近半个世纪以来，随着针对肿瘤生物学行为的研究不断深入、手术方式的改进、综合治疗模式的应用，肿瘤患者的生存期获得了显著的延长。现代系统生物学的主要贡献在于发现了肠道微生态对人类健康几乎所有方面的重要意义。定植于上皮屏障的微生态，尤其是肠道微生态，不仅参与调节宿主局部和全身的代谢、炎症和免疫，还在肿瘤的发生、发展中发挥重要作用。新进研究发现肠道微生态能够调节机体对抗肿瘤治疗的反应及相关毒性反应的程度。在本文中，我们主要讨论了肠道微生态对放射治疗所致的机体免疫反应及毒性反应的调节作用及相关机制。

1 人体肠道微生态概述

“微生态学”概念由德国Volker Rush博士于1977年首次提出。2000年诺贝尔奖获得者Joshua Lederberg指出人体是一个由体细胞和所有共生微生物组成的“超级生物体”(Superorganism)，是一个非常复杂的生态系统^[1]。人类的微生态是指居于人体表面上皮屏障的细菌和其他微生物(如古细菌、真菌、病毒原生生物等)^[2]。无菌动物的许多生理功能包括固有免疫功能不成熟，从而极易感染病原微生物^[3]。而且，器官或组织局部的微生物群能够影响定植部位的功能并调节其上皮屏障的免疫^[4-6]。

超过90%的微生物生活在消化道被称为“肠道菌群”，并与其遗传物质的集合共同组成“肠道微生物组”。肠道菌群包含大约3×10¹³个细菌，其中的绝大多数与宿主呈共生状态^[7]。当肠道的内环境发生变化时，共生菌可能发生移位并具有了致病的特性^[8]。人体肠道内的微生物群落形成了复杂的微生态体系，肠道菌群与肠道的上皮细胞和间质细胞相互作用，调节屏障功能、粘膜免疫稳态及宿主与微生物的共生，阻止病原体的侵袭及病原微生物的过度增殖等^[4-5]。肠道微生态、免疫细胞和粘膜屏障之间的持续作用维持着肠上皮的稳态^[9]。近年来，随着肠道微生态领域的研究不断深入，肠道微生态与人类健康和疾病的关系日益成为基础医学和临床医学研究的重点和热点。肠道菌群的元基因组影响宿主的代谢表型，广泛参与菌群与哺乳动物的共同代谢途径。随着分子生物学技术的发展，实时荧光定量PCR、变形梯度凝胶电泳(DGGE)及高通量454焦磷酸测序等技术方法应用于肠道微生物多样性的研究，越来越多的微生物种属被发现^[8]。系统发育分析显示人体肠道菌群主要由7个门组成，包括：变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、梭杆菌门(Fusobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微球菌门(Verrucomicrobia)及与蓝细菌(Cyanobcteria)相近的未分类细菌。加上螺旋体门(Spirochaeates)和VadinBE97门，目前人体肠道内鉴定出的细菌共有9个门，其中厚壁菌门和拟杆菌门具有明显优势^[10-12]。

肠道上皮屏障的微生物群影响着肠道局部和机体的代谢、炎症及免疫功能，从而在肿瘤的发生发展和机体对抗肿瘤治疗的反应中发挥重要的调节作用。研究证实各种促进肿瘤发生的生活方式通过改变肠道菌群的组成，间接影响了肿瘤的发生和机体对抗肿瘤治疗的反应^[13-14]。尽管抗肿瘤治疗领域已取得了显著的进步，尤其是近期免疫治疗表现出非常良好的前景，相当一部分肿瘤患者仍然无法获得有效控制。肠道菌群的组成对抗肿瘤治疗疗效及毒副反应的调节作用与相关机制成为目前肿瘤治疗领域的研究热点之一。

