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[医药健康新闻] 王立铭·巡山报告|第五十九期:用抗生素来治疗癌症

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发表于 2024-7-3 03:34 PM | 显示全部楼层 |阅读模式


第五十九期:用抗生素来治疗癌症


你好,我是王立铭。2024年1月6日,第59期《巡山报告》又和你见面了。在这里,祝所有巡山报告的听众朋友们新年快乐!

在过往的巡山中,我们已经多次讨论了肠道菌群的话题。作为一种数量超越人体细胞总数、广泛介入人体各种生物学活动的人体“外部器官”,人体内寄生的海量细菌对于人体免疫系统的平衡、神经系统的发育、抗肿瘤药物的起效,都起到了重要且积极的调节作用。

当然,我们也要看到,人体中寄生的细菌在很多时候也会起到严重的破坏作用。形形色色由细菌感染导致的疾病,比如细菌性肺炎、脑膜炎、肠胃炎等,自然不用多提;还有不少细菌有明确的致癌效果。比如,幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)感染是胃癌的一大诱因 [1],具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)也被证明能够促进结直肠癌的发病 [2]。

基于这些发现,我们完全可以把人体当中寄生的细菌社群理解成一群充满能量但又不安分的伙伴:它们在持续塑造着我们,也可能在不经意间伤害我们。

其中,一个非常重要且长期存在争议的话题,就是人体寄生细菌和肿瘤的关系。

从积极的方面看,人体菌群能够促进肿瘤免疫药物的起效。

2015年,研究者们首次在小鼠模型中证明,在无菌培养的小鼠中,或者利用抗生素消灭小鼠的肠道菌群,癌症免疫药物就失去了疗效 [3][4]。到了2018年,研究者们更进一步在人体中也确认:在黑色素瘤患者中,人体对癌症免疫药物的反应程度与共生菌群的特征有关 [5][6]。和小鼠的发现类似,使用抗生素能够降低癌症患者对癌症免疫药物的响应 [7]。

但从另一个角度看,也有不少研究证明人体肿瘤组织内部寄生着特定的细菌,这些细菌也许对肿瘤的发生起到了促进作用 [8][9]。

比如,2022年4月,西湖大学蔡尚研究员团队在《细胞》杂志发表论文,他们利用各种分析方法反复确认,小鼠乳腺癌组织中存在含量极低的多种细菌,比如肠球菌、葡萄球菌、乳杆菌、链球菌等 [10]。这些细菌如附骨之蛆,入侵和寄生在肿瘤细胞内部,甚至可以伴随着肿瘤细胞的迁移,转移到小鼠身体的其他位置。

这些研究者们还发现,静脉注射多种抗生素的组合,可以有效地杀死乳腺癌细胞内的寄生细菌。治疗后,原发的乳腺肿瘤的生长并未受到干扰,但转移能力被大大抑制了。反过来,如果在乳腺肿瘤中人为地接种细菌,这些肿瘤也确实更容易转移和扩散。换句话说,肿瘤内寄生的细菌似乎促进了肿瘤的转移。

而在具体的机制层面,研究者们推测,细菌入侵对肿瘤细胞带来的压力刺激,类似于血液循环系统对肿瘤细胞的压力刺激。因此,那些已经被细菌入侵,并且成功适应了细菌入侵的肿瘤细胞,在随着血液循环迁移和扩散的过程中,有更好的存活率。

这些研究发现提示了这样一个可能性:肿瘤组织里不光存在寄生细菌,这些细菌还参与了肿瘤的转移扩散;而如果反过来杀死这些肿瘤内的细菌,说不定可以更好地治疗人类肿瘤。

抗生素对癌症预后作用的实验

到了2023年9月,一项来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校Leaf Huang实验室的研究成果,进一步推广和验证了上面的发现 [11]。

受到细菌和肿瘤之间复杂关系的启发,Leaf Huang实验室的研究者们首先问了这样一个很宽泛的问题:真实世界中,在癌症治疗过程中恰好使用过抗生素的那些患者,肿瘤的预后情况是否会发生变化呢?

