编译：仰望星空，编辑：小菌菌、江舜尧。
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虽然新的疗法，包括免疫治疗，已经大大改善了许多癌症患者的结局，但总体的结局各异，并且现有的生物标志物也不能可靠地预测反应。到目前为止，癌症治疗反应的预测因子主要集中在肿瘤的内在特征上；然而，越来越多的证据表明，其他宿主因素（如宿主基因组学和微生物群）可以在很大程度上影响治疗的反应。微生物群是指宿主及其集体基因组中的微生物群，因其对宿主免疫的影响以及对癌症治疗的治疗反应而日益被人们所认识。重要的是，可以通过几种不同的策略来改变微生物，为癌症治疗提供新的角度，从而改善治疗预后。在这篇综述中，我们研究了关于微生物群在癌症和治疗反应中的作用的证据、影响和塑造宿主微生物的因素、调节微生物群的策略，并提出了在正在进行的和未来的研究中有待解决的关键问题。
论文ID
原名：Modulating the microbiome to improve therapeutic response in cancer
译名：调节微生物组以改善癌症的治疗反应
期刊：Lancet Oncology
IF：35.386
发表时间：2019.02.01
通讯作者：Jennifer A Wargo
作者单位：德克萨斯大学医学博士安德森癌症中心
综述框架
主要内容
1 前言
新疗法的发展，如免疫检查点抑制剂，已经使得许多癌症患者的治疗结局显著改善。然而，结果是各异的，一些患者实现了显著、持久、完全的缓解，而在另一些患者中则毫无益处。除了可能预测反应和驱动耐药性的肿瘤内在特征外，越来越多的证据表明，宿主（即病人）因素，包括微生物群，可能影响治疗的反应。
人类微生物组由数以万亿计的微生物组成，这些微生物生活在人类身体表面和体内。这些共生微生物与人类共同进化，具有几种有利于人类健康的功能，包括从饮食中获取其他无法获得的营养，保持粘膜屏障的完整性，并促进免疫系统的发育和同质性。
随着高通量测序方法的发展，我们对微生物群的理解在过去十年中呈指数增长。被测序的人类微生物群中最常见的成分是小的30s核糖体亚基，它是原核生物所特有的，并且在不同种的细菌之间有很大的差异(16s测序)。该技术可用于量化α丰度（存在的不同物种的数量以及不同物种是否均匀地表示)和β丰度(不同样品之间分类丰度分布的差异），以及特定细菌类群的差异丰度。相反，全基因组或宏基因组测序涉及对给定样本中所有微生物（包括病毒、真菌、原生动物、古菌）的整个基因组进行测序。宏基因组测序具有更深分辨率的额外优势，并允许对功能进行估算，但在时间和费用方面的成本都要高得多；然而，与所有基于组学的分析方法一样，成本正在降低，分辨率也在增加。因此，人类微生物组的一些组成部分，如病毒和真菌，以及古细菌、原生动物和其他微生物，迄今尚未得到比细菌更好的研究。人类微生物组的这些其他成分的特征是一个深入研究的领域，这些非细菌对应物的作用可能会在不久的将来得以被发现。尽管如此，考虑到微生物组中存在的病毒类型（和病毒基因组）的巨大多样性，这些成分的特征存在复杂性，以及其他变量。值得注意的是，这些其他微生物成分的组成可能直接或间接地影响肠道细菌成分的组成；因此，随着该领域的进展，必须考虑到这些潜在的相互作用。
