膀胱癌相关泌尿道及肠道微生物组学的研究进展

齐天宇,李 涛 综述,吴开杰 审校

(西安交通大学第一附属医院泌尿外科,陕西西安 710061)

膀胱癌在全球范围内发病率位于所有恶性肿瘤中第10位,2020年全球新增膀胱癌病例数超过57万,而男性患者所占比例在3/4以上。膀胱癌多为尿路上皮癌,分为非肌层浸润性(non-muscle invasive bladder cancer,NMIBC)和肌层浸润性膀胱癌(muscle invasive bladder cancer,MIBC),前者的比例高达75%[1]。肿瘤的发病因素众多,据估计,超过20%的恶性肿瘤可能与微生物有关[2]。人体与各类微生物共存,包括常驻菌群和临时菌群,微生物的各种代谢物也会影响人体,其中有害代谢物的循环可能会导致远离特定微生物所在位置的癌症发生或进展[3]。目前大多数研究集中在肠道菌群和结直肠癌之间的关系和致癌作用。由于泌尿道也已经证实了菌群的存在,而且在近几年的研究中(表1),健康人群和泌尿系疾病患者中菌群有着显著差异[4],那么对于膀胱癌而言,它的发生发展可能与泌尿系菌群也有着密切联系。

1 膀胱癌与微生物组

1.1 膀胱癌的发生与微生物的关联膀胱癌的发病与许多因素有关,如吸烟、接触放射性物质、代谢因素等。吸烟和职业暴露的废物经肾脏过滤后暂时储存在膀胱,在那里它们可能影响尿路微生物群和内环境平衡[10]。一项回顾性研究中共纳入15例膀胱癌患者和11例健康对照的男性样本,发现吸烟者尿路中拟杆菌科、丹毒丝菌目、毛螺菌科、拟杆菌属等细菌的丰度远高于非吸烟者[11]。而且与非吸烟者相比,膀胱癌吸烟者的α多样性升高,主成分分析显示吸烟者与不吸烟者之间有显著性差异,证明吸烟对尿路微生物组成有影响。

除了吸烟,人们还发现慢性血吸虫膀胱感染与膀胱鳞状细胞癌之间有关联[12]。研究发现,健康者、有血吸虫感染但未产生病理改变者以及患有血吸虫病且已有病理改变的患者尿液样本中存在的微生物群不同[13]。在血吸虫诱导的膀胱癌患者中发现的微生物包括梭杆菌属、鞘脂杆菌属、拟杆菌属和肠球菌,而这些微生物已知是炎症和免疫过程的介质,提示它们的存在可能影响血吸虫病的进展从而进一步影响膀胱癌的发生。

表1 膀胱癌患者的微生物相关研究

另外,最近的研究证据表明,微生物多样性和群落稳定性的下降促进了癌症的发生和发展[14],膀胱内微生物群是否促进相关诱因导致细胞向恶性肿瘤转化的确切机制仍需进一步研究。而共生细菌很容易结合几种被认为与膀胱癌有关的化合物,如镉、其他重金属和杀虫剂[15]。那么如果去除这些细菌就意味着去除了对于膀胱的一些保护,人们患癌症的风险是否会升高[16]?

另一个病例系列研究发现人类膀胱癌组织中存在生物膜的形成[17]。10例常规经尿道膀胱肿瘤切除术(transurethral resection of bladder tumer,TURBT)患者的组织样本用荧光原位杂交检测病理组织是否存在细菌聚集。结果发现有2例pT2尿路上皮性膀胱癌的尿路上皮上有大量的细菌聚集。可见膀胱微生物在膀胱癌发生中发挥的具体作用亟待研究。

1.2 不同分期膀胱癌患者的尿液微生态可能存在差异一项针对膀胱癌与尿液微生态相关性的研究纳入了43例患者和10例健康对照,16S rRNA结果比较发现,NMIBC和MIBC患者的尿液菌群在菌群丰富度上没有统计学差异,而在菌属丰度上有差异,其中MIBC患者尿液中嗜血杆菌和韦荣球菌属的含量显著高于NMIBC患者,而NMIBC患者尿液中贪铜菌属的含量显著高于NMIBC患者[18]。目前针对不同分期膀胱癌的菌群研究较少,有待后续研究。

