【兽医肿瘤前沿】动物的微生物组和癌症：转化视角 ...

胡璠

动物的微生物组和癌症：转化视角

翻译：徐晋

 

摘要

癌症是人类和动物面临的重大全球健康问题，其死亡率和发病率持续上升。共生微生物群落参与了多种生理和病理过程的调节，包括在胃肠系统内部和远离肠道的组织中。癌症也不例外，微生物组的不同方面已被描述为具有抗肿瘤或促肿瘤效应。利用新技术，例如高通量DNA测序，人体微生物群落已被广泛描述，并且近年来研究重点逐渐转向伴侣动物。总的来说，对犬和猫肠道微生物谱系和功能能力的最新研究表明其与人类肠道相似。在这项转化研究中，我们将回顾和总结人类和伴侣动物中微生物群落与癌症的关系，并比较它们在兽医学已经研究过的肿瘤类型（多中心和肠道淋巴瘤、结直肠肿瘤、鼻肿瘤和肥大细胞瘤）上的相似之处。在“一体化健康”（One Health）的背景下，微生物群和微生物组的整合研究可以有助于理解肿瘤发生的过程，并为兽医学和人类肿瘤学的新诊断和治疗性生物标志物的开发提供机会。

 

1 简介

微生物对宿主（包括动物体）有巨大影响。微生物群系包括各种各样的微生物，如细菌、病毒、原生动物、古细菌和真菌，这个生态系统适应了任何动物，并建立了共生和病原体的关系，在病原学中受到越来越多的关注。微生物群代谢脱落的上皮细胞、未消化的底物和经过小肠的内源性黏液，其发酵产生短链脂肪酸（SCFA），为上皮细胞生长和细菌代谢提供能量。在这种情况下，一项研究表明，无菌大鼠需要比常规大鼠多消耗18%的热量来支持其能量水平。

均衡的微生物群可以在免疫稳态和免疫系统的训练中发挥作用。当这种平衡受损时，微生物群的组成变化可能会引发慢性炎症、上皮屏障破裂和危险细菌过度生长。这里面每一个因素都与癌症发生相关。细菌的整体多样性降低（α多样性）、微生物群的稳定性下降以及 厚壁菌门和拟杆菌门的厌氧菌减少，而包括肠杆菌科（Enterobacteriaceae）家族成员在内的兼性厌氧菌增多，已被描述为不同物种中菌群失调的三个主要特征。

恶性肿瘤是成年犬的主要死因，每年的癌症发病率为每10万只犬只中有381例，并每年新增400万例癌症病例，与人类报告的每10万人中的454例、每年新增1800万例癌症病例类似。预计微生物可能与15%至20%的癌症有关，包括消化道肿瘤（如结直肠腺癌和胃癌），与慢性炎症过程有关。重要的是要理解，细菌可以存在于肿瘤组织本身、正常相邻组织和肿瘤部位。与肠道微生物群的相互作用有可能涉及癌症的发展，而这些与肿瘤毗邻、内部和远离肿瘤的微生物群之间的相互作用有能力影响疾病进展。此外，粪便样本可能含有暂时存在的微生物群体，这些群体不代表肠黏膜相关的微生物群落。因此，为了确定与癌症发生相关的细菌，重要的是要区分肿瘤组织中的黏膜相关微生物群与非肿瘤组织中的微生物群。在结直肠癌的体内模型中，无菌或接受抗生素治疗的动物发病率较低证明肠道细菌可能具有致病作用。

在癌症和细菌之间最为公认的关联之一是人类胃癌中的幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）的例子。研究表明，除去幽门螺杆菌只能导致胃癌的微小减少，因此，单一微生物能够成为癌症原因的证据并不清楚。在小鼠中，它也与胃癌、肝癌、结直肠癌和乳腺癌有关。

微生物相关分子模式（MAMPs）通过细胞内Toll样受体（TLR）的识别，引起活性氧和活性氮物质的释放，进而导致多个基因的突变，包括编码细胞肿瘤抗原p53的基因。MAMPs还可以启动炎性体相关的免疫应答和TLR激活的自噬，从而对癌症发生作出贡献（图1）。

一些细菌可以改变微环境并促进癌症发生过程。例如，结核分枝杆菌、肺炎衣原体、肺部的酸化弧菌，在结肠中的核酸丝菌和脆弱拟杆菌（图2）。脆弱拟杆菌可以分泌毒力因子，如VacA（真空化细胞毒素A）、尿素酶、CagA（细胞毒素相关基因A）和NapA2（中性粒细胞活化蛋白A），导致慢性炎症和宿主DNA损伤，可能促进癌症发生和肿瘤发展。为了刺激β-catenin信号传导，核酸丝菌使用Fap2通过热多糖（Gal-GalNAc）侵入细胞并与E-钙黏蛋白相互作用。这种机制导致NFK-β、ERK、STAT的过表达，并调节免疫细胞的招募和增殖、细胞存活、迁移以及结直肠癌的发展。

另一个由革兰阴性菌如大肠埃希氏菌、痢疾志贺氏菌、空肠弯曲菌和幽门螺杆菌等产生的重要过程是产生基因毒素，这些毒素以影响DNA完整性而闻名，如大肠杆菌产生的结肠菌素毒素（colibactin toxin）和细胞膨胀性细胞毒素（CDT），都会导致细胞中双链DNA断裂，从而促进癌症的发生。这些细菌因子破坏了宿主的平衡，影响了癌基因或肿瘤抑制基因，并刺激了宿主基因组的不稳定性。

 

2 伴侣动物和人类体内的微生物群

在人类的肠道微生物群中，估计有约1000种细菌，每种细菌平均含有2000个基因，总共约有200万个基因。在犬的肠道微生物组中，约有120万个基因，并且一项研究表明，犬和猫的肠道粪便微生物的分类学和功能能力与人类肠道相似。

这些复杂的微生物群落主要栖息在人类和动物的胃肠道和口腔，以及皮肤、乳腺、呼吸道和泌尿道等其他组织，具有特殊的细菌群落。人类微生物组计划（Human Microbiome Project, http：//www.hmpdacc.org）和人类肠道宏基因组学（Metagenomics of The Human Intestinal, http：//www.metahit.eu）是研究人体微生物的国际项目。通过比较口腔、皮肤和泌尿生殖系统的细菌序列与健康人大肠和粪便中的细菌序列，我们证实了人体的不同部位有不同的菌群。

