GRg3对直肠癌放疗患者肠道菌群影响的研究进展

Research Progress of Effects of GRg3 on Intestinal Flora in Patients with Radiotherapy for Rectal Cancer

摘要: 直肠癌发病率逐年递增，由于早期筛查的普及率低，中老年人规律接受肠镜随访的比例低，大多数结直肠癌患者因出现典型症状而就诊时肿瘤已处于进展期。放疗是局部晚期直肠癌患者治疗中至关重要的一部分，腹盆腔肿瘤患者放疗后会有不同程度的放射性肠损伤，合并肠道菌群紊乱。传统药物治疗效果不佳，且在免疫治疗方向大多是微卫星稳定(MSS)，对基于抗PD-1的免疫治疗没有反应，迫切需要新的治疗方案。人参皂苷Rg3 (Ginsenoside Rg3, GRg3)是从人参中提取的活性单体，具有抗炎、抗肿瘤、抗血管生成及增强免疫功能等作用。了解GRg3与肠道菌群及其代谢产物之间的关系以调节肠道微生态，可能增强直肠癌免疫治疗敏感性，为直肠癌免疫治疗寻找新的突破口。本文分别从GRg3、肠道菌群以及肿瘤免疫功能三者之间关系进行综述。

Abstract: The incidence of rectal cancer is increasing year by year. Due to the low penetration rate of early screening and the low proportion of middle-aged and elderly people regularly receiving colonoscopy follow-up, most patients with colorectal cancer have advanced tumors when they see a doctor due to typical symptoms. Radiotherapy is a crucial part of the treatment of patients with locally advanced rectal cancer. After radiotherapy, patients with abdominal and pelvic tumors will have different degrees of radioactive intestinal damage combined with intestinal flora disorder. Traditional drug therapy is not effective, and most of them are microsatellite stabilized (MSS) in the direction of immunotherapy, which does not respond to anti-PD-1-based immunotherapy, so a new treatment plan is urgently needed. Ginsenoside Rg3 (GRg3) is an active monomer extracted from ginseng, which has anti-inflammatory, anti-tumor, anti-angiogenesis and immune function enhancement effects. Understanding the relationship between GRg3 and intestinal flora and its metabolites in order to regulate intestinal microecology may enhance the sensitivity of immunotherapy for rectal cancer and find a new breakthrough for immunotherapy for rectal cancer. This paper reviews the relationship among GRg3, intestinal flora and tumor immune function.

1. 引言

直肠癌的发病率逐年上升，且呈年轻化趋势。《2020全球癌症报告》[1]结果显示，结直肠癌是第三位常见的癌症，也是第二位常见的死亡原因。放射治疗是处于局部进展期的直肠癌患者治疗的关键环节[2]，在提高胃肠道盆腔恶性肿瘤局部控制率和减少复发等方面有举足轻重的作用。放射性肠炎是直肠癌患者放疗后常见的并发症之一，多合并肠道菌群紊乱。肠道菌群是一种居住在胃肠道管腔的微生物群落，包括细菌性生物群落(即肠道细菌)和非细菌性生物群落(如真菌、病毒、螺旋体等) [3]。肠道菌群与人类健康和疾病的关系已被广泛报道，它与肠道本身的疾病和肠道外疾病的发生息息相关。GRg3作为一种对因治疗放射性肠炎且副反应较小的药物，广泛用于卵巢癌、前列腺癌、结直肠癌等肿瘤的治疗。本文就放辐射对肠道菌群的影响、GRg3及其代谢产物与肠道菌群的相互作用、肠道菌群与肿瘤及其免疫治疗疗效的关系的研究进展作一综述，从而为直肠癌新辅助放化疗患者免疫治疗联合用药提供新的方向。

2. 辐射对肠道菌群的影响

据统计，现在有50%~70%的肿瘤病人在住院期间进行放疗[3]。目前局部进展期直肠癌(locally advanced rectal cancer, LARC)的全球治疗策略仍以手术治疗为基本、辅以放疗、化疗的综合模式，不管是传统的“三明治”模式(新辅助放化疗(neoadjuvant chemoradiotherapy, nCRT) + 全直肠系膜切除术(total mesorectal excision, TME) + 术后辅助化疗(adjuvant chemotherapy, ACT)还是高危结直肠癌患者作为首选的TNT模式(在nCRT的基础上，将化疗前移到TME术前)，放射治疗在局部晚期直肠癌患者的治疗中不可或缺。尽管现在IMRT、3D-CRT、IGRT等新型放疗技术的发展在最大程度上保护了正常组织，但由于复杂的人体解剖结构部分肿瘤周围组织及器官被迫进入射野范围，导致出现不同程度的损伤及并发症。直肠癌放疗后肠道菌群在组成和多样性方面表现出显著变化，且肠道菌群失调与直肠癌患者放疗后发生的以放射性肠炎为主的局部性损伤和消化及泌尿生殖系统损伤、骨髓抑制等的全身损伤有关，表现为有益菌增多，有害菌减少[4]。放疗时电离辐射产生活性氧、活性氮等自由基损伤肿瘤细胞DNA以靶向杀死肿瘤细胞，但同时肿瘤病灶周围的正常肠道组织也受到了损伤[5]。放疗对肠道上皮的损伤与肠道菌群紊乱有关。