1.3 膀胱癌的免疫治疗与微生物组的关系

1.3.1BCG灌注治疗 对高级别NMIBC而言,电切术后的灌注治疗尤为重要,卡介苗(bacillus calmette-guerin,BCG)即我们熟知的结核分枝杆菌,在膀胱癌的治疗上已应用几十年,但人们对它的机制仍未完全研究透彻。研究表明BCG的疗效很大一部分是由于促进了膀胱上皮细胞的CD4+T细胞富集,增强抗肿瘤免疫反应,然而,卡介苗灌注后一部分患者会出现副作用如膀胱炎、肉芽肿性前列腺炎、附睾炎、附睾睾丸炎等,还可出现肾脓肿、输尿管梗阻等较少见的副作用。这些副作用的严重程度与多种因素有关,如患者膀胱自身条件、灌注期间更换菌株、卡介苗剂量大小、与其他灌注药物联用、使用抗生素等[19-23]。

同时,约20%～40%的患者对BCG治疗无反应,多达20%的患者进展为MIBC。有研究者推测,尿液微生物组可能通过竞争性结合细胞成分来调节BCG治疗的反应,膀胱微生物组可能通过破坏或使膀胱腔内BCG失活[24];或者通过连接纤维连接蛋白调节尿路上皮对BCG活性的敏感性来影响对BCG治疗的反应[25]。另有研究发现一种乳酸杆菌结合纤维连接蛋白的能力较强[26],这似乎提醒我们可以研究能够替代BCG的菌株。

值得注意的是灌注后不久抗生素的使用可以显著减少局部不良事件,并减少诱导过程中的退出率;而另一项临床研究观察了两个队列276名膀胱癌患者在进行BCG治疗过程中或治疗前长期使用抗生素及短期使用抗生素后的5年无复发生存率及无进展生存率,结果发现长期使用造成了不利影响。

抗生素对全身菌群微生态的影响早已被证明,在BCG灌注过程中菌群的变化、在表现出不同副作用患者人群中的差异以及使用抗生素对于肿瘤病程进展的影响还需要更进一步阐明。

1.3.2全身免疫治疗 膀胱内的微生物组也可能对晚期和转移性尿路上皮癌有影响[27]。近年来,随着许多新药物利用程序性死亡受体1/程序性死亡-配体1(programmed cell death protein 1/Ligand,PD-1/PD-L1),免疫疗法在晚期恶性肿瘤治疗中的应用有所增加。而最近有研究表明了人类肠道微生物群和抗PD-1治疗疗效之间的关系。这些研究与微生物组成和临床反应有关。如转移性黑色素瘤治疗的反应性可能与长双歧杆菌、空气杆菌和粪肠球菌的存在有关。在一项研究中,研究者探究了在一次或多次PD-1/PD-L1治疗后,抗生素的使用对晚期非小细胞肺癌(n=140)、肾细胞癌(n=67)或尿路上皮癌(n=42)患者的影响[28]。在所有249名患者中,69名(28%)患者在第一次给药前后2个月内服用抗生素。与所有患者比较发现,使用抗生素患者的无进展生存期和总生存期显著缩短。这使我们猜测,抗生素使用导致的菌群失调可能使PD-1/PD-L1治疗的疗效降低。

最近的研究提供证据表明肠道微生物群可以影响抗肿瘤免疫、肠道菌群组成甚至可以预测免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors,ICIs)治疗的疗效。在一项研究中,研究者使用了一个动物模型用于识别特异性的ICIs促进菌,并阐明这些微生物如何增强ICIs治疗疗效的潜在分子机制,并在膀胱癌等其他模型中得到了验证[29]。实验通过将微生物代谢产生的肌苷+CpG联合给药给注射了MB49膀胱癌细胞的无菌小鼠,结果能够显著提高膀胱癌小鼠抗细胞毒T淋巴细胞相关抗原4杀灭肿瘤细胞的能力并增加干扰素-γ+CD4+和干扰素-γ+CD8+T细胞在肿瘤中浸润的比例。这样的研究可以说明肠道菌群对于膀胱癌及其他上皮癌症的治疗可以起到良好的促进作用,但这仅仅还只是在动物实验层面,我们需要的是更多在人群中的验证,以期肠道菌群在临床治疗中起到辅助甚至关键的作用。