这些研究表明，皮肤细菌的种类取决于身体上的地形位置，然而，对不同皮肤部位的微生物组的分析表明，相似的栖息地，如腋窝和腘窝，具有相似的微生物组成。大多数细菌可分为4个门：放线菌门、厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门。例如，丙酸杆菌属在耳后皱褶、背部和前额等皮脂腺区域占主导地位，而葡萄球菌属和棒状杆菌属则在腋窝等潮湿区域占主导地位。在前臂或腿部等干燥皮肤栖息地的微生物群中发现了丰富的革兰阴性微生物，以前认为它们定植于皮肤，很少作为胃肠道污染物。

此外，人类的口腔有大约1000种细菌，包括放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门、螺旋菌门、协同菌门和软壁菌门以及未培养的分类GN02、SR1和TM7.40。基于健康人类肠道系统发育组成的研究表明，厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门构成了大多数优势细菌门。变形菌门和疣微菌门比例较低。这些流行和优势的OTU包括粪杆菌属、瘤胃球菌属、真杆菌属、Dorea、拟杆菌属、Alistipes和双歧杆菌属的成员。

与猪或小鼠相比，犬肠道菌群在功能和分类上与人类有更高的相似性。由于在同一环境中可以交换微生物，因此宠物是研究微生物组的一个例外的人类实验自发模型；例如，来自猫和犬肠道微生物群的肠球菌可能是人类病原体的抗性基因库。在健康犬中，根据身体位置描述了以下细菌群落组成：

皮肤：皮肤表面，变形菌门是优势菌门，包括肠杆菌科、莫拉菌科、奈瑟菌科、草杆菌科、巴斯德氏菌科和假单胞菌科，其次是放线菌门（棒状杆菌科、诺卡菌科和丙酸杆菌科）、拟杆菌门（拟杆菌科和副普雷沃菌科）和厚壁菌门（杆菌科、梭菌科、葡萄球菌科和链球菌科），尽管这最后3个门的丰度随身体区域的不同而变化。

耳道：有较高丰度的变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和梭杆菌门。

鼻腔：最丰富的细菌门是变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门，其中软壁菌门也有研究报道占主导地位；在属水平上，莫拉菌属（Moraxella spp.）和嗜冷杆菌属（Psychrobacter spp.）是最丰富的类群。其他菌门如疣微菌门、蓝藻菌门和浮霉菌门也可能存在，可能是通过与土壤接触而存在。

呼吸道：犬的口咽拭子和支气管肺泡灌洗液（BALF）显示，变形菌门在呼吸道中丰度增加，在下呼吸道中更常见。此外，拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和梭杆菌门（Fusobacteria）是口咽部较丰富的四个门；优势科为巴斯德菌科、莫拉菌科和紫单胞菌科。在BALF中，放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门较丰富；属水平以丙酸杆菌属、不动杆菌属、链球菌属、短波单胞菌属和假单胞菌属为主，且存在一定的种内变异性。

阴道和子宫内膜：子宫内膜的细菌多样性较高，而阴道的细菌丰富度较高。最丰富的门是变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。在阴道检出的OTUs中，Hydrotalea、罗尔顿菌属和梭杆菌属占近60%。在子宫内膜中，微生物分布较多，假单胞菌属、葡萄球菌属和棒状杆菌属是主要属。公犬的生殖道几乎没有记载。

泌尿道：与先前的认识相反，健康犬的泌尿道有微生物。优势菌门为变形菌门（Proteobacteria），其中假单胞菌属（Pseudomonas spp.）、不动杆菌属（Acinetobacter spp.）和鞘氨菌属（Sphingobium spp.）的相对丰度分别高达80%、5%和4.5%。

口腔：变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和梭杆菌门（Fusobacteria）是口腔最主要的菌门。

胃肠道：在犬的十二指肠、空肠、回肠、结肠和直肠中，厚壁菌门在所有肠道部位中最为丰富，尤其是梭状芽孢杆菌目。乳酸杆菌目在十二指肠、空肠和结肠中有较高的比例。变形菌门是小肠中最丰富的菌门，在结肠中相对较低，在十二指肠中主要的目是肠杆菌目和弯曲菌目，在回肠中主要的目是肠杆菌目和梭状芽孢杆菌目。此外，梭杆菌门和拟杆菌门的数量在结肠远端增加，而在小肠中的丰度较低。在粪便中，从最低到最高的门丰度是放线菌门、变形菌门和厚壁菌门，其次是梭杆菌门和拟杆菌门。在属水平上，梭杆菌属、拟杆菌属和普雷沃菌属是最丰富的类群。与无亲缘关系的犬相比，有亲缘关系的犬表现出较低的个体间粪便微生物组成，这强调了遗传在调节犬类肠道微生物群中的作用。犬的体型大小也可能影响肠道菌群；在小型犬中有较高的拟杆菌属和粪杆菌属丰度，在大型犬中有较高的柯林斯菌属和乳杆菌属丰度。此外，大型犬的肠道生理差异促进了细菌发酵，从而表现出更高的细菌多样性。

传统的细菌培养技术无法准确描述复杂生物生态系统中的细菌种群，低估了生物多样性的价值，因此人们探索了不同的新技术来确定肠道菌群的系统发育和功能能力。当将二代测序与定量聚合酶链反应（qPCR）技术进行比较时，关键的差异是发现能力。qPCR和NGS的灵敏度都很高，qPCR只能检测已知的序列，而NGS不需要序列信息的先验知识，在检测新基因方面提供了更高的发现能力，在定量罕见变异和转录方面提供了更高的灵敏度。预计基于分子的方法可能识别出猫肠道中的更大细菌多样性。荧光原位杂交（FISH）是一种将荧光标记的寡核苷酸探针与整个细菌细胞内的目标16S rRNA的离散区域进行杂交的方法，因此可以计数肠道微生物群的可培养和不可培养部分。通过这项技术，Inness等人调查发现，在健康猫中，拟杆菌属和双歧杆菌属的丰度较高，其次是乳杆菌属-肠球菌属亚群、溶组织梭菌亚群、脱硫弧菌属。在另一项研究中，在猫的粪便中，利用小亚单位核糖体RNA （16S rRNA基因）的测序方法（该基因广泛存在于所有细菌和古菌中），发现了以下主要细菌门：厚壁菌门（68%），其次是变形菌门（14%）、拟杆菌门（10%）、梭杆菌门（5%）和放线菌门（4%），主要目为梭菌目（54%），其次为空肠乳杆菌目，回肠和结肠拟杆菌目。

