疗干预策略益生菌与益生元益生菌（如双歧杆菌、乳酸杆菌）可直接补充肠道有益菌，而益生元（如膳食纤维、低聚果糖、菊粉）则可促进有益菌的生长繁殖。临床前研究表明，补充双歧杆菌可增强PD-1抑制剂在黑色素瘤小鼠中的抗肿瘤效果；而膳食纤维饮食可增加SCFAs产生菌的丰度，改善CD8+T细胞的肿瘤浸润。临床研究方面，一项针对晚期黑色素瘤患者的II期试验显示，联合补充益生菌（含双歧杆菌、乳酸杆菌）和益生元（菊粉）可提高PD-1抑制剂的ORR（从33%升至53%），并降低irAEs的发生率（从28%降至12%）。然而，需要注意的是，益生菌的选择需个体化，某些情况下（如免疫缺陷患者）可能存在菌血症风险。基于菌群的免疫治疗干预策略粪菌移植（FMT）FMT是将健康供体的粪便菌群移植到患者肠道，重建菌群稳态的有效方法。在免疫治疗领域，FMT主要用于治疗免疫治疗相关的难治性结肠炎，以及改善免疫治疗响应。例如，一项针对PD-1抑制剂治疗无效的黑色素瘤患者的I期研究发现，接受响应者（对PD-1抑制剂治疗有效）粪便移植的患者，有30%出现肿瘤缩小，且这些患者的肠道菌群中富含双歧杆菌和Akkermansiamuciniphila。尽管FMT展现出潜力，但其标准化（供体筛选、粪便制备、移植途径等）和安全性（如病原体传播、未知风险）仍需进一步验证。目前，多项FMT联合免疫治疗的临床试验正在进行中（如NCT03341143、NCT04524107），结果值得期待。基于菌群的免疫治疗干预策略抗生素的合理使用抗生素是导致肠道菌群失调的最常见因素之一，广谱抗生素的使用可显著降低免疫治疗的响应率。例如，Routy等在《Science》报道，接受PD-1抑制剂治疗的肺癌、肾癌患者，在治疗前2个月内使用过抗生素，其中位PFS仅2个月，而未使用抗生素者中位PFS达11.5个月，ORR也从29%降至8%。因此，在免疫治疗期间，应严格避免不必要的抗生素使用；若必须使用，应尽量选择窄谱抗生素，并同步补充益生菌或益生元，以减少菌群失调对疗效的影响。基于菌群的免疫治疗干预策略个性化饮食干预饮食是影响肠道菌群最直接、最可控的因素。高纤维饮食（全谷物、蔬菜、水果）可增加SCFAs产生菌的丰度；富含色氨酸的饮食（鱼类、鸡蛋、坚果）可促进色氨酸的菌群代谢；而高脂、高糖饮食则可能促进致病菌的生长。临床前研究表明，高纤维饮食可增强PD-1抑制剂在结肠癌小鼠中的抗肿瘤效果；而临床研究也显示，接受免疫治疗的肿瘤患者，高纤维饮食摄入量越高，其PFS和OS也越长。因此，根据患者的菌群特征制定个性化饮食方案，是改善免疫治疗响应的重要非药物干预手段。05当前研究的挑战与未来展望当前研究的挑战与未来展望尽管肠道菌群与免疫治疗关联的研究取得了显著进展，但从基础研究到临床应用仍面临诸多挑战。研究的复杂性与异质性肠道菌群是一个高度复杂的生态系统，其组成受宿主遗传、饮食、药物、地域、生活方式等多种因素影响，导致不同研究间的结果存在较大异质性。例如，一项研究发现双歧杆菌与免疫治疗响应正相关，而另一研究则未观察到类似关联；甚至同一菌属在不同肿瘤类型中的作用也可能相反。这种异质性使得菌群标志物的普适性受到限制，也增加了临床转化的难度。机制研究的深度与广度目前，关于菌群调控免疫治疗响应的研究多集中于“相关性”分析，而“因果性”机制仍需深入挖掘。例如，特定菌属是通过何种代谢产物、信号通路影响免疫细胞？不同菌属之间是否存在协同或拮抗作用？菌群与宿主基因组、代谢组的相互作用网络如何？这些问题的解答，需要借助多组学技术（宏基因组学、代谢组学、单细胞测序等）和类器官、无菌小鼠等模型系统，从“菌群-宿主-肿瘤”多维互作的角度揭示深层机制。临床