2 肠道微生态与放射治疗

许多癌症患者接受电离照射治疗，后者可造成肿瘤细胞的DNA损伤，从而有效控制局部肿瘤病灶。传统理论认为，放射生物学的经典模式是射线通过能量的直接沉积或射线诱导细胞内水分子解离产生活性氧簇(ROS)诱导DNA的损伤。然而，电离辐射还可以诱导未照射细胞的非靶向效应如临近细胞的旁观者效应(bystander effect)、系统性放射适应性反应(包括炎性和免疫反应)以及基因不稳定性^[15]。DNA损伤可进一步造成细胞间相互作用的间隙连接蛋白中断^[16]、细胞外介质(包括ROS、一氧化氮(NO)、细胞因子和外泌体)的释放，从而激发了旁观者效应和系统性适应反应^[17-20]。因此，放射治疗造成的组织损伤与病原体感染相关的组织损伤类似，都诱导了内源性配体(damage-associated molecular patterns, DAMPs)应激信号的释放。

2.1 肠道微生态对放射治疗免疫反应的调节

目前我们对微生态是否以及如何调节机体对放射治疗的反应还知之甚少。研究证实局部照射能够诱导具有免疫原性的肿瘤细胞死亡，促进系统炎症和免疫反应^[21]。然而，照射的效应很复杂，既能激活免疫反应又可以抑制免疫反应，但不足以激活机体的抗肿瘤免疫反应^[21]。电离照射可影响照射野外的抗肿瘤反应，即已知的远隔效应，这一效应由免疫介导并需要抗原递呈树突状细胞和免疫T细胞的活化^[22]。研究发现肠道微生态影响了由化疗或免疫治疗致免疫原性细胞死亡而诱发的免疫反应^[23-25]，因此推测肠道微生态也在放射治疗的免疫调节效应中发挥作用。

2.2 肠道微生态对放射治疗局部毒性反应的影响与机制

研究证实不同类型肿瘤对放射的敏感性具有异质性，而且放射治疗的局部和全身性毒副反应可导致相关死亡率上升，并可能减弱抗肿瘤免疫反应，上述因素都制约了肿瘤放射治疗的有效性和安全性^[26]。放射治疗还可造成正常组织的损伤，尤其是增殖活跃的组织如骨髓和上皮组织(例如皮肤和消化道粘膜)极易受射线暴露的影响^[27]。研究发现肿瘤患者和荷瘤鼠接受放射治疗后上皮组织表面的菌群组成发生变化，并导致口腔粘膜炎、腹泻、小肠炎、结肠炎和骨髓抑制^[27]。放射治疗可诱导肠隐窝内的细胞凋亡、肠道屏障的破坏和肠道菌群的改变^[26]。这些改变使得病原微生物能够进入肠粘膜的免疫微环境，导致肠道炎症，并影响粘膜稳态、使机体的固有免疫和获得性免疫发生变化^[27-29]。

放射治疗导致的口腔粘膜炎和肠炎，严重者可使放射治疗中断甚至无法完成。组织损伤后释放的微生物产物(microorganism-associated molecular patterns, MAMPs)和内源性配体(DAMPs)与膜结合的固有免疫受体相互作用，调节营养、代谢、组织稳态、炎症、固有和获得性免疫等^[30]。由MAMPs激活的TLR2通路能够对抗放射造成的粘膜损伤^[31]。另有研究证实双链RNA (dsRNA)的TLR3可调节放射导致的肠炎。TLR3-/-小鼠对p53-依赖的放射诱导凋亡敏感，但同时又受到保护，可以对抗放射诱导TLR3-依赖的大量细胞死亡^[32]。相较于野生小鼠，TLR3-/-小鼠暴露于电离照射时活得更长，肠道的毒性反应更轻，提示阻断TLR3信号通路可以降低放射介导的胃肠损伤^[32]。照射致DNA双链断裂(DSBs)，并激活了DNA传感器AIM2炎性体, 导致细胞死亡和组织损伤^[33]。与此相反，TLR2-活化的微生物如益生菌鼠李糖乳杆菌GG株(LGG)在小鼠中的应用证实：LGG可保护肠粘膜抵抗化疗或放疗诱导的毒性，将表达环氧化酶2 (COX2)的细胞从绒毛重置于肠隐窝的底部，可促进ROS的产生，并激活细胞保护性的NRF2系统^{[31, 34]}。事实上，已有多项临床研究证实益生菌在预防放射性肠炎中发挥有益的作用。研究发现嗜酸乳杆菌(L.acidophilus)、短型双歧杆菌(B.bifidum)、干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)，尤其是VSL#3制剂(包括双歧杆菌、乳酸菌和链球菌)的预处理，可有效预防盆腔照射所致的肠道毒性，显著降低严重腹泻的发生率，减少了使用洛哌丁胺处理的必要^[35]。头颈部肿瘤患者放化疗期间使用短乳杆菌CD2糖锭也减少了治疗致粘膜炎的发生率，并提高了治疗的完成率^[36]。