Garcia-Mazcorro等应用二代16S rRNA基因454-焦磷酸测序技术，报道了最丰富的粪便细菌门为厚壁菌门（92% - 95%）和放线菌门（4% -7%），变形菌门、拟杆菌门和梭杆菌门占总群落的不到1%。这些最新研究提示，人类和啮齿类动物模型的肠道微生物群中的主要菌门与犬和猫的肠道微生物群相似，均以厚壁菌门和拟杆菌门为主。

Coelho等基于犬肠道微生物组基因目录分析，表明犬的微生物组比猪或小鼠的微生物组更接近人类微生物组，并且犬和人类癌症基因之间存在更高程度的同源性，这可以作为支持该研究领域转化研究相关性的论据。犬在人类近代史早期就被驯化，并且经常与人类共享食物资源，这被认为是驯化后对犬的消化和代谢系统的一种选择性力量。犬的初步研究结果可以用来设计人体临床试验，提高效率，减少不必要的人体实验。例如，1995年，脂质体胞壁酰三肽（L-MTP-PE）在患骨肉瘤的犬中的成功试验有助于优先考虑该药物的儿童III期研究。此外，与更常用的小鼠模型不同，癌症患犬保持了其固有的免疫系统和肿瘤微环境;环境因素对癌症生长的影响也可以在不受控制的家犬身上进行研究。

 

3 微生物群和癌症

细菌参与肿瘤发生的分子机制是多种多样的，可分为基因组整合和遗传毒性两大类。免疫修饰通过促炎和免疫抑制途径扰乱宿主的肿瘤免疫监视，以及代谢改变，其中循环代谢物的致癌作用是主要原因。其中许多机制可间接损伤宿主，因为微生物优化生存环境可能导致宿主细胞存活时间延长、复制能力和分化能力增强的最后一个共同途径。这些过程汇聚成癌症的特征。

肠黏膜由上皮细胞层和上皮内淋巴细胞组成，上皮内淋巴细胞是与免疫系统的界面。上皮细胞系含有杯状细胞和帕内特细胞，它们产生抗微生物分子和角质形成细胞，通过在皮肤上分泌抗菌肽来调节微生物。另一方面，固有层包含其他免疫细胞，如抗原递呈细胞、CD4+、CD8+ T细胞和B细胞，这些细胞对局部和系统的免疫应答至关重要；结果表明，无菌条件下的犬和小鼠淋巴系统发育不成熟，免疫球蛋白浓度低。

癌症的发生可能与炎症原因相关，而炎症原因与感染因子没有直接关联，而是对慢性炎症的反应。生态失调状态会加速促炎特性，而且我们已经看到共生微生物群落在促进肿瘤的炎症中发挥重要作用。对微生物共生菌的炎症反应不仅发生在微生物群和肿瘤之间的接触部位；De la Fuente等人描述了在人类慢性肝病中，与纤维化和炎症相关的肠道细菌移位增加，以及在肝癌发生过程中，非造血细胞中的TLR4 （toll样受体4）激活。因此，肠道菌群不仅可以改变局部免疫，还可以改变全身免疫反应。

随着对微生物组研究的不断深入和知识的不断扩展，我们可以了解微生物组在癌症发生中的影响，以及如何调节微生物组以实现新的有效癌症治疗。微生物组调控方法可以通过激活或灭活化疗药物、干扰副作用和改变免疫反应来影响癌症治疗，表明全身癌症治疗影响肠道微生物，而肠道微生物影响治疗。最近的研究表明，对微生物组的操作是一种革命性的治疗方法，可改善对癌症治疗的反应。例如，Iida等证明，微生物群损害了皮下肿瘤对铂类化疗药物的破坏反应。铂类化合物奥沙利铂和顺铂通过形成铂DNA加合物和菌株内交联引起肿瘤细胞毒性，奥沙利铂还诱导免疫原性细胞死亡，从而驱动抗肿瘤T细胞免疫。

另一方面，Viaud等人表明，肠道微生物群影响环磷酰胺（CTX）的抗癌免疫应答，CTX是一种烷化抗癌剂，可促进免疫原性癌细胞死亡，破坏免疫抑制性T细胞，并促进控制癌症生长的Th1和Th17细胞。他们证明，环磷酰胺改变小肠微生物群的组成，并诱导特定种类的革兰阳性菌移位到次级淋巴器官。这些细菌刺激了“致病性”辅助性T细胞17和记忆性Th1免疫应答的特定亚群的产生。无菌的荷瘤小鼠或用抗生素治疗以清除革兰阳性菌的荷瘤小鼠显示pTh17反应降低，并且它们的肿瘤对环磷酰胺耐药。过继性转移pTh17细胞可部分恢复环磷酰胺的抗肿瘤疗效。

Daillère等利用小鼠模型也证明，环磷酰胺可改变肠道微生物群，并诱导选定物种转位至次级淋巴器官，导致Th17细胞成熟，促进适应性免疫应答。他们鉴定出CTX治疗过程中涉及的两种细菌：海氏肠球菌和人肠巴尔内菌。小肠革兰阳性菌E. hirae诱导与肿瘤抗原特异性、MHC I类限制性细胞毒性T细胞（CTL）和肿瘤内CTL/T调节（Treg）细胞比例增加相关的系统性pTh17细胞应答。结肠常驻革兰阴性人肠杆菌可增强全身多功能Tc1和Th1细胞应答，并恢复肿瘤内产生IFN-γ的γδT细胞。免疫传感器NOD2限制了ctx诱导的癌症免疫监视和这些微生物的生物活性。最后，在接受化学免疫治疗的晚期肺癌和卵巢癌患者中，海拉肠杆菌和人肠杆菌特异性记忆Th1细胞免疫应答选择性地预测了较长的无进展生存期。综上所述，海拉肠杆菌和人肠杆菌是有价值的“肿瘤微生物”，可改善环磷酰胺的疗效。

