直腸癌是最常見的消化系統(tǒng)腫瘤之一，全球每年新發(fā)病例超70萬，且其中30%為局部晚期患者，生存預(yù)后差[1]。

新輔助放化療（nCRT）聯(lián)合手術(shù)切除是局部晚期直腸癌的一線治療方案[2]，但治療效果存在很大的異質(zhì)性，僅有15%-27%的患者經(jīng)nCRT治療后可達到病理學完全緩解，20%-40%的患者甚至對治療完全無響應(yīng)[3]。

因此，明確局部晚期直腸癌對新輔助放化療耐藥的機制已成為直腸癌治療領(lǐng)域需迫切解決的關(guān)鍵問題。

新輔助放化療主要通過破壞腫瘤細胞的DNA復(fù)制抑制其增殖，腫瘤細胞對放化療的敏感性很大程度上取決于DNA同源重組和鏈間修復(fù)的能力，而DNA修復(fù)則會受到微環(huán)境中各種代謝因素的影響[4]。

作為宿主代謝的主要參與者，腸道菌群可調(diào)控癌癥對治療的敏感性。有研究表明，腸道菌群的組成與局部晚期直腸癌患者對nCRT的治療反應(yīng)有著密切聯(lián)系[5]，然而具體機制仍不清楚。

近日，由北京大學腫瘤醫(yī)院詹啟敏、王維虎領(lǐng)銜的研究團隊在Cancer Cell發(fā)表了一項重要研究成果。

這項研究通過16S rRNA、宏轉(zhuǎn)錄組和代謝組學分析發(fā)現(xiàn)，普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus）介導(dǎo)的核苷酸合成通過促進腫瘤細胞的DNA修復(fù)減弱了局部晚期直腸癌對nCRT的反應(yīng)，且尿酸可作為預(yù)測直腸癌患者nCRT治療反應(yīng)的生物標志物[6]。

總之，這項研究從宿主-腸道微生物相互作用的角度揭示了局部晚期直腸癌對新輔助放化療耐藥的機制，并鑒定出了可預(yù)測其治療反應(yīng)的生物標志物。

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為明確局部晚期直腸癌患者行nCRT后對其腸道微生物的影響，詹啟敏團隊納入了126名接受nCRT的局部晚期直腸癌患者，分別在治療開始后2周、治療結(jié)束后3天內(nèi)和治療結(jié)束后2個月時收集353份糞便樣本行16S rRNA測序、宏基因組和代謝組學檢測（圖1），并發(fā)現(xiàn)糞便微生物的多樣性在放化療后顯著降低。

圖1. nCRT對糞便微生物群影響的實驗設(shè)計

為明確nCRT治療對微生物群的影響，研究人員比較了nCRT治療前后微生物群的變化，發(fā)現(xiàn)擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes）發(fā)生了顯著改變，其中擬桿菌在nCRT治療之前的樣品中顯著富集，而厚壁桿菌在nCRT治療之后的樣品中顯著富集（圖2）。

圖2. nCRT治療前后對微生物群的影響

為進一步探究糞便微生物群變化與nCRT治療反應(yīng)之間的關(guān)系，研究人員首先根據(jù)NCCN腫瘤退縮分級指南和治療客觀響應(yīng)將患者分為應(yīng)答組（n=84）和無應(yīng)答組（n=32）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在nCRT治療后的樣品中，普通擬桿菌在無應(yīng)答組中富集度排名第一，表明普通擬桿菌可能與結(jié)直腸癌對nCRT的治療反應(yīng)有關(guān)。

隨后，詹啟敏團隊深入分析了宏轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，對應(yīng)答組和無應(yīng)答組之間代謝產(chǎn)物豐度進行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)核苷酸合成相關(guān)的模塊在nCRT治療后的無應(yīng)答組中顯著富集，且代謝組學表明nCRT治療后的無應(yīng)答組中核苷酸生物合成相關(guān)的底物豐度明顯升高。

為探明導(dǎo)致糞便代謝物變化的微生物物種，他們對微生物組和代謝組數(shù)據(jù)進行了無偏倚綜合分析，發(fā)現(xiàn)這些與核苷酸合成相關(guān)的代謝物是受擬桿菌屬調(diào)節(jié)，進一步分析表明，普通擬桿菌在核苷酸從頭生物合成途徑中起主導(dǎo)作用。

圖3. 普通擬桿菌介導(dǎo)了nCRT治療后的核苷酸生物合成

然后，詹啟敏團隊發(fā)現(xiàn)向結(jié)腸癌細胞中補充外源性核苷可降低5-氟尿嘧啶及放射治療誘導(dǎo)的細胞死亡，使用布喹那（Brequinar）或霉酚酸（mycophenolic acid）阻斷核苷酸從頭合成則可大幅降低腫瘤細胞的存活率。

此外，他們通過核苷轉(zhuǎn)運蛋白抑制劑（NBMPR）阻斷了核苷攝取，并發(fā)現(xiàn)NBMPR可降低外源性核苷加入導(dǎo)致的腫瘤細胞對氟尿嘧啶及放射治療的抗性，證實外源性核苷可幫助腫瘤細胞躲避放化療的“追捕”。

圖4. 外源性核苷補充劑可增強癌細胞對放化療的抵抗

接下來為探明結(jié)直腸癌中普通擬桿菌介導(dǎo)的核苷酸合成對放化療治療效果的影響，詹啟敏團隊將MC38細胞接種到小鼠盲腸腸壁，構(gòu)建了原位結(jié)直腸癌模型，發(fā)現(xiàn)普通擬桿菌灌喂可顯著減弱5-氟尿嘧啶對結(jié)直腸癌的治療效果，而這種減弱可以被NBMPR逆轉(zhuǎn)。

這一結(jié)果再次證明了普通擬桿菌介導(dǎo)的核苷酸生物合成可以幫助腫瘤細胞抵御5-氟尿嘧啶治療造成的損傷。

圖5. 普通擬桿菌對小鼠腫瘤生長的作用

既往研究表明血清中的尿酸會隨核苷酸生物合成活性的變化而變化，于是詹啟敏團隊想知道尿酸是否可以作為預(yù)測nCRT療效的生物標志物。

在分析了2205份血清樣本后，詹啟敏團隊發(fā)現(xiàn)，與對nCRT治療有反應(yīng)的患者相比，對nCRT治療無反應(yīng)的患者血清尿酸水平更高，且治療后血清尿酸水平每增加1μM，預(yù)后不良的風險就會增加0.46%，ROC曲線表明，以尿酸為指標預(yù)測直腸癌nCRT療效的AUC值為0.732。

綜上所述，這項研究提出了一種腸道微生物和腫瘤放化療相互影響的現(xiàn)象，揭示了腸道普通擬桿菌可通過介導(dǎo)核苷酸合成促進直腸癌nCRT治療耐藥的分子機制，并據(jù)此尋找到可預(yù)測nCRT治療效果的生物標志物，對直腸癌精準治療有著很高的指導(dǎo)意義。