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于君:详解肠道菌群与肿瘤的5大问题

中国肠道大会是由南京医科大学第二附属医院张发明教授、热心肠生物技术研究院蓝灿辉院长在 4 届“中国整合肠病学学术会议”基础上,共同发起并于 2018 年创立的跨学科、跨专业的大型学术交流平台。


今年 5 月 28-30 日,2021中国肠道大会在南京国际展览中心隆重召开。本届大会设立了 20+ 个学术分会场,邀请包含 13 位两院院士、20 位国外顶尖专家在内的国内外肠道领域学术专家作了 200 余场学术报告。

今天,我们特别整理了中国肠道大会联合发起人、香港中文大学消化疾病研究国家重点实验室主任于君教授的开幕式演讲视频及图文实录,以飨读者。


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各位专家、教授、同学和同道,虽然我非常期待能到南京现场去参加我们这个肠道的盛会,但是因为疫情受限,很抱歉只能在香港跟大家进行交流。


我今天跟大家交流的题目是《肠道微生态研究与肿瘤的精准转化》。


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我们可以看到,微生态和多种疾病是有关系的,肿瘤是其中的一个研究热点。


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之前肿瘤的研究是立足于筛查,就是说,在不同的肿瘤的疾病状态下筛查微生态的改变情况,以及微生态和这种疾病在进展过程中它们之间的相互关系。


目前的研究已经更深入一步。这是我们在 2019 年的时候发表的一个综述文章,还有另外就是 Ternes 在 2020 年的综述文章。从这些综述可以看到,基础筛查可以找到这种异常的跟肿瘤相关的微生态的改变,而目前的研究已经进入到了,它(微生态的改变)跟肿瘤是如何相互作用的,作用关系是什么,机制是什么,在诊断和治疗方面的作用和价值是什么。


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所以目前就提出来了如下的一些科学问题,也是 principal gaps(主要空白),就是我们还不明白,或者不清楚,或者刚刚开始的微生态和肿瘤研究的一些问题或者话题。


第一个,我们知道疾病的进展——尤其是肿瘤的进展,它是多阶段的一个致病过程,所以说,在这个过程中这种微生态的改变,尤其是它们有些是升高的一些细菌,有些是下降的一些细菌,升高的一些病毒,下降的病毒,升高的真菌,或下降的真菌,它在肿瘤中的角色是什么,是不是坏的,还是只是一个 passenger(过客)。


第二个,它的机制是什么,就是微生态的改变跟宿主的相互作用关系,如何影响宿主的肿瘤的微环境、信号通路,以及它们如何进行了相互作用关系,这些不是很清楚。


第三个方面,它对诊断和治疗的作用,目前也是属于研究的热点,但是有很多的问题有待解决。


第四个,就是细菌跟药物之间的相互关系。细菌影响药物,药物也影响细菌,它们的关系是什么,这也是有待解决的问题。


这些都是跟临床转化相关的很重要的科学话题。针对这些科学话题,我重点概括了最近两年我们在微生态和肿瘤研究方面的一些进展内容,给大家做一个介绍。


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第一个就是,是不是有些促癌的细菌,它是个 driver(驱动者)。


第二个,是不是有一些抑癌的细菌。


第三个就是 FMT(粪菌移植)在肿瘤的治疗方面,有没有一些应用的可能性,有没有效果。


第四个,这种微生态的改变可不可以作为一个诊断肿瘤的标记物。


第五个方面就是细菌和药物的作用,到底是什么样的作用关系,是不是存在这种关系。


这些问题需要逐个给大家做一个概括性的解答,把目前的研究状况、研究热点和所得到的一些结果给大家做一些展示。


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第一个就是促癌的细菌。


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关于促癌的细菌,我们都知道明星菌——具核梭杆菌跟很多肿瘤有关系,和肠癌也有关系。我们可以看到,这个具核梭杆菌——就是在最后一位的 Fusobacterium nucleatum,它的致病机制以及与抗癌药物抵抗的相关性,目前已经研究得非常透彻。


举一个其他促癌细菌的例子。我们发现厌氧链球菌,就是我打成红颜色的,这是根据宏基因组测序找到的,它是在肠癌中富集非常高的一个细菌。其他的细菌已经进行了广泛的探索和研究,我们就想研究这种未知的、在中国肠癌人群里富集非常高的细菌,看它是不是一种新的促癌细菌。


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第一步的研究,我们就用了动物模型和小鼠的模型,初步观察到这是一个促癌的菌。之前我们查文献发现,它是一个革兰氏阳性菌,可以引起人类的感染,但是跟肿瘤的关系从来没有过报道。


然后根据我们第一个研究的结果——它是可以促癌的,我们就进行了机制的探索。


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这个细菌怎么样跟上皮细胞作用来促进肠癌?