Geller等在结肠癌小鼠模型中表明，肿瘤内细菌也可影响化疗疗效。γ -变形菌门可以将吉西他滨代谢为非活性形式，诱导化疗耐药，而这种作用被环丙沙星逆转。令人好奇的是，约76%的人胰腺导管腺癌中细菌呈阳性，主要是γ -变形菌门，这形成了以下假设：在化疗的基础上加用抗生素可能会改善对这种恶性肿瘤的治疗。

微生物群的变化产生的代谢物可导致宿主表型变异；代谢重编程是癌症的一个重要特征，它使细胞产生更多的能量和大分子，用于癌细胞的增殖和分裂。即使在有充足的氧源的情况下，癌细胞也主要通过糖酵解而不是通过三羧酸循环的氧化磷酸化（称为瓦伯格效应）产生能量。Otto Warburg提出癌细胞转向有氧糖酵解，糖酵解通量增加，线粒体氧化减少，而线粒体氧化保持癌细胞的增殖能力。癌细胞的代谢也受肿瘤微环境的控制：循环细胞因子、胶原蛋白的丰度或肿瘤附近的脂肪细胞都是癌细胞代谢的关键决定因素。

关于微生物群代谢物和宿主之间的这种相互作用，一个很好的例子是产生SCFA的厚壁菌门的梭菌簇IV和XIVa，SCFA导致结肠pH降低，抑制病原体的发展，刺激钠和水的吸收，促进胆固醇合成，并为结肠上皮细胞提供能量。其他细菌如乳酸杆菌、双歧杆菌、肠杆菌、拟杆菌和梭菌等参与胆汁酸代谢，影响膳食脂肪和脂溶性维生素的吸收。对于普拉梭菌和双歧杆菌，已经证明这些细菌与胆碱代谢相关，从而调节脂质代谢和葡萄糖稳态。另一种已知的代谢物是维生素K、钴胺素、叶酸、生物素和硫胺素。

Miko等人的一项研究表明，血源微生物代谢物（如尸胺、SCFA、石胆酸或去结合型雌激素）可调节乳腺癌的行为，而这些化合物对线粒体代谢有深刻影响。结合目前的测序技术，我们可以对微生物群体的整体代谢物谱进行研究，这可能为研究微生物群和宿主代谢之间的关系提供另一种方法。

根据过去几年的研究数据和结果，微生物群调节是一种潜在的新的治疗方法。益生元的使用（可促进一组有益细菌的生长并调节微生物群）和共生菌（益生菌和益生菌的组合）的使用是有助于抗肿瘤治疗的方式之一。菊粉或低聚果糖治疗已被证明可促进特定细菌类群的生长，并改变肠道内SCFA水平；此外，这些益生元降低了大鼠乳腺肿瘤的发病率，并增强了化疗和放疗的效果。益生菌是可服用的活菌，在携带适量时对健康有益。一篇系统综述研究了益生菌对结直肠癌患者的安全性和疗效，并得出结论，益生菌可能具有优势。在一项前瞻性随机研究中，经尿道膀胱肿瘤切除术后，接受膀胱内表柔比星应用和口服干酪乳杆菌补充的组的3年无复发生存率显著高于单独化疗组，表明益生菌也可以影响患者的“结局”。虽然益生菌不能在肠道定植，但它们通过胃肠道释放的代谢物可以改善临床症状并改变微生物组的组成。因此，益生元和益生菌（共生菌）的组合看起来有利于癌症治疗的辅助治疗。

调节微生物群的另一种可能性是粪便微生物组移植（FMT）。通过灌肠、口服或结肠镜检查将来自健康供者的粪便植入病患体内。与胃肠道疾病不同，FMT在肿瘤中的应用受到限制，数据主要来源于动物模型和人体临床试验，结果很有前景。目前，该技术已用于耐药难辨梭状芽孢杆菌的治疗，且反应率高。

在人类中，几项研究报告了微生物群与不同类型的癌症之间的关联。在乳腺癌中，肿瘤和肠道微生物群变化对癌性病变和治疗应答的影响已被研究，结果表明这些改变可能会影响患者对化疗方案和免疫治疗的应答。一些研究表明，微生物群的变化对其他人类癌症的发展做出了贡献，如淋巴瘤、结直肠癌、前列腺癌和胰腺癌。

在兽医领域，关于微生物群在癌症中所起作用的报道仍然很少；本文将描述和探讨癌症动物中微生物群特征的研究结果，以及与人类研究结果的比较。简历见表1。

 

4 癌症动物的微生物群特征

4.1 多中心淋巴瘤

在癌症动物和人类模型中开展的数项研究表明，细菌诱导的慢性肠道炎症可促进有利于恶性转化（包括淋巴瘤发生）的局部环境。恶性淋巴瘤是犬最常见的血液系统恶性肿瘤，由实体组织内淋巴细胞的克隆性增殖引起，具有免疫表型特征和独特的形态。与人类相似，大多数犬淋巴瘤（60%-80%）起源于恶性B细胞。