虽然新的测序技术大大增加了我们对人类微生物群的理解，但我们不能仅仅从计算分析中完全理解其功能和机制。人们对培养物领域重新产生了兴趣-一种高通量的培养微生物物种的方法，以前被认为是难以或不可能培养的。以这种方式培养细菌将使我们能够研究细菌本身，而不仅仅是它们的基因组，因此将有助于阐明那些仅仅通过计算方法无法完成的微生物群的某些机制。
随着我们对微生物组认识的加深，越来越清楚地了解微生物组在人类健康和疾病中起着关键作用。肠道微生物群的破坏（失调）与一系列人类疾病有关，包括胃肠道的、自身免疫性的、以及神经和代谢性疾病。对于癌症，特异性细菌和病毒感染与某些癌症的发生有关，也与癌症治疗相关的治疗毒性有关。重要的是，微生物组（特别是在肠道内）已被证明影响免疫反应，研究报告肠道微生物组与免疫检查点阻断的反应之间、以及在人类队列和小鼠模型中的其他疗法之间有很强的关联。临床前模型也有证据表明，成功地调节肠道微生物群可以增强治疗反应。
因此，调节微生物群的策略正在被用于和开发用于各种人类疾病，包括癌症。这些策略包括粪菌移植，这是一种安全和有效的治疗复发性艰难梭菌的方法，并被实验用于治疗炎症性肠病，代谢性疾病，甚至癌症（表1）。调控微生物群的其他策略也在研究中（包括添加益生菌和饮食干预等），尽管研究设计中的巨大异质性在解释这些方法的成功方面提出了挑战。
在这篇综述中，我们评估了微生物在癌症治疗反应中的作用的证据，概述了微生物组的决定因素调节的潜在策略和考虑因素，并强调了该方法的复杂性，以及癌症治疗的潜在途径。
2 微生物在癌变中的作用
微生物长期以来一直参与肿瘤的发展，细菌和病毒感染影响多种细胞过程（如代谢和免疫功能)，有可能促进癌变(图1）。在胃肠系统腔内的恶性肿瘤的病例中，肯定有这种参与的证据，其中细菌已被证明有助于胃癌（幽门螺杆菌)和结直肠癌(Fusobacteriumnucleatum）的发展。这些细菌通过几种不同的机制对腔内粘膜有直接的影响：
（1）幽门螺杆菌已被证明通过细胞毒素影响胃癌发生的过程，破坏自噬和凋亡途径，并调节关键的致癌信号通路，如Ras/MEK/ERK和β-catenin通路。
（2）幽门螺杆菌还通过核因子kappa B信号和产生白细胞介素8.F nucleatum诱导慢性炎症改变，与结肠癌密切相关，通过fadA表面蛋白直接粘附和侵袭结肠上皮细胞，后者与E-cadherin相互作用，介导β-catenin和Wnt信号的变化，从而诱导炎症变化并促进癌变。
来自一项大型美国前瞻性队列研究的数据进一步表明，F nucleatum在结直肠癌组织中的存在介导了与饮食的联系，并逐渐从盲肠下降到直肠，揭示了结直肠癌侧面的分子和预后差异。F nucleatum阳性肿瘤也与适应性免疫反应降低和生存期缩短有关。这些数据和其他数据对广泛使用粪便微生物群作为肠道微生物群的替代物具有重要意义。一项研究描述了健康个体和小鼠沿整个胃肠道的粘膜、腔内和粪便微生物群，在不同的解剖位置以及粘膜、管腔和粪便之间显示出实质性的组成差异。由于癌症和正常组织中的微生物组随解剖位置的不同而变化，因此，不同解剖位置的微生物组对癌症治疗的影响也可能不同。
除了特定微生物对局部组织的直接影响外，有证据表明，更广泛的肠道共生细菌群落可能通过竞争排斥和其他机制来调节癌症的风险和进展。在结肠发酵过程中产生的37种微生物代谢物，如短链脂肪酸，在维持肠道同质平衡和肠道整体健康方面起着重要作用。这些微生物产物抑制革兰氏阴性病原体的生长，作为结肠细胞和其他细菌的能量来源（交叉共生），抑制炎症，促进癌细胞凋亡。因此，参与短链脂肪酸生物合成和代谢的细菌积极参与维持稳定和健康的肠道群落。低丰度的有益细菌产生短链脂肪酸已被一致地观察到在结直肠癌的研究和实验中的小鼠模型有效地表明，膳食纤维以一种微生物依赖和丁酸盐依赖的方式保护结直肠癌的发生。
