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本文聚焦肿瘤微环境（TME）中肿瘤内微生物代谢物的作用。系统分析其对免疫细胞功能、肿瘤生长的影响，探讨与免疫治疗的协同效应，为基于微生物组的癌症治疗策略提供理论依据，助力个性化癌症治疗发展。
肿瘤内微生物与癌症之间的代谢对话：对免疫治疗的影响
肿瘤微环境（TME）是一个高度复杂的系统，对癌症的进展和治疗效果有着深远影响。肿瘤内微生物群作为 TME 的重要组成部分，其代谢产物在调节肿瘤微环境和抗肿瘤免疫方面发挥着关键作用。本文将系统分析肿瘤内微生物代谢产物对 TME 和癌症免疫治疗的影响，探索基于微生物代谢物的潜在治疗策略。
肿瘤内微生物代谢产物影响 TME 或癌症免疫治疗
- 葡萄糖代谢相关产物：在肿瘤组织中，由于高能量消耗，即使在常氧条件下，肿瘤细胞也会通过增强的糖酵解过程产生大量乳酸，这种现象被称为 Warburg 效应。肿瘤内的厌氧细菌，如乳酸杆菌，也会通过代谢活动产生乳酸。乳酸进入 TME 后，会作为免疫调节介质，通过多种机制影响肿瘤进展。它可以与巨噬细胞表面的 G 蛋白偶联受体相互作用，诱导 M2 表型极化，抑制 CD8+ T 细胞和 NK 细胞中 NFAT 的表达，减少 IFN-γ 的产生，从而促进肿瘤生长。此外，乳酸积累还会刺激肿瘤血管生成，为肿瘤细胞提供更多氧气和营养物质，进一步促进肿瘤组织生长。相反，TME 中乳酸的消耗会导致调节性 T 细胞功能障碍，抑制肿瘤组织生长。肿瘤内厌氧微生物群与酸性微环境之间存在双向关系，酸性环境有利于厌氧微生物群的定植，而这些微生物又通过产生乳酸维持环境酸性，这为抑制肿瘤进展提供了一个有前景的治疗靶点。
- 氨基酸代谢相关产物
- 色氨酸：肿瘤细胞对色氨酸的高消耗会导致 TME 中色氨酸耗竭，诱导 T 细胞凋亡，从而抑制肿瘤发展。不同的肿瘤内微生物会产生多种色氨酸衍生物，这些衍生物往往会产生相似的生物学结果。例如，约翰逊乳杆菌（Lactobacillus johnsonii）将色氨酸转化为吲哚 - 3 - 丙酸（IPA），在抗 PD - 1 免疫治疗中增强 CD8+ T 细胞功能，抑制肿瘤生长。在黑色素瘤中，罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）将色氨酸合成吲哚 - 3 - 醛，选择性激活 CD8+ T 细胞上的 AhR，刺激产生 IFNγ 的 CD8+ T 细胞，介导抗肿瘤作用。除了吲哚代谢途径，犬尿氨酸代谢途径也是色氨酸代谢的重要途径。在免疫细胞中，吲哚胺 - 2,3 - 双加氧酶（IDO）催化色氨酸转化为犬尿氨酸，其积累会增强调节性 T 细胞的生成，促进肿瘤发展。不同的色氨酸代谢途径在 TME 中会产生不同的生物学结果，阐明调节肿瘤内微生物群色氨酸利用的机制是癌症治疗发展的一个有前景的方向。