Gavazza等人进行了一项前瞻性研究，目的是确定健康犬（n = 21）和多中心III-IV期b细胞淋巴瘤犬（n = 12）之间的粪便微生物群差异。通过对所选细菌群的16S rRNA基因进行qPCR和Illumina测序分析，淋巴瘤犬的α多样性显著较低，并且主坐标分析图显示了不同的微生物聚类。qPCR分析显示，粪杆菌属、梭菌属和Turicibacter spp.在癌症患者中显著较低，而链球菌属显著较高。测序数据显示，健康对照犬和淋巴瘤患犬之间有28个差异丰富的细菌组。有趣的是，通常被认为与肠道健康相关的细菌科，如丹毒丝菌科、瘤胃球菌科和普雷沃菌科，在患肿瘤的犬中减少。在属水平上，淋巴瘤患犬的瘤胃球菌属和普雷沃菌属也有所减少，但有趣的是，一种未分类的瘤胃球菌属在淋巴瘤犬中显著增加。粪杆菌属似乎是两组间微生物群差异的最强驱动因素之一。研究表明，与健康犬相比，炎症性肠病（IBD）犬的粪杆菌属丰度较低；该属被认为是一种重要的免疫调节菌群，其细菌种类之一的普拉氏梭菌也被发现在人类IBD患者中减少。本研究还表明，与健康犬相比，患病犬的生态失调指数显著较高。这一研究很有意义，因为没有任何淋巴瘤犬显示出任何胃肠道疾病的临床症状，表明胃肠道微生物群与系统性肿瘤疾病之间存在关联。

弥漫性大B细胞淋巴瘤（DLBCL）是最常见的成人非霍奇金淋巴瘤，其肠道菌群特征直到Yuan等的研究才有报道。采用16S rRNA基因测序法检测25例未经治疗的DLBCL患者和26例健康志愿者的粪便菌群组成。从门到科，患者的变形菌门（门）、γ变形菌门（纲）、肠杆菌目（目）和肠杆菌科（科）丰度明显较高。同样，在属水平上，大肠埃希菌属-志贺菌属（Escherichia-Shigella）、肠球菌属（Enterococcus）、韦荣球菌属（Veillonella）和普雷沃菌属（Prevotella-2）的丰度显著较高，而Allisonella、毛螺菌属（Lachnospira）和Roseburiain的丰度较低。在种水平上，试验组大肠埃希菌和丁酸梭菌的存在显著增加，脆弱拟杆菌和加尔维埃菌的丰度显著降低。这些结果表明，DLBCL患者的肠道微生物群发生了显著变化。Colibactin和CDT均由大肠杆菌产生，当在胃肠道上皮中释放时，这些毒素导致基因组突变并导致肿瘤生长。变形菌门已被证实与肠道炎症性疾病相关，虽然变形菌门的增加可能与B细胞分化有关，但其机制尚不清楚。研究发现，变形菌门是初治DLBCL患者的优势菌群，该菌门可能在DLBCL的发生发展中起着至关重要的作用。

此外，功能预测显示，与对照组相比，DLBCL组的硫胺素代谢以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成均显著降低。研究表明，这些氨基酸在食管和胃恶性肿瘤患者的体液和组织中明显较低。Yuan等人的研究证明了DLBCL患者的微生物多样性和组成的本质差异，为旨在改善患者结局的进一步研究铺平了道路。虽然犬和人之间的微生物谱不同，但很明显，与健康人群相比，肿瘤科病患群体的粪便微生物群的组成存在显著差异。

 

4.2 肠道淋巴瘤

肠道淋巴瘤是犬IBD的鉴别诊断。这两种疾病的临床表现相似，根据实验室检查往往难以诊断。免疫组织化学、组织病理学检查及抗原受体基因重排检测有助于确诊。组织学上，犬肠淋巴瘤相关病变主要局限于黏膜固有层。

Omori等进行了一项研究，通过16S rRNA基因二代测序分析了粪便样本，比较了肠道淋巴瘤（n = 8）、炎性肠病（n = 8）和健康犬（n = 15）的粪便微生物群。他们表明，肠道淋巴瘤患犬的细菌组成与在健康犬和IBD患犬中观察到的不同。在门水平上，患犬与健康犬无差异；然而，在较低的系统发育水平发现了显著差异。在拟杆菌门中，卟啉单胞菌科（Porphyromonadaceae）和副普雷沃菌科发生了显著变化。与健康犬相比，肠道淋巴瘤患犬中卟啉单胞菌科增多。肠道淋巴瘤受试者显示，与健康犬相比，真杆菌科（梭状芽孢杆菌目的一个革兰阳性科）的微生物大量增加，包括梭状芽孢杆菌属的第IV和XIVa群的成员，产生丁酸盐。

此外，一项研究报道，产生丁酸盐的共生细菌通过增强FoxP3基因位点启动子区组蛋白H3乙酰化诱导结肠调节性t细胞（Tregs）的分化。在之前的另一项研究中，Treg数量的结果表明，50%肠道淋巴瘤患犬在肠道病变中显示出Treg密度升高。这些结果表明，在犬肠道淋巴瘤中，真杆菌科细菌的增加可能通过丁酸盐的过度产生而导致Treg数量的增加。

拟杆菌门和拟杆菌目副拟杆菌属（Parabacteroides spp.）是一种革兰氏阴性专性厌氧菌，在肠道淋巴瘤患犬中也被证实显著增加。拟杆菌目（Bacteroidales）成员（包括拟杆菌属和副拟杆菌属）与小鼠和大鼠结直肠癌模型的癌变相关。因此，我们假设副拟杆菌属在犬肠淋巴瘤的发生发展中起作用。此外，与健康犬相比，IBD犬的副普雷沃菌科和卟啉单胞菌属的比例显著升高，提示生态失调与IBD以及犬的肠道淋巴瘤相关。

人类的黏膜相关淋巴组织（MALT）淋巴瘤与螺杆菌的存在明显相关，在92%的这种恶性肿瘤患者中检测到螺杆菌。还有报道说，根除螺杆菌可使70%的病例完全缓解。在Omori等的研究中，肠道淋巴瘤患犬的螺杆菌比例并没有增加。空肠弯曲菌也与人类免疫增生性小肠疾病和淋巴瘤的生长有关，而疏螺旋体和衣原体与人类皮肤和眼周B细胞MALT淋巴瘤相关。因此，人类MALT淋巴瘤的癌变机制可能不同于驱动犬肠道淋巴瘤的机制。

十二指肠IBD患猫的黏膜相关肠杆菌数量增加，大细胞淋巴瘤患猫的血管和浆膜内观察到侵袭性细菌。Hoehne 等人通过FISH技术分析了50只消化道淋巴瘤患猫的活组织检查样本（33只小细胞型和17只大细胞型）以及38只对照组的猫，他们注意到，在大细胞型淋巴瘤患猫中，黏膜侵袭性细菌的出现频率（82%）高于小细胞型淋巴瘤患猫（18%）。血管内细菌只在大细胞淋巴瘤中发现，而大细胞淋巴瘤也有更常见的浆膜定植，这提示大细胞淋巴瘤患猫有发生细菌移位、败血症和腹膜炎的风险。