我们可以看到在这个电镜下,这些黑点点黑圈圈就是厌氧链球菌 PA,可以看到 PA 可以贴到上皮细胞的表面,然后内吞到上皮细胞里面去。


PA 跟上皮细胞有这么密切的关系,它在肿瘤的富集又高,那么相对来讲,它可能发挥着跟肿瘤细胞密不可分的作用。


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那到底是什么作用呢?既然它可以跟上皮细胞贴在一起,它一定有可以贴在一起的蛋白。通过各种生物素标记的 pull-down 实验,我们找到了细菌表面的这种蛋白 PCWBR2,也找到了宿主细胞的受体——integrin(整合素)α2 和 β1。


它们结合以后发生了一系列的信号通路的激活。大家知道 PI3K-Akt 是一个重要的促癌的信号通路,这种通路激活之后可以促进上皮细胞的增殖。另外一方面,NF-κB 是个核心的促炎的信号通路,它可以导致上皮细胞释放很重要的促炎的 cytokine(细胞因子)和 chemokine(趋化因子)。我们进行了单细胞测序,就发现这个细菌跟上皮细胞感染、接触之后,抑制肿瘤免疫的 MDSC(髓源抑制性细胞)和 TAM(肿瘤相关巨噬细胞)是明显升高的。


所以它作用的机制,一个是促进上皮细胞增殖,再一个是抑制了这种抗肿瘤的免疫微环境,进而就促进了大肠癌的发生和发展。所以说这是跟肠癌相关的一个新的促癌细菌。


目前我们正在探索这个细菌跟干细胞的关系,和免疫微环境的具体相互作用关系,还有在甲基化方面的调节的关系,想把这个细菌的整个全貌挖掘清楚。


这是一个例子,就是在这种异常改变的细菌里面,有很多坏的细菌,它跟其他的细菌有合作协同作用,所以说我们也在看这种细菌跟细菌之间、坏的细菌之间的叠加作用。坏的细菌是存在的,它们的团队团伙也是存在的。


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另外一方面有没有好的细菌呢?


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这是我们经过了 4 个人群的宏基因组测序的对比结果,右边红点点是在大肠癌中富集高的细菌,左边蓝颜色这个是富集下降的这种细菌。


富集下降的细菌里面,其中一个叫嗜热链球菌,这是个代表性的细菌,其实我们找到了一组对大肠癌有好的作用的这种细菌,就拿它作为例子来给大家做一个解释。


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我们发现了这个细菌,然后进行了探索和研究。通过动物模型发现,感染了这个细菌,大肠癌长的就少了。


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在另外一个动物模型也得到了验证。


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验证之后,我们进一步地发现,细菌不是直接的作用,是个间接作用,通过它的代谢产物发挥作用。在这个细菌的培养液里边有一个蛋白,大于 100kD 的,起着抑制肠癌生长的作用。


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进一步进行了高通量的分析,发现它是 β-gal(β-半乳糖苷酶),这个酶起着非常重要的作用。


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我们进一步地给这个嗜热链球菌进行了修饰,把产生半乳糖苷酶的这个基因——lacZ 基因给它敲除,这个细菌的保护作用就消失了。说明了这个细菌是通过分泌半乳糖苷酶来发挥抑制肠癌的作用。


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半乳糖苷酶可以促进乳糖变成半乳糖,它有抑癌的作用,那它的分子机制是什么呢?


所以这篇去年发表的文章里边,我们花了大量的时间和精力来探索它的分子机制,发现了跟 Warburg 效应是有关系的。Warburg 效应是一个重要的跟肿瘤相关的通路。


当然我们也找到了其他的比较好的细菌,也找到了细菌合在一起的话,它有一个叠加的整合的效应。


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下一个就是 FMT 在肿瘤方面的应用,这个真的是刚刚起步,有一些在免疫治疗方面的报道。


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一个经典的报道就是 2018 年的时候,Science 有篇文章发现了动物 FMT 以后,它对于这种免疫制剂 PD-1 抗体的应答可以提高,有可能提高上皮肿瘤对于免疫抑制剂的响应。


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那是不是这么回事呢?大家可能都读过非常经典的两篇文章。


2021 年早期的时候,大家可以看到 Science 的文章,它做了临床的试验。10 个病人是抗药性的转移性的黑色素瘤患者,PD-1 抗体对于他们是抗药的、没有作用的。10 个病人做了 FMT 后,一个是完全有效,两个是部分有效。


它得出的结论就是,FMT 有重要的调节肿瘤治疗——尤其是免疫抑制剂对肿瘤的治疗效果。


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我们看到另外一篇文章,同样是黑色素瘤,两个团队出现了相似的结果。