2.3 肠道微生态对全身照射(TBI)所致毒性反应的调节机制

全身照射(TBI)是造血干细胞移植和过继性T细胞回输免疫治疗预处理的一部分。生理状态下，肠腔的共生菌被紧密的上皮屏障表面的一层难以渗透的粘液层阻拦，从而无法通过肠粘膜发生移位。接受TBI治疗可造成肠道粘液层的损伤，从而破坏了上皮屏障的完整性，使得细菌能够穿过上皮组织底部的固有层。移位的细菌激活了固有免疫细胞，触发了局部和全身的炎症反应。研究发现益生菌的使用减轻了局部放射治疗所致的毒性反应，经全身照射后无菌小鼠较正常饲养小鼠存活时间更长，需要更高剂量的照射才会导致肠炎^[37]。相比于正常喂饲小鼠，无菌小鼠经全身照射后肠黏膜中的凋亡上皮细胞和浸润淋巴细胞数量更少^[37]。无菌小鼠对TBI所致肠道毒性的抵抗归因于肠道菌群和病原微生物的缺乏，放射治疗介导的最初损伤之后，正常喂饲小鼠中的肠道菌群和致病菌可造成粘膜炎症和破坏。无菌小鼠抵抗TBI的主要机制之一是重组人血管生成素样蛋白4(ANGPTL4，或称为FIAF)的生成。ANGPTL4是一种脂蛋白脂肪酶的蛋白抑制剂，可被正常喂饲小鼠体内的微生物所抑制^[37]。ANGPTL4对血脂代谢、血管新生和组织修复等具有多种效应^[38]。与正常喂饲小鼠一样，Angptl4遗传缺失的无菌小鼠易经照射后会出现肠道损伤。相反地，诱导Angptl4表达的细菌包括双歧杆菌、乳酸菌和链球菌等，能够保护机体抵抗放射治疗所致的粘膜炎和结肠炎，这也解释了为何出现无菌小鼠和喂饲益生菌的小鼠都能够抵抗放射治疗所致毒性这一矛盾的现象。

2.4 肠道菌群的昼夜节律对放射治疗所致毒性的影响

值得注意的是，研究发现小鼠白天比夜间更易出现放射的毒性反应^[39]。昼夜节律影响了肠道、骨髓和外周血中照射所致的细胞凋亡和p53-反应性基因的活化^[39]。研究证实昼夜节律既与肠道菌群组成的日变化及短链脂肪酸的产生相关，又与肠道菌群的固有免疫受体的表达相关，而后者可造成体循环中调节放射敏感性的炎性细胞数量的波动^[40-41]，因此可以推测研究者观察到的放射敏感性变化可能与肠道菌群组成的昼夜节律性变化相关。

3 结语

肠道微生态在炎症、免疫、肿瘤发生及抗肿瘤治疗中的机制已得到较充分的阐释。现有的研究结果提示微生态的组成能够调节放射治疗所致损伤的病理反应及修复过程。另一方面，微生物还可以通过触发ROS的产生和炎性反应增强化疗药物的基因毒性^[24]，提示微生物可以控制电离照射的直接核效应及旁观者效应。新近研究发现，相较于肠道微生物受限的小鼠，正常喂饲小鼠暴露于高能量质子照射时更易出现外周血白细胞的单链和双链DNA的持续损伤^[42]。更好的理解放射治疗的非靶效应机制及共生微生态对放射治疗效果的调节作用，对提高放射治疗的有效性、降低其所致的毒性反应、处理偶然射线暴露的健康事件具有极其重要的意义。