在人类和啮齿动物模型中观察到的炎症性疾病，例如猫的炎性肠病（IBD），以及由细菌例如幽门螺杆菌属（Helicobacter spp.）、肠杆菌科细菌（Enterobacteriaceae spp.）、梭状芽孢杆菌（Fusobacterium spp.）引起的低度慢性炎症，可能会导致一种肿瘤允许的环境，其特征是黏膜被效应细胞（包括CD11b+来源于骨髓的巨噬细胞）所浸润。在啮齿类动物模型和人类结直肠癌患者中，这些分化的CD11b+髓样细胞也在肿瘤发展和血管生成中发挥作用。

在这种情况下，Garraway等人研究了特定的细菌群是否与猫的小细胞肠道淋巴瘤（LSA） （n = 14）和胃肠道炎症（n = 14）相关。在肿瘤患猫的肠道活检样本中，包括肠杆菌科和梭状芽孢杆菌属在内的黏膜细菌，比炎性肠病（IBD）患猫的更为丰富。梭杆菌属在猫的回肠和结肠淋巴瘤中均较高，而拟杆菌属在回肠淋巴瘤中占主导地位。此外，与IBD患猫的活检组织相比，在小细胞GI LSA患猫的活检组织中，梭杆菌属的数量与CD11b+细胞数量增加和黏膜NF-κB表达上调密切相关。CD11b+髓样细胞可能促进肿瘤微环境的发展，梭杆菌属可能通过TLR4/MYD88途径诱导TLR刺激NF-κB。NF-κB的失调可导致促炎细胞因子的过度产生，从而触发人类癌症的生长。事实上，人体中的一些梭杆菌属（包括具核梭杆菌）与胰腺癌和结直肠癌以及一些口腔鳞状细胞癌的风险增加相关。

猫慢性肠病（CE）包括IBD和SCL，是猫常见的胃肠道疾病。猫SCL的特点是肠黏膜浸润，多位于小肠，伴有小至中等淋巴细胞浸润，常伴有亲上皮性。这种组织学外观类似于人类的单形性亲上皮性肠T细胞淋巴瘤（MEITL），即肠病相关T细胞淋巴瘤2型。SCL和IBD均可在猫中自发发生，可能是人类IBD或MEITL的有趣模型。

最近，Marsilio等对13只IBD患猫、14只SCL患猫和38只健康动物的粪便微生物群进行了描述，并观察到CE患猫的α多样性指数显著降低，细菌群落存在显著差异：在CE患猫中，厚壁菌门（瘤胃球菌科和Turicibacteraceae科）、放线菌门（双歧杆菌属）和拟杆菌门（平头拟杆菌属和未分类种）的专性厌氧类群以及兼性厌氧类群肠杆菌科和链球菌科的低丰度有增加的趋势。与Garraway等人的研究不同，在IBD患猫和SCL患猫的微生物群之间未发现显著差异，而CE患猫表现出与人类IBD患者相似的生态失调模式。

Marsilio等人在其研究中发现的趋势与人类和犬炎性肠病病患以及克罗恩病病患中描述的黏膜和粪便菌群失调的常见模式相似，如细菌多样性减少、专性厌氧菌数量减少和兼性厌氧菌数量增加。厚壁菌门（Firmicutes）成员通过分泌短链脂肪酸（SCFA）发挥抗炎和免疫调节作用，尤其是丁酸，作为结肠细胞的主要能量来源，促进上皮细胞增殖和修复肠道屏障完整性。因此，除了抗炎特性，丁酸还可能表现出抗癌作用。在人类结肠中，主要产生丁酸盐的细菌是瘤胃球菌科（厚壁菌门）和毛螺菌科的成员，在生态失调状态下，它们的粪便丰度通常会减少。

Sung等人最近的一项调查利用一组定量PCR检测评估了健康猫和CE患猫的粪便中总细菌和7个细菌类群的丰度：总细菌拟杆菌属、双歧杆菌属、海猫隐球菌属、粪杆菌属和Turicibacter的丰度显著降低，大肠杆菌和链球菌的丰度显著升高，表明患猫的粪便菌群发生了改变，生态失调指数增加。

在IBD病患的黏膜和粪便样本中，双歧杆菌也通常减少。不同双歧杆菌菌株通过调节免疫细胞和细胞因子、增强肠道屏障功能表现出抗炎特性；也被证明诱导产生IL-10的调节性T细胞并通过与TLR-2相互作用发挥免疫抑制作用。因此，双歧杆菌已成为一个重要的治疗靶点，并应用于益生菌制剂。

 

4.3 结直肠肿瘤

与肠道微生物群的组成变化相关，犬的结直肠上皮肿瘤自发发生，肿瘤的发生似乎与人类相似，腺癌是最常见的恶性肿瘤之一。在人类中，结直肠腺癌通常起源于发展为腺瘤的良性息肉，人们认为在犬身上也发生了相同的过程。

遗传易感性、饮食、环境和肠道细菌等因素均与人类的发病有关。幽门螺杆菌、大肠杆菌、没食子链球菌（以前是牛链球菌）、梭杆菌属和脆弱拟杆菌等肠道细菌已在肿瘤或人类结直肠腺瘤和结直肠腺癌患者的粪便样本中被鉴定出。我们在早期和晚期癌症患者中检测到不同的粪便微生物群落，这为微生物群成员可以作为生物标志物来帮助人类结直肠癌的诊断和管理提供了证据。

