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人体与微生物的共生关系早就为人所熟知，近几年肠道微生物已经成为了生物医学研究最火的领域之一，也有不少研究证明了肠道微生物与肿瘤生物学联系紧密。与此同时，尽管早在 100 年前人类就在肿瘤内发现了细菌的痕迹，可由于研究方法的局限性，比起肠道微生物组，我们对肿瘤本身的微生物组分布及功能的了解反而更少。
2020 年 5 月 29 号，Science 以封面文章的形式发表了题为 The human tumor microbiome is composed of tumor type–specific intracellular bacteria 的论文，论文作者是来自以色列魏茨曼科学研究所的 Ravid Straussman 团队 [1] 。该研究首次全面的分析了肿瘤微生物组，揭示了不同肿瘤中微生物组的差异，并探索了他们在不同肿瘤多样性差异的原因与潜在影响。研究人员首先采集了 1526 份来自黑色素瘤、胰腺癌、肺癌、卵巢癌、胶质母细胞瘤，骨癌和乳腺癌患者的肿瘤组织以及肿瘤周边组织样品，并通过定量分析细菌 16S 基因来探究细菌的多少。结果显示，7 种肿瘤的样品中都检测到了细菌 DNA，且细菌 DNA 的含量与肿瘤种类有关。黑色素瘤与肺癌的肿瘤组织中发现细菌 DNA 的比例为 15% 左右，而胰腺癌、骨癌和乳腺癌的比例都超过了 60%。随后，研究人员另外采集了 400 多份肿瘤样品，并进行了 IHC 染色和 FISH 检测。结果显示，六种肿瘤样品中，都检测到了 16S 核糖体 RNA 和标记革兰氏阴性细菌的脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），但仅在黑色素瘤组织中检测到了标记革兰氏阳性细菌的脂磷壁酸（lipoteichoic acid，LTA）。这些数据证明，细菌在各种肿瘤中广泛存在，且含量与肿瘤类型有关。通过深入检查 IHC 和 FISH 结果，研究人员发现 LPS 和 16S 核糖体 RNA 主要分布于癌细胞和免疫细胞之中。LPS 主要存在于细胞质，而 16S 核糖体 RNA 在细胞质和细胞核之中都有分布。除此之外，CD45 + 白细胞的细胞质 16S 核糖体 RNA 含量远高于癌细胞。而 LTA 染色主要出现在 CD68 + 的巨噬细胞之中，尽管巨噬细胞中很少检测到 16S 核糖体 RNA 的表达，这可能是由于巨噬细胞在杀死细菌并降解其 RNA 后，LPS 和 LTA 能在胞内保存的时间较久有关。更高分辨率的电镜结果进一步证实了细菌分布于靠近于核膜的细胞质内。这些数据再次证明细菌广泛存在与肿瘤内，且位于癌细胞和免疫细胞之中。
在回答了「有没有」的问题后，研究人员开始研究起这种肿瘤微生物的组成。为此研究人员特意设计了一种基于 16S 核糖体 DNA 的测序方法，并充分排除了污染造成的假阳性。一开始研究人员共检测到了 9190 个菌种，在一系列严格筛选过后，研究人员从 1526 份样品中共 528 种细菌。在不同肿瘤中，乳腺癌出现了丰富的细菌种群多样性，平均每份乳腺癌样品中能够检测到 16.4 个菌种，这个数字在其他肿瘤都低于 9。因为此前的研究使用的都是处理过的肿瘤组织，为了验证这些细菌是否真正在肿瘤组织中存活，研究人员采集了 5 名乳腺癌患者手术所得到的活体肿瘤组织，并在培养皿中进行了培养。其中 4 个样品产生了超过 1000 个菌落，1 个样品产生了 37 个菌落。在能识别出的 37 个菌种中，共有 26 种在此前的微生物组研究中被识别出。体外培养肿瘤组织也验证了这些活细菌存活于活的肿瘤细胞之中。
随后，研究人员对比了不同肿瘤的微生物组有何异同。微生物多样性分析显示，同种肿瘤的微生物组之间比起不同种肿瘤之间更加相似。在微生物分类学上，不同肿瘤的微生物组在目，门，种的层级都出现了明显的区分。譬如胰腺癌的细菌以变形菌门为主，结直肠癌以厚壁菌门和拟杆菌门为主。而特定菌种也更倾向于出现在特定肿瘤中。更有趣的是，肿瘤微生物组不仅与肿瘤种类有关，还与同一种肿瘤的亚型有关。以乳腺癌为例，不同受体突变相关的乳腺癌中的肿瘤微生物组也非常不同。而同一病人肿瘤组织内微生物组和其肿瘤周边组织的微生物组相似，但丰度更高。这些数据揭示了不同肿瘤类型微生物组的差异性，甚至在同一种肿瘤的不同亚型中也能观测到微生物组的不同。在先后回答了「有没有」，「在哪里」，「是什么」，「有何不同」这四个问题后，研究人员最后初步探索了这些造成微生物多样性的原因和它们在肿瘤生物学中的作用。通过测序分辨出的种群后再对它们进行代谢通路分析，研究人员发现不同肿瘤中富集的微生物所具有的代谢功能也不尽相同，这些代谢功能也出现了肿瘤类型特异性。骨癌中富集的微生物更倾向于羟脯氨酸降解，而肺癌中富集的微生物更倾向于抽烟所吸入的化学物的代谢。进一步分析吸烟肺癌患者和非吸烟肺癌患者的的代谢差异也发吸烟肺炎患者体内出现了烟草化学物代谢通路的富集。这可能是由负责烟草化合物代谢的微生物在肺癌组织中富集有关。