通过分析公开数据库的信息,他们确认了,在2012-2014年间,超过36000名接受过肿瘤切除手术的结直肠癌患者,其中大约12%的在手术前后曾经接受过特定抗生素的治疗,特别是两种专门针对厌氧菌的抗生素——5-硝基咪唑 (Nitroimidazole)和林可霉素(lincomycin)。

研究者们发现,如果患者恰好在手术前接受过抗生素治疗,肿瘤的预后情况也会出现明显好转:肿瘤的复发和死亡概率降低了25.5%,患者的无进展生存期也大大延长。但如果是在手术切除后使用同样的抗生素,就没有观察到效果。

这个现象应该如何理解呢?要知道,5-硝基咪唑和林可霉素是两种针对厌氧菌开发的抗生素药物,而肠道中就寄生着大量的厌氧细菌。同时,结直肠癌组织本身就位于肠道内,和肠道中寄生的厌氧细菌应该有非常密切的接触。因此,基于上面这个观察,一个可能的解释是:肠道的某些寄生细菌,如果进入肿瘤组织内部,可能会促进结直肠癌的发生、转移和复发。而口服这两种抗生素能够杀死这些细菌,从而改善结直肠癌患者的健康情况。

这当然是一个基于过往数据的大胆推测。为了进一步验证这个推测,研究者们首先在实验室培养的结直肠癌细胞中做了测试。他们发现,在缺氧环境下(这也是肠道环境的重要特征之一),具核梭杆菌能够非常高效的入侵结直肠癌细胞。而如果把被具核梭杆菌入侵的结直肠癌细胞移植到小鼠体内成瘤,不仅这些肿瘤本身的生长会大大提速,它们转移和扩散的能力也大大增强了。

这些发现,在很大程度上复现了刚刚我们提到的乳腺癌的研究,进一步证明了特定寄生细菌对肿瘤的发生和转移起到了促进作用。

既然如此,是不是使用抗生素是否就可以杀死这些寄生细菌,从而抑制和治疗肿瘤呢?

这个思路听起来简单直接,使用起来却有很大的障碍。原因很简单:就像我们一开始就强调的,肠道菌群对于人体很多正常生物学功能是至关重要的,而抗生素的杀菌作用谈不上有多么精准。如果用药乱杀一气,在动物模型中做概念验证当然没关系,但用于人类患者得治疗肯定会有很大安全隐患。

那么,有没有更精确的方法,直接把抗生素药物投送到肿瘤组织呢?

为了解决这个问题,研究者们设计了一款全新的纳米药物。

类似我们熟悉的新冠RNA疫苗,这款药物的外壳是直径150纳米左右的脂质体纳米颗粒。这些颗粒在静脉注射进入人体后,很容易通过血液循环来到肿瘤发生的部位,并通过肿瘤组织附近丰富的血管渗漏进入肿瘤组织,再被肿瘤细胞所吞噬,进入细胞内部。

纳米颗粒内部装载了替硝唑(Tinidazole)分子和银分子(或铜分子)结合形成的药物。替硝唑是改造5-硝基咪唑得到的第二代产品,能够很好地杀死具核梭杆菌这样的厌氧细菌;而在缺氧环境下,肿瘤组织内部往往表现为pH值酸性,在这样的条件下,银颗粒会和替硝唑分子分离,并将替硝唑分子释放进肿瘤环境中。

总结一下,这款纳米药物的核心是三条,共同保证了抗生素对肿瘤组织内部细菌的精确杀伤。哪三条呢?第一,利用脂质体纳米颗粒提供针对肿瘤组织的靶向性;第二,利用缺氧肿瘤环境从纳米颗粒中释放抗生素替硝唑;第三,再利用替硝唑杀死具核梭杆菌这样的厌氧细菌。

一种全新的抗癌药物测试

接下来,研究者们在小鼠模型上测试了这款药物的效果。

如果给小鼠接种被具核梭杆菌感染后的结直肠癌细胞,这些细胞在小鼠体内会快速成瘤和转移,小鼠的生存期只有不到一个月时间。但是,如果给这些小鼠静脉注射这种纳米药物,纳米颗粒能够高效渗入肿瘤组织内部,小鼠结直肠肿瘤内的细菌会得到很彻底的清除。而小鼠结直肠部位的肿瘤生长,以及肿瘤向肝脏部位的转移,都会被几乎完全抑制,小鼠的死亡也基本得到了避免。

相反,和我们预期的一致,如果是口服广谱抗生素药物(多粘菌素B)杀死小鼠肠道里富集的具核梭杆菌,这个操作并不会影响肿瘤内的具核梭杆菌,也观察不到上面这些对肿瘤的抑制作用。

因此,看起来,这种精确靶向的抗生素药物效果不错,也许还有机会推向更严肃的临床验证。但在更宏观的层面,我们面临更重要的问题是:这款携带抗生素的纳米药物,自然可以杀死细菌,但它到底是如何起到肿瘤治疗作用的?或者反过来说,肿瘤寄生细菌和肿瘤发生发展之间到底是一个什么样的因果关系?