图1 肠道和肿瘤微生物群与宿主免疫系统的复杂相互作用。
相反，肝脏合成的初级胆汁酸经过肠道微生物酶催化产生的次级胆汁酸越来越被认为是促进癌症的代谢物。动物和实验模型的研究表明，肠道微生物群以胆汁酸为信使，改变免疫功能，影响抗肿瘤免疫监视。
研究还强调了肿瘤内细菌在胰腺癌等恶性肿瘤中的作用，有证据表明，细菌可能存在于大多数胰腺癌患者的肿瘤中，并可能有助于治疗耐药性。图1描述了肿瘤内细菌可能对胰腺癌治疗反应产生负面影响的几种机制。这些影响包括通过细菌酶将化疗分解成不活跃的代谢物，导致治疗耐药性，和在肿瘤微环境中诱导髓源性抑制细胞，以及在临床前模型中损害对免疫检查点阻断的反应。
病毒也被证明有助于癌症的发展，在各种组织学，包括宫颈癌，肝细胞癌，淋巴瘤和Merkel细胞癌。研究表明肠道真菌和病毒成分与结直肠癌之间存在关联，尽管因果关系尚未显示，目前尚不清楚这些是否是直接影响，而不是对肠道微生物组其他成分的更间接影响。在这方面，肠道病毒最常见的成分是噬菌体，它感染细菌，并能直接影响肠道微生物的细菌组成。
病毒通过几种不同的机制促进癌变。
（1）病毒可能通过启动慢性炎症状态或通过抑制免疫系统间接诱导癌变，从而影响抗肿瘤免疫(如HIV、丙型肝炎病毒、乙型肝炎病毒)。
（2）它们还可能通过将遗传信息直接整合到宿主基因组中，以及表达能促进细胞生长和增殖并诱导异常DNA损伤反应途径(如EB病毒)的基因，更直接地通过病毒癌基因诱导癌变。
重要的是，病毒驱动的肿瘤已被证明增加了对某些形式的治疗的敏感性，如免疫检查点阻断，通过识别非自身（即外源性的)抗原(图1）。对放射治疗的反应可能会随着病毒诱导的DNA损伤而增加。对其他形式治疗的反应可能与肿瘤中病毒元件的识别有关。T细胞导向疗法也正在开发，以针对病毒感染的肿瘤。病毒也能负向调控肿瘤免疫原性和局部肿瘤免疫微环境，通过诱导干扰素反应降低感染细胞中I类的表达或上调免疫抑制分子或途径（如程序性死亡配体1）或IDO-1。
疫苗接种策略有助于预防病毒驱动的癌症，如人乳头瘤病毒和乙型肝炎，其疗效已得到证实，尽管在广泛采用这些疫苗方面仍然存在挑战。随着肿瘤研究的深入，病毒因素正日益受到重视，很可能在不久的将来制定有效的策略靶向这些病毒应用于癌症的治疗和预防。
3 肠道微生物对癌症治疗的反应和免疫的影响
虽然免疫系统进化为对抗入侵的病原体，但肠道免疫轴存在着一种微妙的平衡，即对关键的共生肠道微生物和食物抗原的耐受性，以及对肠道腔内致病微生物的防御。虽然我们的理解仍然有些缺乏，但越来越多的证据表明肠道微生物可能通过多种机制影响免疫，无论是局部的还是系统的免疫（图1），其中详细介绍了基于几项关键研究的作用机制。局部肠道微生物群对于保持粘膜屏障的完整性和防止肠道渗漏是必不可少的，这可以允许致病性或正常共生细菌进入血液，激活远处的模式识别受体，并引起免疫反应或炎症。肠道内的微生物组及其代谢物，如短链脂肪酸（如丁酸酯），可能会局部和系统地扭转抗炎和促炎细胞因子的平衡，并破坏调节性T细胞和T-Helper-17细胞亚群的比例。肠道微生物组可能通过tonic信号(low-level, constitutive signaling in the basal state)激活局部吞噬细胞，以更有效地产生细胞因子，以应对传染性挑战。失调对正常全身免疫功能的影响包括增加对某些感染的易感性和改变对疫苗的反应。最后，越来越多的证据表明，失调可以以类似的方式影响局部和全身的抗肿瘤免疫；例如，反复接触抗生素可能与癌症风险增加有关。