- 精氨酸：精氨酸在癌症研究中是一个关键靶点，肿瘤内微生物代谢产生的精氨酸具有双向作用。实验证据表明，肿瘤微环境中精氨酸浓度的增加有助于 T 细胞浸润。临床研究发现，基因工程的大肠杆菌 Nissle 1917 在肿瘤定植后，可将氨转化为精氨酸，促进肿瘤组织中 T 细胞浸润，增强免疫治疗效果。然而，研究也表明，高水平的精氨酸可以调节葡萄糖、脂质和氨基酸代谢，从而促进肿瘤形成。因此，精氨酸既能促进肿瘤生长，也能增强抗肿瘤治疗效果，其作用取决于肿瘤内精氨酸的浓度，这凸显了需要进行全面研究以确定最佳治疗策略的必要性。
- 其他氨基酸：除了色氨酸和精氨酸在特定条件下的抑瘤作用外，新兴研究表明，丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸和缬氨酸在经过肿瘤内Paraburkholderia fungorum代谢后，也具有肿瘤生长抑制特性。然而，这些氨基酸发挥抗肿瘤作用的潜在分子机制尚未完全阐明，需要进一步研究。
- 脂质代谢相关产物
- 短链脂肪酸（SCFAs）：短链脂肪酸主要由各种厌氧细菌产生，包括乙酸、丙酸和丁酸等。产生短链脂肪酸的厌氧细菌包括乳酸杆菌、梭菌、大肠杆菌、粪球菌、毛螺菌科成员和阿克曼菌等。短链脂肪酸对肿瘤进展的影响主要通过两种机制：直接作用于癌细胞和间接通过调节免疫反应。大多数研究表明，这两种机制都会抑制肿瘤的发展和进展。短链脂肪酸主要通过调节多个细胞内信号通路来发挥其抗肿瘤作用，这些信号通路控制肿瘤细胞的凋亡和增殖。在 TME 中，短链脂肪酸与 G 蛋白偶联受体，特别是低亲和力的丁酸受体 GPR109A 相互作用，抑制肿瘤细胞中的 AKT 和 mTOR 信号通路，引发活性氧（ROS）生成，促进氧化应激，最终导致线粒体膜功能障碍和细胞凋亡。此外，短链脂肪酸还可以通过诱导 G1 期细胞周期停滞来抑制癌细胞增殖。与对癌细胞的直接作用相比，肿瘤内厌氧细菌产生的短链脂肪酸对免疫细胞的调节在抑制肿瘤发展和进展中似乎起着更关键的作用。短链脂肪酸可以调节各种免疫细胞的细胞因子分泌，从而影响 TME 中其他细胞的功能。例如，定植在结直肠癌中的具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）可以通过游离脂肪酸受体 2（FFAR2）依赖的方式增加肿瘤内 Th17 细胞的浸润，随后增强白细胞介素 - 17A（IL - 17A）和白细胞介素 - 17F（IL - 17F）的分泌。考虑到 IL - 17 可以诱导血管生成因子的产生并与肿瘤侵袭密切相关，丙酸诱导的 IL - 17 减少可能在抑制肿瘤侵袭中起关键作用。在肠道淋巴瘤中，直肠真杆菌通过降低肿瘤坏死因子（TNF）水平发挥抗肿瘤作用。此外，最近的研究表明，短链脂肪酸可以诱导免疫细胞上干扰素 - γ 受体 1（IFN - γ - R1）的上调，同时抑制 NK 细胞和 CD8+ T 细胞的功能，最终抑制肿瘤细胞生长。此外，研究还表明，胶质瘤中的丁酸可以通过表观遗传修饰调节小胶质细胞，从而对肿瘤生长产生抑制作用。短链脂肪酸不仅可以调节多种细胞因子的分泌，还可以作为碳源为免疫细胞活动提供能量。然而，短链脂肪酸的抗肿瘤功效似乎与其在 TME 中的浓度密切相关。过高或过低的浓度可能会产生不同的效果，目前最佳的短链脂肪酸浓度仍有待进一步研究确定。