Herstad等开展了一项研究，通过16S rRNA分析了10只结直肠上皮肿瘤患犬和13只对照犬的粪便和黏膜相关微生物群。此外，他们还测定了结肠肿瘤组织（5个腺瘤和3个癌）和邻近的非肿瘤组织（n = 5）中黏膜相关的微生物群组成。此外，基于肿瘤组织和邻近非肿瘤组织的16S rDNA或16S rRNA谱，总体黏膜细菌群落没有差异。然而，潜在活性细菌的数量似乎在非肿瘤组织中高于肿瘤组织，包括斯莱克菌属，罗斯菌属，瘤胃球菌科未分类，毛螺菌科未分类和颤菌科。在肿瘤黏膜样本中，螺杆菌属，拟杆菌属，巨单胞菌属，梭杆菌属，拟杆菌目未分类，毛螺菌科未分类，密螺旋体属，链球菌属，梭杆菌科未分类、梭菌属XI，氨基酸球菌科未分类，布劳特菌属、柯林斯菌属、Lachnospiracea incertae sedis和萨特菌属的丰度最高。

在结直肠癌和腺瘤病患的粪便微生物群中，已观察到消化链球菌、梭杆菌和卟啉单胞菌的过度表达。这些细菌群落也存在于犬的口腔微生物群中，并被发现在肿瘤患犬的粪便微生物群中过度表达。据推测，不属于结肠微环境的条件致病菌的定植可能是营养物质（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖和丙酮酸盐）变化或炎症的结果。因此，结直肠肿瘤的发生被认为与整个细菌群落的变化有关。

与早期结直肠癌患者相比，在日本晚期结直肠癌患者人群中，具核梭菌的丰度与肿瘤大小和生存时间缩短显著相关。啮齿类动物模型的这些发现提示，胃肠道系统的慢性炎性疾病可能是炎症过程扩大、重度不典型增生、非整倍体化生和细胞增殖检查点缺失的危险因素。

这种类型肿瘤患犬的粪便微生物群的特征是，瘤胃球菌科、粪杆菌属、斯莱克菌属和梭菌XIVa185 的低表达，这些微生物负责产生丁酸盐（一种有效的抗癌代谢产物）。肿瘤组织中毛螺菌科和瘤胃球菌科的活性成员比例较低，可能导致丁酸的产生较低。在结直肠癌和腺瘤病患中也发现了类似的丁酸高效产生者减少，尤其是梭菌XIVa。人类研究已经描述了来自肿瘤和邻近非肿瘤组织的黏膜样本之间细菌类群丰度的变化。然而，在一项关于人类结直肠癌的研究中，我们收集了肿瘤远端（10±30）cm和近端（10±30）cm的非邻近肿瘤组织，并没有观察到这些位置之间的微生物群有显著差异。这些结果表明，黏膜相关微生物群的组成不仅局限于肿瘤组织，而且也存在于邻近的非肿瘤组织中。

在犬中，低F/P比值（低厚壁菌门；高变形菌门）与IBD和该物种的结直肠肿瘤相关，这可能表明有一种常见的潜在原因，例如炎症。很少在犬身上诊断出结直肠肿瘤，但研究表明，这种恶性肿瘤患犬有不同的粪便微生物群特征。这些初步结果支持未来需要进行有效动力学、年龄匹配和品种匹配的病例对照研究，以评估细菌对结直肠癌发病机制的影响，并确定这些细菌是否具有潜在的生物标志物作用。

 

4.4 鼻肿瘤

菌群在犬鼻疾病病理生理学中的作用尚不清楚；在鼻肿瘤患犬中，细菌被认为是继发性病原体，由于防御机制降低，细菌可以定植于鼻黏膜。Tress等通过研究健康犬（n = 23）、鼻腔恶性肿瘤犬（n = 16）和慢性鼻炎犬（n = 8）的鼻腔微生物群发现，健康犬的鼻腔微生物群落与鼻腔疾病犬相比存在显著差异。在健康犬中最常见的菌种是莫拉菌属，其次是叶瘤杆菌属（Phyllobacterium spp.）、心杆菌科和葡萄球菌属。在患犬中，巴斯德菌科较健康犬明显增多，莫拉菌属较健康犬明显减少。此外，奈瑟科在少数鼻肿瘤病患中明显更常见，尽管这种差异无统计学意义。在这项研究中观察到的一些细菌已知会破坏宿主的免疫系统。在多杀巴斯德菌产毒株中发现蛋白毒素PMT，可防止细胞凋亡，并对免疫细胞的功能产生影响。

人类医学的一些出版物描述了健康个体的鼻腔微生物组，其他研究探索了炎症或肿瘤性疾病中菌群的变化。放线菌门和厚壁菌门是常见的鼻细菌，变形菌门的检出率较低。慢性鼻窦炎（Chronic rhinosinusitis, CRS）是一种常见的人类疾病，以大量的金黄色葡萄球菌为特征。在另一项研究中，据报告，与对照组相比，CRS患者的大多数真菌和细菌种类在数量上增加，但微生物群在定性上相似。本研究还通过流式细胞术对免疫反应进行了详细的描述，并测定了中鼻道灌洗液中免疫细胞的含量。通过ELISA检测细胞因子和趋化因子，发现本病患者Th2相关细胞因子和白细胞介素-8显著升高。本文通过对CRS患者外周血白细胞与健康人灌洗液共培养后IL-5分泌的定量分析，证实CRS是由共生菌群引起的免疫高反应性。

在喉癌患者中也观察到细菌谱的变化，梭杆菌属、厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、链球菌属和普雷沃菌属在这些患者的喉部区域比在健康人群中更普遍，提示这些微生物在喉癌的发病机制中可能发挥了作用。

 

4.5 肥大细胞瘤

晚期肥大细胞瘤（MCT）是人类罕见的肿瘤，预后差，目前的治疗选择有限。在犬中，是最常见的恶性皮肤肿瘤，与低级别肥大细胞肿瘤不同，高级别肥大细胞肿瘤通常预后不良，生存时间短。在这两个物种中，需要改进诊断标准、改进预后模型和更好的药物治疗。

皮肤微生物群与宿主免疫反应相互作用以维持体内稳态，而这种平衡的波动与包括肿瘤在内的多种疾病的进展相关。与皮肤表面相比，在人类健康真皮和皮下脂肪组织中发现的细菌显示出不同的微生物群落。放线菌门、厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门以及棒状杆菌科、丙酸杆菌科、葡萄球菌科、微球菌科四大科在犬和人表皮表面均占主导地位。这种微生物群的变化与犬和人类皮肤疾病的发生相关，如之前在犬皮炎中报道的那样。