一个很自然的推测是,这种药物是不是类似传统的化疗药物,对肿瘤细胞有着直接的杀伤作用?比如,如果我们推测,具核梭杆菌对肿瘤细胞的生存是必需的,那么杀死这些细菌就能直接杀伤肿瘤细胞。但是,实验结果提示,并非如此。

另一个可能的解释是,这种药物是不是类似新兴的肿瘤免疫药物,实际上刺激了肿瘤组织的免疫环境,使得人体免疫系统更容易识别肿瘤细胞、更容易进入肿瘤组织、或更容易杀死肿瘤细胞?

与后面一个假说相对应的,研究者们确实发现,在用药治疗后,小鼠肿瘤组织内部的杀伤性免疫细胞,比如CD3+ T细胞、CD8+ T细胞等等都显著上升了。如果事先破坏小鼠体内的免疫系统,那么抗生素药物的抗癌效果就消失了。而更重要的是,经过抗生素治疗、肿瘤清除后,如果再给小鼠继续移植肿瘤细胞,这些肿瘤细胞就很难发育形成肿瘤;而从这些小鼠体内提取的免疫细胞,注射到其他小鼠体内之后,还能抗癌。这些发现说明,抗生素治疗本身就为小鼠带来了针对肿瘤的、持久的免疫记忆,它的作用机制确实有可能类似肿瘤免疫药物。

仔细琢磨,这个结论实际上是很反直觉的:靶向肿瘤细胞的一些药物,例如PD-1/PD-L1抗体,能够解除免疫抑制,激活免疫反应,杀伤肿瘤细胞,这当然是可以理解的。为什么一种专门杀伤细菌的药物,也能够激活免疫系统对肿瘤的反应呢?

新型药物的原理

接下来的逻辑稍微有些复杂,我争取解释得详细一些:

我们完全可以设想,作为一种细胞内寄生细菌,具核梭杆菌在进入人体细胞后,生存环境其实是很恶劣的。它一方面,需要想办法抑制宿主细胞的内部防御反应,另一方面,又要想办法逃逸人体免疫细胞的外部识别 [12]。

抑制宿主细胞的内部防御反应比较好理解。细胞内部有一系列的机制能发现入侵病原体,把它们送到诸如溶酶体这样的细胞废物处理厂,进行破碎和分解。

那想要逃逸人体免疫细胞的外部识别,这是怎么回事呢?我需要稍微展开描述一下。人体细胞会持续不断地进行所谓的抗原递呈,把细胞内部的微生物蛋白质切成碎片,展示在自己细胞膜的外侧。这样一来,免疫细胞就很容易发现,这些细胞内部可能已经被外部入侵者入侵了,从而启动多种杀伤机制,来协助细胞消灭内部的敌人。

打个比方,这两种防御机制就类似一个人在家里发现了小偷,要是打得过,就干脆自己下手抓小偷;要是觉得打不过,就赶紧打110呼叫警察的协助。

与此相对应的,具核梭杆菌进入人体之后想要生存,肯定要想办法抑制上面这两种防御机制。但是,在抗生素药物处理之后,肿瘤组织里的具核梭杆菌被批量地消灭,连带着把它的这种自我保护机制给同步消灭了。不少细菌被杀死和分解,人体细胞就可以重新启动抗原递呈、展示细菌特有的蛋白质片段,再次把细菌的面目暴露在人体免疫系统的雷达之下。

上面这个逻辑推演,应该还比较容易理解。但是请注意,一直到这里,我们讨论的仅仅是抗生素治疗也许能够让免疫系统进一步识别和杀伤细菌,和肿瘤之间还没扯上关系。接下来才是整个故事里最精彩的部分——

抗生素治疗解除了细菌的自我保护机制,让宿主细胞可以启动抗原递呈过程,展示细菌的特定蛋白质片段,吸引免疫细胞的注意。

如果具核梭杆菌的某些蛋白质片段,恰好和肿瘤细胞的某些蛋白质片段,序列和结构很类似呢?要是果真如此的话,在抗生素治疗后,免疫系统能够更好地识别具核梭杆菌的标志,进一步杀死这些细菌,同时也会瞄错靶子,把携带类似标签的肿瘤细胞也顺带给杀死了。

打个比方,这就像警方发布某个杀人嫌疑犯的通缉令,身高、体重、长相甚至基因信息都详细地列出,保证了足够的辨识度。但如果这个嫌疑犯有个同卵双生的兄弟,这个兄弟大概也会被热心群众扭送到警察局。

这个可能性听起来脑洞有点大,它是否真实存在呢?