- 胆汁酸：胆汁酸是一类水溶性化合物，主要分为初级胆汁酸和次级胆汁酸。近年来，关于胆汁酸在各种肿瘤组织，包括肝细胞癌、胆囊癌和结直肠癌中的作用的研究激增。胆汁酸在 TME 中作为信号分子，对免疫细胞表面受体有直接和间接的影响，调节包括 NK 细胞和巨噬细胞在内的各种免疫细胞的激活状态，从而影响肿瘤进展。在临床环境中，肿瘤内胆汁酸浓度已成为癌症患者生存的潜在预后生物标志物。一般来说，肿瘤内胆汁酸浓度较低的患者预后比浓度较高的患者更有利。先前的研究表明，肠道微生物群衍生的胆汁酸及其代谢产物在各种肿瘤组织中具有不同的作用。主要的活性次级胆汁酸由具有 7 - α - 羟化酶或脱氢酶的细菌，如艰难梭菌和拟杆菌合成。然而，在肿瘤组织中，调节胆汁酸代谢的微生物与肠道微生物群不同，胆汁酸代谢在不同的肿瘤微环境中也具有不同的作用。通过对乳腺癌的综合队列分析，研究人员发现，Hymenobacter、Anaerococcus 和 Collimonas 这三种细菌在乳腺癌低胆汁酸代谢组中富集，该组显示出更显著的免疫细胞浸润，特别是 M1 巨噬细胞浸润。在肝细胞癌的肿瘤微环境中，Akkermansia muciniphila 的定植可能将熊去氧胆酸（UDCA）转化为牛磺熊去氧胆酸（TUDCA），从而增强对肿瘤的免疫抑制作用，可能使肝癌患者受益。这种抗肿瘤作用可能归因于肿瘤内 TUDCA 能够抑制白细胞介素 - 8（IL - 8）和白细胞介素 - 1α（IL - 1α）的表达，同时抑制 NF - κB 介导的炎症反应。
- 其他代谢相关产物
- 三甲胺 - N - 氧化物（TMAO）：TMAO 是肉碱和胆碱代谢的产物，主要由肠道微生物群，特别是具核梭杆菌合成。近年来的研究表明，TMAO 与多种慢性疾病，包括糖尿病、心力衰竭、慢性肾病、阿尔茨海默病和各种癌症的发展有关。新兴研究揭示了 TMAO 与肿瘤组织之间的密切关系，血浆和肿瘤组织中的 TMAO 水平与多种癌症的进展显著相关。目前的研究主要集中在肠道微生物代谢产生的 TMAO 上，肠道微生物群通过直接转移或间接调节微生物环境来调节肿瘤内微生物群。肿瘤内微生物代谢产生的 TMAO 具有显著的抗肿瘤作用。在乳腺癌和胰腺导管腺癌等肿瘤组织中，TMAO 可以通过激活 I 型干扰素信号通路激活效应 T 细胞和抗肿瘤 M1 巨噬细胞。此外，肿瘤内微生物代谢产生的 TMAO 还可以激活内质网应激激酶，促进癌细胞凋亡，并与乳腺癌中的 α - 酪蛋白相互作用，抑制肿瘤进展。然而，在特定的肿瘤组织，如肝细胞癌和结直肠癌中，TMAO 可能通过激活 MAPK 信号通路促进肿瘤进展，该通路是癌症治疗反应中的关键通路，可增强炎症反应，促进癌细胞增殖和迁移。
- 肌苷：肌苷是嘌呤代谢中的关键代谢产物，不仅在各种细胞活动的信号转导过程中作为重要的信使分子，还参与 RNA 修饰，调节肿瘤细胞的转录和翻译过程。研究表明，肌苷在肿瘤细胞的线粒体呼吸过程中也起着重要的信号分子作用。在人类中，肌苷由微生物，特别是假长双歧杆菌通过代谢过程合成。许多研究表明，在包括结直肠癌、膀胱癌和黑色素瘤在内的各种癌症的 TME 中，肌苷的存在与肿瘤进展密切相关。越来越多的研究证据表明，肿瘤内微生物代谢产生的肌苷在 TME 中可能起着关键作用。肌苷不仅可以作为效应 T 细胞的碳源，还可以调节肿瘤对免疫检查点抑制治疗的反应。通过与 A2A 受体相互作用，肌苷增强抗肿瘤 T 细胞的活性，从而提高免疫治疗的疗效，显示出在癌症治疗中的显著抗肿瘤潜力。