最近的一项研究描述了患有MCT的犬（n = 11）的皮肤表面和真皮微生物群，使用对侧皮肤作为健康对照。正如预期的那样，肿瘤和健康皮肤表面和真皮之间的微生物谱不同，表明微生物群组成的变化与MCT的存在相关。在门水平上，病变的犬皮肤表面最具代表性的类群为放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、梭杆菌门和变形菌门。与健康皮肤样本相比，厚壁菌门在MCT中的丰度增加，并且在患犬的肿瘤皮肤表面发现棒状杆菌科显著增加。

总之，二代测序方法首次证明了MCT的存在导致表皮微生物群结构和组成的改变。本研究为进一步研究MCT、微生物群和宿主免疫反应之间的相互作用提供了基础。到目前为止，还没有关于皮肤、粪便或肿瘤微生物群与人类MCT病例相关的研究，这可能是因为MCT是一种在该物种中患病率较低的肿瘤。

 

5 结论

对动物和人类癌症的微生物群研究表明，患病和健康群体的细菌种群存在显著差异，这使得人们相信，生活在宿主体内的微生物可以显著影响癌症的发生和治疗效果。测序技术和生物信息学的最新进展使我们能够对动物和人类的微生物群进行分子特征分析。人们越来越多地将伴侣的动物视为家庭成员，而健康知识的进步将直接应用于延长寿命和增进幸福。此外，人类、猫和犬的微生物群之间的相似性提高了研究的兴趣，因为这有助于转化医学的进步，而且很明显，即使在人类和动物的癌症中，也有共同的细菌群。越来越多的证据支持肠道和肿瘤微生物群的免疫调节和抗炎作用在癌症的战斗中至关重要。在人类和动物中，宿主微生物群的相互作用是健康和疾病发展的关键，但微生物群在疾病状态下的功能尚不完全清楚，必须进行进一步的研究。大多数研究是在临床前模型中进行的，在自发性癌症研究方面，临床前模型有许多缺陷，因此迫切需要开展对两个物种都有益的临床研究。这种比较战略需要在人类医学和兽医学之间进行跨学科对话，需要认识到人类健康与动物健康和环境密切相关。

 

图1 细菌微生物群可促进癌变。保守的微生物特异性分子，称为微生物相关分子模式（MAMPs），当被免疫细胞识别时，可促进活性氮和氧簇（RNS和ROS）的释放，从而导致突变和DNA损伤，促进肿瘤发生。使用BioRender.com创建。

 

 

 

图2在人类肺、胃和结肠中，已知参与癌变过程的致病细菌种类（基于Astudillo-de la Vega等的研究）。使用BioRender.com创建。

样本	肿瘤	方法	物种	微生物群的改变
粪便	多中心淋巴瘤	16S rRNA基因测序	犬	粪杆菌属、梭菌属、Turicibacter spp.丰度较低；链球菌属在癌症病患中显著增高；瘤胃球菌属和普雷沃菌属减少。
粪便	弥漫性大B细胞淋巴瘤	16S rRNA基因测序	人	大肠埃希菌-志贺菌属、肠球菌属、韦荣球菌属和普雷沃菌属-2在癌症患者中明显较高，而Allisonella、毛螺菌属和Roseburiain的丰度较低；大肠杆菌和丁酸梭菌显著增加。
粪便	肠道淋巴瘤	16S rRNA基因测序	犬	梭菌目微生物的大量增加，包括梭菌属的成员；副拟杆菌属也显著增加。
组织	MALT淋巴瘤	FISH,IHC	人	与螺杆菌属和空肠弯曲菌的存在密切相关；疏螺旋体属和衣原体与皮肤和球周B细胞MALT淋巴瘤相关。
小肠活检	小细胞型肠道淋巴瘤	FISH	猫	黏膜细菌（包括肠杆菌科和梭杆菌属）在肿瘤组中更丰富；梭杆菌属在猫的回肠和结肠淋巴瘤中均较高，而拟杆菌属在回肠淋巴瘤中占主导地位。
粪便	小细胞型肠道淋巴瘤	16S rRNA基因V4可变区测序	猫	厚壁菌门、放线菌门（双歧杆菌属）和拟杆菌门（平头拟杆菌属和未分类种）丰度较低。
粪便/肿瘤	结直肠肿瘤	16S rDNA和16S rRNA序列分析	犬	在患病动物中，粪便菌群中肠杆菌科、梭杆菌科、拟杆菌属、螺杆菌属、卟啉单胞菌属、消化链球菌属和链球菌属过度表达； 瘤胃球菌科、斯莱克菌属、梭菌属 XI和粪杆菌属丰度较低。   在肿瘤黏膜样本中，螺杆菌属、拟杆菌属、巨单胞菌属、梭菌属、未分类的拟杆菌目、未分类的毛螺菌科、密螺旋体属、链球菌属、未分类的梭杆菌科、梭菌属 XI、未分类的氨基酸球菌科、布劳特菌属、柯林斯菌属、Lachnospiracea incertae sedis和萨特菌属的丰度最高。
粪便/肿瘤	结直肠肿瘤	IHC；16S rDNA序列分析；PCR	人	在肿瘤或粪便样本中已发现幽门螺杆菌、大肠埃希菌、没食子链球菌（以前为牛链球菌）、梭杆菌属、消化链球菌、卟啉单胞菌和脆弱拟杆菌。
鼻拭子	鼻肿瘤	16S rRNA基因测序	犬	在患犬中，巴斯德菌科显著增加，莫拉菌属显著减少；奈瑟菌科在一些鼻肿瘤病患中明显更为常见。
咽喉上部拭子	喉癌	16S rRNA基因测序	人	梭杆菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、链球菌属和普雷沃菌属在病患喉区更常见。
皮肤	肥大细胞瘤	16S rRNA基因的V4区	犬	放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、梭杆菌门和变形菌门是皮肤上最具代表性的类群，棒状杆菌科生物在肿瘤动物中显著增加。

表1 关于癌症动物的微生物群特征及其与人类研究比较的研究结果汇总表

杨先生

南海

！！！！

曾医生