3.1 免疫检查点阻断
来自两个独立组的标志性研究表明，共生肠道微生物群影响了小鼠模型对检查点抑制的反应，证据表明，通过调节肠道微生物群可以增强治疗反应。然后在其他研究中显示了这些发现与人类同样具有平行相关性。这些临床队列显示肠道微生物群的组成与不同癌症类型对免疫检查点阻断的治疗反应之间有很强的关联；然而，与反应相关的特定细菌类群在队列中各不相同。
除了肠道微生物群与反应的关联外，两个独立的队列研究了使用PD-1抑制剂治疗的患者抗生素使用的影响，证据表明，破坏肠道微生物群对检查点阻断的反应有有害影响。在免疫检查点阻断治疗期间接受抗生素的患者中，观察到微生物多样性较低和成分改变，表明抗生素使用引起的微生物失调可能会损害抗PD-1治疗的反应。然而，并不是所有的研究都观察到抗生素的使用与抗PD-1治疗反应之间的联系，这些相关的研究可能会被需要使用抗生素患者的健康状况所干扰。
重要的是，在其中的几个队列中也进行了机制研究，表明接受抗PD-1患者粪便移植的肿瘤无菌小鼠对抗PD-1治疗的反应比接受非应答人患者粪便微生物移植的小鼠更好。具有更有利肠道微生物群的患者，以及接受应答者移植的小鼠显示肿瘤内免疫浸润增加。
除了肠道微生物群在免疫检查点阻断反应中的作用外，初步研究还表明肠道微生物群与治疗相关的免疫毒性之间存在关联。这些早期但重要的研究主要集中在结肠炎，这是一个抗CTLA-4治疗中常见的免疫相关不良事件，在抗PD1中较少但并非罕见。在这些队列中，肠道微生物群的基线差异被证明与多个队列中抗CTLA-4的结肠炎的发展有关；尽管与反应一样，在队列中发现的特定细菌也不同。
可能最早关于微生物在癌症治疗中的作用的工作是在异型造血干细胞移植(HSCT)患者中进行的。调理方案和广谱抗生素的使用会导致这一人群的严重失调。减少肠道微生物多样性和特定有益细菌(如Faecalibacterium,Ruminococcus, Lactobacillus, and Blautia)的丢失与移植相关的死亡率和移植物抗宿主病(GVHD)有关。正常共生的破坏可以导致正常肠道完整性的破坏和致病性菌株的生长。这些变化可以改变免疫平衡，免疫刺激导致异活化，促使GVHD和肠道细菌易位，导致全身感染。虽然观察性研究无法剖析这些严重免疫抑制的患者在微生物与总体宿主健康状况、传染性并发症、营养改变和死亡率之间的复杂相互作用，但动物实验支持肠道微生物群在GVHD发病机制中的因果作用，以及微生物调节在GVHD预防和治疗中的有希望作用。数据进一步表明，肠道微生物群的病毒成分影响癌症治疗的毒性，在存在双链RNA Picobirnaviridae物种的情况下，HSCT后严重肠道GVHD的预测。在观察病人队列中，特定的肠道细菌（Eubacterium limosum）也与HSCT后复发和死亡的风险较低有关。重要的是，以调节HSCT人群中的微生物群的临床试验正在进行(NCT03057054, NCT00946283, NCT03359980, NCT03549676,NCT03492502, NCT03214289；表1)。