- 核苷：代谢调节剂 5 - 氨基咪唑 - 4 - 甲酰胺核糖核苷（AICAR）是一种已被充分表征的 AMPK 激活剂，对包括血液系统恶性肿瘤和前列腺癌在内的多种癌症的肿瘤进展有显著影响。最近对宫颈癌的研究表明，肿瘤内的惰性乳酸杆菌（Lactobacillus iners）会显著提高 AICAR 的浓度，导致糖酵解代谢下调，从而抑制肿瘤细胞增殖并诱导细胞凋亡。
微生物代谢产物与癌症治疗
- 微生物代谢产物与放化疗：肿瘤内微生物群的代谢显著影响各种放化疗方案的治疗效果。例如，在结直肠癌中，肿瘤内的具核梭杆菌会将化疗药物 5 - 氟尿嘧啶（5 - FU）代谢为无毒的二氢氟尿嘧啶（DHFU），从而降低局部药物疗效。直肠癌中厚壁菌门的 Coprococcus 属产生的短链脂肪酸可能会减弱对新辅助放化疗的反应。宫颈癌中惰性乳酸杆菌产生的 L - 乳酸会增强宫颈癌细胞的代谢，从而降低放化疗对这些细胞的疗效。相反，胰腺癌中肿瘤内微生物群的代谢产物吲哚 - 3 - 乙酸（I3A）会增强胰腺癌细胞的化疗敏感性，从而提高化疗疗效。
- 免疫治疗中的协同效应：最近的研究表明，各种肿瘤内微生物代谢产物在癌症免疫治疗中具有协同效应。这些协同效应主要通过肿瘤内微生物代谢产物诱导抗肿瘤免疫细胞浸润来实现，从而增强抗 PD - L1、PD - 1 和 CTLA - 4 免疫治疗的疗效。研究表明，多种微生物代谢产物，包括真杆菌、丁酸球菌、罗斯氏菌、瘤胃球菌和粪杆菌产生的丁酸，约翰逊乳杆菌产生的吲哚 - 3 - 丙酸（IPA），具核梭杆菌产生的 TMAO，以及双歧杆菌产生的肌苷等，都可以增强 CD8+ T 细胞的活性和肿瘤浸润能力，从而在抗 PD - L1 免疫治疗中产生显著的协同效应。此外，研究还表明，基因工程大肠杆菌可以代谢产生精氨酸，从而增加肿瘤浸润 T 细胞的数量，进一步增强抗 PD - L1 治疗的疗效。另一个研究表明，A. muciniphila 可能通过调节 TME 中 TUDCA 的含量来增强抗 PD - 1 单克隆抗体（PD - 1 mAb）免疫治疗的疗效，从而提高肿瘤内 CD8+ T 细胞的水平。此外，多项体内和体外实验表明，微生物可以增强免疫检查点阻断免疫治疗的效果。除了在免疫检查点阻断免疫治疗中的协同效应外，肌苷还被证明可以增强嵌合抗原受体 T（CAR - T）细胞的功能，从而有可能提高免疫治疗的疗效。值得注意的是，最近的研究报道，在某些肿瘤类型，如胰腺癌中，消除肿瘤内微生物群可能会增强免疫治疗的疗效，但其具体的抗肿瘤机制仍有待充分阐明和进一步研究。随着研究技术的不断进步，肿瘤内微生物代谢产物影响癌症免疫治疗的分子机制正在逐步被阐明，这有望为开发更有效和个性化的癌症免疫治疗策略提供重要的理论基础。
癌症研究中微生物衍生代谢产物的分析方法