这个 FMT 给的是治疗有效的患者的粪便,recipient(受体)就是 15 个病人,这 15 个病人也是对于抗 PD-1 这种 checkpoint inhibitor(检查点抑制剂)治疗以后效果不理想。而 FMT 之后,6 个病人有明显的临床的治疗反应。


所以说这是三个结果。第一个就是老鼠的模型,说明可能是微生态对于调节这种免疫治疗——checkpoint inhibitor 药物治疗,有一定的效果。这两个临床的试验,而且是背对背的试验,得出了相似的结论:FMT 可能是对肿瘤的治疗——他们做的是黑色素瘤病人的治疗,尤其是对于这种 anti-PD-1 有抗药性的患者,可能有一定的效果。


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那它的机制是什么呢?这是 2020 年 Science 上的一篇 paper,可以看到就是假长双歧杆菌是一个代表性的细菌,它通过分泌 inosine,就是肌苷,来调节提高它的这种免疫治疗的效果。


所以说,Science 有一系列这样的报道,也是阐明了这种微生态也好,细菌也好,对于免疫治疗是有效的。


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目前我们大家也知道有 11 个菌株在做 III 期临床试验,把这 11 个可以升高 IFNγ 和 CD8 阳性 T 细胞的 inducing bacteria(诱导性细菌)整合在一起进行 III 期的临床试验,看看对于这种免疫检查点抑制剂的调节作用,临床治疗效果的观察目前还正在进行中。


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我们去年的年底的时候,对于所有的肿瘤微生态在肿瘤治疗中,它是好的,还是坏的,进行了总体的一个总结。


在化疗方面,这种微生态多数是增加抗药性的,反倒在另外一方面,有很多的细菌可以提高这种 anti-PD-1 的免疫治疗效果。


这个是我们对治疗方面的一些总结性的一个综述性的文章。


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那我简单地再介绍一下 marker(标记物),这种微生态的改变可以做 marker 吗?


我们知道肠道微生态不是一个单独的细菌,它是多种不同的 kingdom(界)组成的。


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我们早期的时候找到这种细菌 marker,可以把肠癌和非肠癌的患者分开,而且它跟 2 型糖尿病、IBD(炎症性肠病),它们是不相关的,是独立于其他疾病的这种细菌的标记物。


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后来就发了一些文章,发现这种 marker 比 FIT——就是我们知道的化学的粪便潜血试验,更灵敏。它(细菌标记物)跟临床常用的 FIT 这种检测的手段作比较,用紫红色的是好的,尤其是 4 个细菌的整合还是不错的。


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除了对大肠癌诊断有效的细菌,我们在去年的时候也发现了另外一个细菌有助于腺瘤的诊断。我们知道找到疾病早期的这种异常的改变非常重要。


这个是 m3,就是在粪便里边检测叫 m3 的细菌,可以早期诊断腺瘤,尤其是进展期腺瘤,还有早期的肠癌,所以说有一个整合。


我们这些当然也申请了专利,香港的一家公司已经跟我们大学的知识转移办公室签署了转化协议。他们这个标记物听说已经开发出来,在临床正在进行敏感性和特异性的检测和测试。


这就是细菌标记物,有可能会整合其他的标记物,比方说 FIT 这种潜血试验,有可能是一个新的方向。


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除了细菌之外,肠道还有其他的微生物。这个是我们在病毒跟肿瘤方面的相关性比较早的研究,可以说是第一篇文章。发现了肠道的病毒是跟肠癌是有关系的,而且可以找到肠癌的这种病毒标记物。


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可以看到 4 个病毒的整合跟肠癌的预后也是有关的。


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除此之外,我们也做了 fungi(真菌),也是第一篇 fungi 标记物跟肿瘤相关的文章发表,这是 19 年的一篇文章。粪便里边真菌的不同组合可以区分肠癌和健康人群。


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除此之外,Archaea ——就是古菌跟肿瘤的相关性,我们团队也是第一篇文章报道。古菌在肠癌里面有一个特殊的组合,这种特殊的 composition(组成)在病人和健康人群是明显不同的,可以区分出来。


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现在这种不同的肠道微生物有不同的特征,可以区分肠癌和非癌的特征,那目前的工作是什么呢?


就涉及到了 AI——machine learning(机器学习),来找到一个最佳的组合,把所有的我们手上的标记物进行整合。


当然了 microRNA 的标记物是我们团队一直在做的工作,现在国内的 CFDA(国家食品药品监督管理总局)已经在 2018 年批了,现在在上市在用。


我们团队找到这种宿主的标记物,还有细菌的标记给它整合起来,然后通过 machine learning 的方法找出来最佳的组合。因为是 qPCR probe 的方法,相对来讲检测的手段比较简洁,也比较价廉,所以说易于推广。这个工作是正在进行中。


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最后一个方面,给大家介绍一下细菌和药物,这是一个非常复杂的话题,也是比较困难的一个话题。