另一方面，在雌激素受体阳性的乳腺癌患者中，发现和比雌激素受体阴性的乳腺癌患者更高的砷解毒微生物富集。而砷是升高雌激素受体表达的乳腺癌一级致癌物。与此同时，这些微生物组的也对一种硫醇 Mycothiol 的合成能力也更强，Mycothiol 也被报道与细菌对活性氧类物质 ROS 的解毒作用有关。所以研究人员认为是乳腺癌中的 ROS 导致了这类微生物的富集。由于研究人员发现了细菌存在于肿瘤内免疫细胞之中，他们进一步研究了这些微生物能否影响肿瘤微环境。通过利用免疫检查点抑制剂疗法探究这些微生物能否影响免疫在黑色素瘤疗效，他们发现尽管微生物的载量与免疫疗法是否有效无关，但对免疫疗法响应的患者的微生物组与无响应者非常不同。前者的肿瘤中梭菌属细菌更多，而后者的阴道加德纳菌（Gardnerella vaginalis）更多，这一点和此前免疫疗法和肠道微生物的研究契合。这些数据证明了肿瘤微生物的种类和人体习惯及遗传背景导致的代谢差异息息相关，并可以影响肿瘤微环境。这是首个大规模研究多种肿瘤中微生物组的研究。该研究涉及多种主要的癌症，并发现了肿瘤内细菌的广泛存在。较之之前的研究，该研究不仅样本量更大、范围更广。还使用了非常严格筛选体系排除了采样和实验过程中导致的污染问题。为肿瘤中细菌的存在、分布和作用给出了可靠的答案。除此之外，研究还发现不同种类，不同亚型的肿瘤之间微生物组的差异，并从细菌代谢层面上初步揭示了这种差异存在的原因。但这些细菌是肿瘤发生的原因还是结果？它们是否能影响癌症的发生，发展以及治疗？又能对传统癌症疗法和新兴免疫疗法中产生什么作用？这位问题都值得进一步研究。但毫无疑问，这项研究为今后肿瘤生物学的研究提供了强有力的基础以及新的方向。由于肿瘤微生物在整个肿瘤总质量中占比较低且研究过程对污染的控制及其严格，对肿瘤微生物组的研究实际上在近几年才进一步规模化，体系化。而本次 Science 封面论文的作者 Ravid Straussman，一直在引领着该领域的研究。2017 年 9 月 15 日，Ravid Straussman 课题组就在 Science 上发表了题为 Potential role of intratumor bacteria in mediating tumor resistance to the chemotherapeutic drug gemcitabine 的研究 [2]， 揭示了肿瘤内细菌可能会影响肿瘤对化疗药物吉西他滨的耐药性，也发现高达 76% 的胰腺癌组织中含有细菌。2019 年，来自美国德州大学 MD 安德森癌症中心的 Jennifer Wargo 团队在 Cell 发表了题为 Tumor Microbiome Diversity and Composition Influence Pancreatic Cancer Outcomes 的论文 [3]， 揭示了胰腺癌微生物的多样性与患者存活率以及肠道微生物的关系。而在今年 3 月 11 号，来自加州大学圣地亚哥分校的 Rob Knight 教授也率领团队在 Nature 发表了题为 Microbiome Analyses of Blood and Tissues Suggest Cancer Diagnostic Approach 的研究 [4]。该研究通过肿瘤基因组图谱 TCGA（The Cancer Genome Atlas）在 33 种癌症中发现了为数不少的细菌序列，并认为检测组织和血液中的微生物可以作为癌症诊断的全新方法。系统化的肿瘤微生物的研究正在迅速改变我们对肿瘤的认知，我们也正好有幸见证着一个重要领域的兴起与发展。
1.Nejman, D., et al., The human tumor microbiome is composed of tumor type–specific intracellular bacteria. Science, 2020. 368(6494): p. 973.2.Geller, L.T., et al., Potential role of intratumor bacteria in mediating tumor resistance to the chemotherapeutic drug gemcitabine. Science, 2017. 357(6356): p. 1156.3.Riquelme, E., et al., Tumor Microbiome Diversity and Composition Influence Pancreatic Cancer Outcomes. Cell, 2019. 178(4): p. 795-806.e12.4.Poore, G.D., et al., Microbiome analyses of blood and tissues suggest cancer diagnostic approach. Nature, 2020. 579(7800): p. 567-574.