目前，许多关于肿瘤内微生物的研究采用将 16S rRNA 测序与培养组学相结合的方法。16S rRNA 是一种高度保守和特异性的微生物序列，能够在属水平上识别肿瘤内微生物。基因测序与培养组学相结合，可以进行高通量细菌培养，有效地揭示定植在肿瘤中的微生物。此外，另一种基因测序方法，宏基因组测序，在肿瘤内微生物组研究中也起着关键作用。与 16S rRNA 不同，基于 DNA 测序的宏基因组学可以在菌株水平上识别微生物，为研究提供更精确的结果。同时，代谢组学在阐明肿瘤内微生物的代谢产物方面起着至关重要的作用。通过代谢组学，可以识别肿瘤组织在特定时间点的各种代谢产物，从而推断肿瘤内微生物代谢活动的变化。尽管各种检测和分析技术发展迅速，但仍有许多重大挑战需要克服。肿瘤内微生物样本采集过程中的环境微生物污染、采集的肿瘤内微生物生物量低以及含微生物肿瘤组织的体外培养条件差异等，都可能严重影响样本分析结果的准确性。此外，现有的代谢组学方法缺乏成熟的技术来跟踪肿瘤内代谢产物产生的动态过程，无法直接应用于确定肿瘤内微生物产生的代谢产物在肿瘤组织中的精确作用。解决这些问题需要众多跨学科研究人员的持续努力。
未来展望
- 构建肿瘤内微生物代谢组泛癌图谱：构建全面的肿瘤内微生物代谢组泛癌图谱是未来肿瘤学研究的一个关键方向。目前，我们对肿瘤内微生物及其相关代谢产物的了解主要局限于少数癌症类型。由于样本量小和代谢物追踪检测的技术挑战，大多数研究仅调查了不同肿瘤组织中的特定微生物组成。为了全面了解肿瘤内微生物代谢产物在不同肿瘤类型中的作用，建立标准化的采样和分析方法至关重要。这包括优化肿瘤组织的收集、储存和处理技术，以及建立统一的代谢物提取和分析协议。这项研究的关键将是利用最先进的高通量代谢组学技术，包括但不限于液相色谱 - 质谱（LC - MS）和核磁共振（NMR）光谱，对各种肿瘤组织类型中的代谢物进行全面分析。同时，利用先进技术，如 16S rRNA 测序和宏基因组测序，分析肿瘤内微生物群落，将有助于阐明微生物代谢产物与特定细菌种群之间的关联。整合代谢组学、基因组学、转录组学和蛋白质组学等多组学数据的分析，将有助于破译肿瘤内微生物代谢产物、肿瘤细胞及其微环境之间的复杂相互作用网络。通过这些综合努力，我们旨在识别不同肿瘤类型中的特征性代谢产物和关键代谢途径，为后续的靶向治疗研究和潜在的临床应用奠定坚实的基础。
- 肿瘤内与肠道微生物群代谢模式的大规模比较分析：肿瘤内与肠道微生物群代谢模式的大规模比较分析是另一个重要的研究方向。虽然目前还没有研究对肠道微生物群和肿瘤内微生物群的组成和代谢异同进行大规模比较，但它们的代谢模式可能存在显著差异。深入研究这些差异有可能提供有价值的生物学见解。这项工作的基础在于建立大规模的临床队列研究，涉及同时从患者身上收集肿瘤组织和肠道样本。利用 16S rRNA 测序和宏基因组测序等技术，可以分析肿瘤内和肠道微生物群的群落组成和功能基因。同时，采用代谢组学技术对两种样本类型中的代谢产物进行综合分析。这种配对分析有可能识别出肿瘤内微生物群独特的代谢特征。深入研究肿瘤内和肠道微生物群之间的相互关系，包括探索肠道微生物群是否可以转移到肿瘤组织以及对 TME 的后续影响，也是这个研究方向的另一个关键方面。通过这项比较研究，研究人员可能会识别出肿瘤内微生物群独特的代谢途径和关键酶，从而为开发新的