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这个是 Cell 在去年发的一篇文章,大家可能都看了这篇文章。它通过一个 screening(筛查)的方法来 screen 这种 microbiome(微生物组)相关的代谢产物,它们有可能跟这种药物之间的相互作用关系。


它的结论就是,这种 personalized(个体化的)药物代谢,可能是跟人的 gut microbiome(肠道微生物组)是有关系的,就是不同的个体对于药物的代谢差异跟个体的肠道菌群是有关系的。这是 Cell 去年的这样一篇很重量级的文章。


那是不是这么回事呢?这个问题要回答就需要做一系列的实验。


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这是另外一篇 Nature 去年的文章,它提出来一个说法,跟前面的说法是差不多的,就是说药物跟微生态它们之间是相互影响的,但这个话题非常的复杂,知道的非常少。那我们有没有一点点答案呢?


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这是我们做的一份工作,也是去年刚刚发表的一份工作。


我们知道大批的临床试验都证实了,长期的小剂量的阿司匹林可以明显地降低肠癌的发生率,尤其是对于心血管疾病的患者、关节炎的患者,小剂量用阿司匹林用很多年,那他肠癌的发生率是明显下降,而且不光是肠癌,其他的肿瘤发生率也是下降的。


那这个肠道微生态对阿司匹林有影响吗?它(肿瘤发生率)不是 hundred percent(百分之百)都下降,只是一部分的(患者)用到阿司匹林之后,肠癌发生率下降,只有一定的百分比,10~20%甚至 30%,但不是 100%。那就可以考虑微生态对阿司匹林有没有影响。


我们这个实验就做出来,在低菌的情况下,就是 cocktail antibiotics 鸡尾酒抗生素用完之后,这种阿司匹林抑制肠癌的效果是明显升高的。


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我们非常感谢魏泓教授的 germ free(无菌)的老鼠模型。用魏教授的 germ free 老鼠模型证明了,在 germ free 没有这种细菌的情况下,阿司匹林抑制肠癌的效果显著好于有细菌的状态,这就说明细菌对阿司匹林是有影响的。


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那是什么样的细菌?细菌在肠道里有 1014 的数量,是什么样的细菌对它有影响呢?


我们挑选了 1000 多个 colony(菌落),经过层层大批量的工作,筛查的工作,发现了有一个细菌——球形芽孢杆菌,可以降低和降解阿司匹林。


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我们就单独地给这种无菌鼠服用阿司匹林,然后给它这种单独的细菌。右边这图大家可以看到,有和没有球形芽孢杆菌的对比,它对于阿司匹林的降解效果是明显不同的。


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所以说这篇文章也是诠释了我们肠道微生态对药物的影响。不是说所有的细菌都有影响,我们也试了其他的不同的细菌,就是不同的科研小组试了不同的肠道细菌,只有这种球形芽孢杆菌有这个作用。


所以说将来服阿司匹林药物的患者,如果粪便里面检测球形芽孢杆菌的丰度比较高,是不是给临床医生一个提示:或者是增加阿司匹林的药量,或者是不建议用阿司匹林。因为它的效果比其他人群相对来说是低的,因为这个细菌可以降解阿司匹林。


当然了这只是一个例子,也是一个细菌跟药物相互作用关系的一个例子。


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言而总之,总而言之,目前微生态在肿瘤方面的研究,尤其是临床应用方面的研究,可以得出几个结论。


第一个,的确是有一些促癌的细菌。


第二个,有一些保护(抵抗)肿瘤的细菌。


第三个,它们之间,好的细菌、坏的细菌,它们是协同作用,就是说它们是 team work(团队合作),不是一个单打独斗这样的状态。


再一个就是说,FMT 对于肿瘤的,尤其是 anti-PD-1 的治疗失败的这种人群,是不是可以尝试 FMT,其他的肿瘤是不是也可以尝试 FMT,有待于进一步的回答或探索。


另外一方面,细菌的确是一个可行的、潜在性的、可作为一个肠道微环境的标记物,但是最好是结合其他的标记物整合起来,然后发挥各自的优势,提高它的敏感性和特异性。


最后一个话题,肠道菌群对药物是有影响的,药物对菌群也有影响。我们这篇文章也解释了药物对菌群的影响,我刚才解释的主要是菌群对于药物的降解作用,那其他药物有待于进一步地挖掘和探索。


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非常感谢我的科研团队他们辛苦的付出和努力。感谢我的合作伙伴,尤其是魏泓教授在无菌小鼠动物模型上跟我们密切的合作和支持,感谢上海交通大学的房静远教授,感谢北京的盛剑秋教授,还有其他的一些国内外的合作伙伴。


没有他们的大力支持和帮助,不会有我们这样一系列的产出,一系列的文章发表,一系列的科研成果。


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非常感谢大家的聆听,谢谢你们。


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