免疫反应是某些化疗药物抗癌活性的关键组成部分，是微生物群影响化疗反应的一种机制。环磷酰胺诱导革兰氏阳性细菌如Enterococcus hirae and Lactobacillus johnsonii易位到次级淋巴器官，刺激Th17和Th1免疫反应（图1）.F nucleatum在结直肠癌的发病机制中起作用，也可以介导对治疗的抵抗. F nucleatum以TLR4和MYD88天然免疫信号和某些微RNA为靶点，从而激活自噬途径，改变化疗反应。临床前模型还表明，微生物群通过诱导活性氧和促炎细胞因子，有助于奥沙利铂的抗癌活性和药物的痛觉过敏毒性。
除了肠道微生物对化疗反应的影响外，化疗本身也可能深刻地影响肠道内微生物的多样性和组成。对清髓化疗前后（没有接受抗生素）患者粪便样本的配对队列研究显示，严重的成分和功能失衡，减少了硬肠杆菌和放线菌，增加了蛋白质细菌，并改变了代谢。在接受强化化疗的儿科患者中，一项试验性的、安慰剂对照试验报告了益生菌全身感染率的降低，尽管这一发现需要更多验证，并且只应在临床试验中进行。
肠道微生物也可能有助于化疗的毒性，并可能反过来成为靶点。例如，腹泻是拓扑异构酶I抑制剂伊立替康的一种常见的剂量限制毒性，是由共生细菌β-葡萄糖醛酸酶将药物重新激活为其在肠道中的活性代谢物(SN-38)介导的。选择性酶抑制可能能够保护微生物，同时防止伊立替康引起的毒性。为了评估益生菌补充剂对伊立替康所致腹泻的影响，目前正在进行试验有NCT01410955,NCT02819960, NCT00197873等(表1)。
3.4 其它疗法
除了微生物组对化疗和免疫检查点阻断的影响外，还有新的证据表明，微生物组可能在其他癌症治疗，包括过继细胞治疗(ACT)和放疗的反应和毒性中发挥作用。 ACT是一种免疫治疗形式，激活的免疫细胞(T细胞或自然杀伤细胞)被转移到宿主中，直接攻击肿瘤。到目前为止，微生物群与对人类实体肿瘤的反应之间的关系还没有被报道；然而，临床前模型表明，在治疗过程中调节肠道微生物有助于以IL-12依赖的方式维持转移的T细胞。临床队列中的初步数据也支持肠道微生物群在放疗反应中的作用，观察到肠道和宫颈微生物群、免疫谱和宫颈癌放化疗反应之间的关系。
除了调节反应外，还有证据表明肠道微生物对放射治疗的毒性有作用。多项临床前研究和临床队列表明，辐射相关的粘膜损伤与微生物群和细胞因子信号的显著变化有关。此外，无菌小鼠对致命的放射性肠炎具有抵抗力，这表明辐射引起的微生物群改变具有功能作用。在临床前模型中已经显示，通过粪便微生物移植来调节微生物群，以减轻肠道辐射损伤，或使非辐射小鼠易受化学结肠炎和辐射损伤的影响。早期试验益生菌预防辐射诱导的粘液炎一直是有希望的，尽管需要更多的研究，益生菌制剂和剂量之间的异质性在这些试验中是很大的，限制了通用性。目前评估益生菌(NCT01790035,NCT02351089, NCT01579591)和合生菌（纤维和益生菌）(NCT03420443)对预防辐射引起的胃肠道毒性的影响的多项试验正在进行（表1）。