研究者们做了一系列的数据搜集和分析工作,看起来还真有可能。我简单总结一下:

研究者们从小鼠肿瘤细胞的蛋白质组数据库里找到了一批表达量很高、而且更容易被细胞进行抗原递呈的小肽段;也同步从具核梭杆菌的基因组里找到了一批和宿主(也就是小鼠)基因序列高度类似的基因。两者相互对应之后,他们找到了几个肽段在细菌和小鼠体内高度重合。因此,从理论上说,起码确实存在这样的可能:抗生素治疗激活了一批免疫细胞,这些免疫细胞在识别杀伤细菌的同时,也顺带消灭了携带类似标签的肿瘤细胞。

研究者们进一步验证了这个可能性。他们从小鼠肿瘤细胞内提取了有杀伤作用的T淋巴细胞,体外培养之后,检测这些细胞到底识别的是其他细胞表面的哪些抗原。结果发现,越是在细菌和宿主之间共享的抗原,越能激活这些淋巴细胞强烈的免疫反应。

请注意,这些发现其实也可以反过来理解:肿瘤内寄生的具核梭杆菌,可能恰恰是通过自我保护机制,抑制了宿主细胞的抗原递呈过程,在保护自己的同时,也恰好保护了肿瘤细胞自己免受人体免疫系统的察别,从而促进了肿瘤的发生发展和转移扩散。

上面介绍的两项研究,针对的是不同的肿瘤类型(乳腺癌和结直肠癌),发现的寄生细菌类型和相应的生物学作用机制也差别很大。但两者的共同之处在于,它们都提示了肿瘤细胞内存在寄生细菌,这些细菌促进了肿瘤的发生。因此,如果针对这些细菌设计药物,在不破坏肠道菌群的同时杀死肿瘤内的寄生细菌,有可能更好地治疗肿瘤。

“靶向除菌”:未来可能出现的抗癌新手段

这种治疗思路,我觉得不妨称为肿瘤治疗中的“靶向除菌”。

从药物设计的角度来说,相比传统的抗肿瘤药物,开发药物杀死细菌,相对来说是比较容易实现的。因为动物细胞和细菌,在生物学特征差异很大,想要保证药物杀伤的精确性,就有很多思路可用。

但与此同时,这类药物的递送手段相对更有挑战性、需要更精确。因为一旦这些药物进入肠道,大面积杀伤肠道内的正常细菌,则有可能不光没有办法治疗肿瘤,反而破坏了肠道菌群的平衡,导致其他疾病。

在刚刚我们介绍的研究中,研究者们利用纳米颗粒药物的方式实现了一定程度的精确递送。这是一个相当有启发性的方式。我们不妨设想,是不是同样是具核梭杆菌,在肿瘤细胞内的和在肠道中的,其实也存在一些差别?我们能否利用这些差别,来精确地设计靶向药物呢?

顺着这个思路推演。我们也知道,人类肿瘤可以按照发生的部位、对化疗药物的敏感性、携带的特异基因变异等方式进行分类,帮助我们选择更合适的抗癌药物组合。那么,不同肿瘤内部的寄生细菌是否也有所不同?如果确实不同,那么这些细菌的差异是否也能够帮助我们更好的分类和定义肿瘤类型,并支持我们选择不同的靶向杀菌药物用于抗癌呢?

我们知道,肿瘤可能是人类面临的最为复杂难解的疾病。因为肿瘤处在持续不断的进化过程中,会利用一切可能利用的方式自我繁殖,并逃避免疫系统的识别和追杀。

人类的抗癌手段也同样需要类似的持续进化。也许靶向抗菌这个概念,会和手术、放疗、化疗、靶向治疗和肿瘤免疫治疗一样,未来成为抗癌工具箱里的重要成员。

好,这就是本期的巡山报告。我是王立铭,下个月6号,我继续为你巡山。

参考资料

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