肠道菌群被定义为分布在胃肠道腔隙和黏膜表面的微生物群落。人体肠道内微生物约占人体微生物总量的78%，包括细菌、真菌、病毒以及古生菌等，其中细菌数量最多[6]。根据菌群与人体利弊不同还可大致分为有益菌、中性菌和有害菌。有研究发现肠道对电离辐射高度敏感，检测患者肠道内微生物群落发现，其肠道菌群群落分布发生显著改变，主要表现为其丰度及多样性减少，最终肠道微生态发生失衡[7]。Wang等[8]收集了18名宫颈癌患者放射性肠炎的粪便标本，发现与放疗前相比盆腔放疗期间和放疗后肠道菌群多样性下降，表现为厚壁菌门、变形菌门、放线菌门等有益菌减少，杆菌门、梭杆菌门等有害菌增加。

3. 肠道菌群及其代谢产物与肿瘤的关系

肠道菌群失调与结直肠癌的关系

肠道菌群在新陈代谢、营养、生理、免疫方面具有重要作用。当机体内外环境发生变化时，肠道菌群的比例、数量、种类和代谢产物发生改变，肠道菌群失调导致一系列临床症状发生。胃肠道是肠道菌群赖以寄生的环境，原发于胃肠道的肿瘤破坏了这一寄生环境，肠道菌群组成状态发生改变，主要表现为肠道菌群多样性的增加及以拟杆菌属为代表的一些菌株丰度增加[9]。无菌小鼠体内植入结直肠癌患者的粪便，小鼠的肠道上皮细胞过度增殖，且促炎因子的基因表达水平增高，并促进偶氮甲烷诱导小鼠结直肠癌的发生[5]，表明特定的肠道菌群组成将促进结直肠癌的发生。通过粪便高通量测序进行肠道菌群检测，发现与正常人相比，结直肠癌患者存在拟杆菌属、肠杆菌属、梭杆菌属富集现象，产丁酸盐细菌的相对丰度明显减少[10]。

若把肠道菌群当作一个内分泌器官，作为肠道菌群的下游产物，肠道菌群代谢产物参与机体的正常生理功能。肠道菌群失调将导致多种代谢产物发生改变，加重炎症损伤和影响肠道功能[11]。短链脂肪酸(Short chain fatty acid, SCFAs)也称挥发性脂肪酸，是肠道微生物群分解不可消化的食物成分后形成的主要代谢产物，对机体免疫功能起着重要的作用。SCFAs一般指含有6个碳原子以下的饱和脂肪酸[12]，包括乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸、异戊酸、戊酸。SCFAs不仅是肠道菌群的重要能源，还是肠上皮细胞的主要能量来源，与能量代谢关系密切，通过对肠道紧密连接蛋白的调节(闭合蛋白、Occludin、ZO-1)继而保护肠上皮屏障功能的完整性，维持肠道稳定[13]。短链脂肪酸通过抑制组蛋白去乙酰酶或与G蛋白偶联受体相结合调节相关信号通路，从而发挥免疫调节、抗炎等作用。有研究表明戊酸可重建放疗后小鼠肠道的蛋白质表达谱，并恢复肠道菌群的正常分类及比例。肠道菌群分解产生的大量芳香氨基酸，作为机体的生理信号分子，参与调节代谢、免疫和神经元反应。此外，色氨酸的代谢产物激活芳香烃受体生成IL-22，并维持肠黏膜的屏障功能SCFA在调节大脑功能、心脏代谢、提高胰岛素敏感性、调节食欲等方面有重要作用[14]。SCFAs还能够通过影响T细胞和B细胞的分化发育调节免疫功能，也可通过多种途径如调节CD4+ T细胞、CD84+ T细胞功能、增加肿瘤微环境免疫浸润等参与调控抗肿瘤免疫[15]。Smith等的研究发现SCFAs促进T细胞分化成Treg细胞，进一步释放IL-10及转录因子Foxp3，抑制Th1和Th17细胞的分泌，抑制炎症发生。在骨代谢、急性胰腺炎、系统性红斑狼疮等与免疫炎症相关的疾病中，SCFAs通过影响Th17/Treg平衡发挥作用。肠道菌群可以通过多种方式影响宿主免疫状态，肠道菌群与肿瘤的发生发展、治疗应答等密切相关。

