肠道菌群预测局部晚期直肠癌新辅助放化疗的疗效

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放疗和化疗均会影响肿瘤的免疫微环境。近年来，多项研究提示，肠道菌群参与宿主的免疫调控及凋亡、自噬等通路调节，可能影响抗肿瘤免疫治疗和化疗的疗效。然而目前关于肠道菌群如何影响放化疗疗效，尚缺乏研究证据。因此，章真教授团队启动了这项前瞻性纵向研究。

 

研究共纳入84例在复旦大学附属肿瘤医院放疗中心接受新辅助放化疗的LARC患者，收集其治疗开始前和治疗完成后的粪便样本各84份和83份；并从健康人群中收集了31份粪便样本作为对照。研究人员对这198份样本进行了16S rRNA测序，并前瞻性地收集了所有患者的基线数据及临床资料。根据AJCC第八版肿瘤退缩评分（TRG）评估对nCRT的反应，并将患者分为两组：TRG评分为0~1的45例患者归为有效组（R组），TRG评分为2~3的38例患者归为劣效组（NR组）（图1）。

 

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图1 研究设计

 

研究结果提示，LARC患者之间菌群特征存在异质性。根据菌群特征将LARC患者分为1型和2型。其中1型与健康人菌群构成差异显著，2型则与健康人菌群相似。比较两类患者对新辅助放化疗的应答率发现，2型患者的疗效应答率显著高于1型。这提示局部晚期直肠癌患者中存在的菌群异质性可能与疗效相关（图2）。

 

 

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图2 LARC患者之间菌群特征与疗效

 

LARC患者与健康人群的肠道菌群构成存在显著差异。分析显示，LARC患者中，15种微生物丰度明显增加，包括普雷沃氏菌，卟啉单胞菌，梭菌，微单胞菌和消化链球菌。进一步分析表明，LARC患者中，脆弱拟杆菌、粪肠考拉杆菌、扭链瘤胃球菌过高，而在健康人群中，AKK 菌、食葡糖罗斯拜瑞氏菌、双歧杆菌、唾液链球菌唾液亚种明显更多。

 

LARC患者与健康人群的菌群特征存在显著差异。与肠道菌群相互作用主要发生在细菌种属内的健康人群相反，LARC患者的肠道菌群分为两个紧密连接的群落，这些群落由不同的细菌种属组成（图3）。其中一个群落主要是丁酸盐产生菌。丁酸盐是结肠细胞的首选能量来源，并具有潜在的抗癌活性，因此我们认为该部分为“有益菌群”。另一个群落由沃氏嗜胆菌和卵形拟杆菌构成，据报道两者均与CRC相关，因此我们认为该部分为“致病菌群”。细菌表型预测分析显示，与健康人群相比，LARC患者的潜在致病菌群增加。

 

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图3 LARC患者与健康人群的菌群特征

 

小结：LARC患者肠道菌群的构成，相互作用和表型与健康人群显著不同。

 

在确定了LARC患者中肠道微生物的特征之后，研究人员继续探讨了nCRT对肠道菌群的影响，以及对肠道菌群的这些干扰是否与治疗反应相关。

 

分析显示，与nCRT治疗后的样本相比，nCRT治疗前的样本中肠道菌群的多样性和不均衡性明显更高，并且R组相比NR组变化更明显。nCRT治疗后结直肠癌相关致病菌丰度显著下降；而有益共生菌，包括乳杆菌、链球菌属等丰度增加。特别是有益共生菌的增加仅见于R组。这提示，有益共生菌的增加可能与nCRT疗效相关。值得注意的是，尽管nCRT极大地改变了LARC患者的肠道菌群，但与健康人群相比仍存在显著差异。

 

链球菌在肠道菌群中非常重要。在nCRT治疗后的样本中，不论治疗反应如何，“致病菌群”都会与周围环境中的链球菌发生相互作用。具体来说，在R组nCRT治疗后的样本中，“致病菌群”和“有益菌群”通过链球菌发生连接，但在NR组nCRT治疗后的样本中未观察到（图4）。

 

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图4 nCRT后R组与NR组的菌群特征

 

小结：nCRT显著降低了LARC患者的菌群丰度，其程度可能与nCRT反应有关。此外，nCRT通过减少肠道病原体和增加有益共生菌来重塑肠道菌群，后者仅在R亚组中观察到。

 

基于以上结果，研究人员推测肠道菌群可能为预测LARC患者对nCRT的反应提供潜在的生物标志物，因此对新辅助放化疗前的基线样本进一步分析发现，一些与短链脂肪酸代谢相关的细菌在R组中显著富集，而梭杆菌属等在NR组中显著富集。此外，R组的“有益菌群”比NR组更富集，而NR组的“致病菌群”比R组更富集（图5）。

 

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图5 R组和NR组菌群构成

 

为了将该研究结果转化为临床应用，研究人员基于肠道菌群谱构建了用于预测LARC患者新辅助治疗疗效的随机森林分类器。将84例接受nCRT治疗的患者随机分为两个队列，包括训练队列（由19例有效患者和18例劣效患者构成）和验证队列（由剩余的26位有效患者和21位劣效患者构成）。训练队列模型的曲线下面积达94%，验证队列模型的曲线下面积达74%（图6）。

 

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图6 随机森林分类器

 

下表总结了模型在cut off值为0.5时的分类器的预测表现（表1），两个队列的特异度和阳性预测值均达到80%以上。提示该模型对于预测nCRT的反应表现出色，尤其是对于TRG 0~1分的有效患者的预测效果更好。

 

表1 随机森林分类器的预测性能

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总结：该研究结果表明，肠道菌群具有提供新辅助放化疗疗效预测生物标志物的潜在价值。未来有待进一步验证其在局部晚期直肠癌中的作用。

 

参考文献：Yi, Y, et al. Gut microbiome components predict response to neoadjuvant chemoradiotherapy in locally advanced rectal cancer patients: a prospective, longitudinal study. Clinical Cancer Research, clincanres.3445.2020. doi:10.1158/1078-0432.ccr-20-3445