2 微生物在膀胱癌诊疗中的应用展望

2.1 可能的生物标志物近些年来,比之组织活检,人们也在不断关注液体活检,原因是在NMIBC和MIBC患者尿液中不同的微生物谱或许可以成为新的肿瘤标志物[18]。改变的微生物群可能有助于作为疾病的早期诊断指标[4]。肠道和最近描述的泌尿微生物组可能很快被用作疾病发生的可靠预测和预后指标。比如在研究泌尿系血吸虫病和膀胱癌之间关系时几个类群区分了血吸虫病引起的膀胱病理和健康人群感染,其中的重要类群可以被推测为感染的标记,而一些潜在有益的类群可以作为未感染的标记[13]。一项研究比较了31名男性膀胱癌患者和18名健康对照者基于16S测序的中游排尿结果。膀胱癌与某些属(不动杆菌属、厌氧菌属和鞘脂杆菌属)的富集和其他属(沙雷氏菌属、变形菌属和玫瑰单胞菌属)的减少有关。此外,草螺菌属、卟啉杆菌和拟杆菌属富集在复发和进展高风险的患者组中,这些属可能成为风险分层的潜在生物标志物[5]。

2.2 活性菌药物我们已经知道抗生素削弱肠道菌群的作用并使ICIs的效果变差,而粪便微生物群移植(faecal microbiota transplantation,FMT)或益生菌补充可能帮助恢复肠道细菌平衡[30]。FMT可以直接改变受者肠道微生物群,使其组成正常化并获得治疗效益[31]。有研究表明,膀胱癌术后患者的随机对照试验中表柔比星联合Casei Shirota组的3年无复发生存率明显高于单纯表柔比星组(74.6%vs.59.9%,P=0.0234)[32]。目前粪便微生物移植在艰难梭菌感染、炎症性肠病和肠易激综合征的临床研究取得了乐观的结果[33]。同时,菌群与人体各系统疾病间的联系愈加密切,提示我们粪便菌群移植可能利用于胃肠道之外的疾病。在一项研究中,研究者发现FMT在改善转移性肾细胞癌患者酪氨酸激酶抑制剂依赖性腹泻方面有明确和统计支持的益处。目前膀胱癌与肠道菌群之间的联系研究尚少,但已有少量研究提示肠道菌群在患者和健康人群中存在差异,寻找特异性的菌群进行移植可能会有一定作用,这一方法还可能加强免疫治疗的反应性同时抑制相关副作用,这一设想需要临床试验来证实。

3 小 结

各种研究表明,肠道和泌尿道微生物组在膀胱癌中起着多种作用。但这些相互作用是复杂的,并没有完全被证实,临床前和临床数据表明,微生物的多样性、总体数量或某一菌属的改变均可能对膀胱癌造成影响,这也就使研究更加复杂,在研究中区分在疾病进程中有益或有相对不良作用的菌群可能是我们需要攻克的问题之一。另外,我们对于泌尿系微生物很少进行纵向研究的方式,这需要了解泌尿微生物群的发展及其从出生到死亡对健康和疾病的影响,早期微生物群的变化也可能会在以后的生活中产生影响[16]。

现有研究可能也存在明显的设计缺陷,比如纳入研究人群的数量偏少,需要进一步的大样本研究;再者,既往的尿液微生物研究受到技术与方法的限制,例如,对女性进行的尿微生物组研究表明排尿样本往往不能代表膀胱样本的微生物组,在中段排尿中检测到的微生物DNA与经尿道导尿管获得的尿液中检测到的明显不同。未来关于膀胱微生物群在膀胱尿路上皮癌中发挥作用的研究应考虑采用导尿获得的样本来使研究结果更具价值。

随着技术的进步,人们对菌群的认识更加深刻,研究的角度更加丰富,菌群的更多功能有待于更深入的研究来发现并将它们应用于疾病的诊疗之中。