4. 肠道菌群与免疫治疗疗效的关系

近年来免疫治疗作为热点被广泛研究。免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors, ICIs)是通过解除免疫抑制、活化T细胞、促进免疫系统识别并攻击癌细胞，同时提高T细胞对正常组织的表达的过程。作为一种免疫反应的负性调节因子，程序性细胞死亡-1 (programmed death-1, PD-1)抑制剂能抑制过度的免疫反应，使得正常细胞得到保护而不受免疫反应的破坏[16]。目前PD-1抑制剂在黑色素瘤、肺癌、膀胱癌等恶性肿瘤的应用上疗效尚可。直肠癌在基因和分子水平上具有高度异质性，少部分直肠癌因错配修复基因缺陷，导致高度微卫星不稳定[17]。因为这些肿瘤中的抗肿瘤免疫反应比较强烈，且高肿瘤突变负荷和新抗原负荷有利于免疫效应细胞的浸润，因此PD-1抑制剂对微卫星不稳定的直肠癌患者疗效显著[18]。但大部分直肠癌患者的错配修复基因正常，使微卫星稳定，因此PD-1抑制剂对这些患者的免疫治疗效果不佳。如今单药ICIs对于治疗微卫星稳定/错配修复基因正常的直肠癌患者，其无进展生存期和总生存期均较差。如何提高免疫治疗疗效还需继续探索。

肠道菌群对免疫稳态的调节至关重要，不但能影响外周免疫细胞的活化，还能影响中枢神经系统免疫细胞的功能和成熟，引起异常免疫炎性反应，肠道菌群亦可以促进未结合胆汁酸和次级胆汁酸的生成；还可以产生各种维生素，如维生素B12和叶酸。研究表明，在胃肠道肿瘤中，普氏菌属/拟杆菌属的比值与免疫治疗获益呈正相关[4]，在一个特定的治疗应答亚组中，普氏菌、瘤胃球菌和毛螺菌丰度显著增加。肠道菌群的重塑会影响其代谢产物SCFAs。因而重塑肠道菌群可能对胃肠道肿瘤的免疫治疗有益。

5. GRg3与肠道菌群的相互作用

近几年人参皂苷Rg3及其代谢产物与肠道菌群之间的相互作用被广泛研究。人参是我国传统中药材，具有大补元气、生津、安神等作用。人参中主要存在的活性成分为人参皂苷，其种类众多，根据化学结构分为原人参二醇型皂苷(PPD)、原人参三醇型皂苷(PPT)以及齐墩果酸型皂苷(OA)。其中原人参二醇型皂苷中GRg3具有抗肿瘤、抗炎、抗血管生成、增强免疫功能等作用[4]。GRg3在肠道的生物利用度相对较高[19]，在肠道时被菌群代谢，转化为次级皂苷元被机体吸收从而调节肠道菌群。研究发现人参皂苷Rg3联合放疗治疗，可改善小鼠生存质量，提高其防治结肠癌疗效，也能有效抑制血管生成[7]。其作用机制通过抑制核因子κB (nuclear factor kappa-B, NF-κB)和NF-κB调节的基因产物，从而对抑制肿瘤生长起到增效、增敏、减毒等作用，增强了放化疗对结肠癌细胞增殖、侵袭和迁移能力的抑制[20]。肠道菌群的代谢物可以明显改善RE的肠上皮细胞结构；一种纳米颗粒与GRg3的结合物可以通过恢复肠道菌群抑制肝癌转移。有研究[21]发现人参皂苷及其代谢产物使OACS诱导的肠道菌群失调小鼠的变形菌门相对丰度增加、厚壁菌门相对丰度显著升高，拟杆菌门相对丰度显著减少。

GRg3在不同疾病中通过不同细胞因子均可发挥抗炎作用。GRg3通过显著抑制NF-κB的活性，进而下调COX-2的表达，减少NF-κB介导的细胞因子分泌，对人哮喘肺组织发挥抗炎作用。Yoon等提出GRg3通过减少NO的产生，抑制NLRP3炎症体的致死性内毒素休克和S-亚硝化。GRg3在抑制人和小鼠巨噬细胞的LPS和NLRP3炎症体激活后，IL-1β分泌和caspase-1激活被阻断[21]。GRg3还能通过RXRa和PPARγ激动剂和拮抗剂之间形成的核受体异二聚体发挥抗炎作用。GRg3通过抑制硫代乙酰胺模型小鼠和LPS刺激的HSC-T6细胞自噬发挥抗纤维化作用，提示GRg3作为抗纤维化药物所发挥的抗炎作用。已有研究证明GRg3基于caspase-8及NF-κB信号通路的调控在RE中发挥出一定的抗炎作用[22]，且可以调节肠道菌群，表现为肠道菌群组成分布明显改变，瘤胃球菌属、乳酸杆菌、杜氏乳杆菌、普氏菌、Blautia、Romboutsia等有益菌显著升高。

6. 结语

目前已证实，GRg3对放射性直肠炎具有治疗作用，且可以调节肠道菌群。大量文献表明肠道菌群与肿瘤患者免疫功能相关，作为肠道菌群的下游产物，肠道菌群代谢产物可能是更精准的免疫治疗疗效预测生物标记物[4]。综合分析，GRg3可能通过重塑肠道菌群来改善胃肠道肿瘤的免疫功能，增加直肠恶性肿瘤患者免疫治疗的敏感性，利于其免疫获益。结合其机制与肠道菌群相关性来看，未来需要通过探索它们的作用靶点，进一步阐明GRg3作用于人体的调控分子机制。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。