最后，肠道微生物群和其他部位，如皮肤微生物群，可能在围手术期被破坏。使用肠道制剂来限制吻合口漏的潜在后果，预防性术前抗生素的使用，防止手术部位感染的皮肤准备，围手术期饮食改变（术前禁食和术后逐渐恢复正常饮食)，以及肠动力改变(肠梗阻）的可能性可能导致细菌多样性减少和潜在致病菌的生长。这些影响对所有外科手术都有重要的影响，但鉴于微生物在癌症进展和治疗效果中的作用，需要对肿瘤切除进行额外的考虑。基于这些发现，多项研究正在开展，包括检测接受癌症手术切除的围手术期益生菌(NCT00936572,NCT03358511, NCT01895530, NCT01468779, NCT02021253)和共生菌(NCT03072641，NCT01479907)。
越来越多的临床前模型和人类队列的证据表明，肠道微生物的多样性和组成与不同形式的癌症治疗的治疗成功有关。除了提供证据支持微生物群的治疗靶向性外，这些数据还证实了肠道微生物群作为癌症治疗反应的生物标志物的潜在用途。重要的是，这一证据应与其他预测生物标志物一起考虑，包括肿瘤突变负荷和其他决定因素。
也许最令人信服的证据，关于潜在使用肠道微生物特征的反应是在一组黑色素瘤患者谁被治疗的抗PD1治疗。本研究显示，在无监督分层聚类的基础上，根据患者在基线时固有的肠道微生物群结构，将患者分离成两个不同的聚类。有趣的是，其中一个簇完全由应答者组成，其特征是具有高丰度的梭菌和低丰度的细菌，被归类为I型特征。重要的是，在多变量调整模型中，该特征仍然与反应显著相关，并优于其他已建立的预测生物标志物，如突变负荷。
这一概念是非常相关的，因为大规模的研究正在进行，以了解肠道和其他微生物在人类健康和疾病中的作用，肠道、肿瘤和其他微生物区系的分析正在纳入几种类型的癌症治疗的临床试验设计中。然而，在这些研究中需要特别提醒，因为复杂性和问题存在的适当的时间和间隔的微生物组分析（这可能是治疗依赖的），以及方法用于分析微生物群(16S测序与代谢组学与代谢组学相比)。随着我们研究的进展，收集、测序和分析管道的标准化将是至关重要的，而且微生物组也可能不是一个足够的独立生物标志物，而是最好地与其他已知和新的生物标志物结合起来。
为了最有效地理解微生物群的影响以及如何最好地调节微生物群，人们必须理解影响微生物群本身的复杂因素（图2）。大规模的基于群体的研究表明，不同的微生物群落在很大程度上是由环境因素决定的，有两项研究表明，遗传力仅占观察到的变异的2-8%。癌症治疗之外的研究表明，微生物群因种族和地理而有很大的差异，这可能进一步复杂化或模糊交叉研究比较。此外，驱动微生物群与地理和种族联系的潜在因素，包括饮食、文化规范和遗传学，也可能影响微生物群与病人健康的联系，对个性化和基于微生物群的临床应用具有重要意义。不出所料，鉴于肠道微生物群与人体宿主在营养消化中的共生关系，饮食是肠道微生物群的主要决定因素（表2）。微生物组中最具特色的饮食区别是传统农业社区的肠道微生物群与以植物为基础的饮食和在工业化国家发现的杂食动物之间的区别。饮食主要由富含纤维的植物食物（蔬菜、水果、全谷物)和加工食品(精制谷物、添加糖、反式脂肪)组成，蛋白质主要来自鱼类和植物来源(豆类和豆类），这与心血管疾病和癌症的风险降低和总死亡率降低有关。微生物组是饮食病理的关键机制，这些疾病现在已经被广泛接受。微生物衍生化合物或代谢产物能够发挥多种肿瘤抑制和免疫调节作用(如诱导Tregs、维持上皮屏障和肠道完整性、组蛋白去乙酰化酶抑制和抑制炎症)。
然而，重要的是要注意的是，仅共生细菌本身既不好也不坏；相反，我们的饮食在判断微生物是否产生有益的或有害的代谢物方面起着关键作用。例如，某些梭菌物种产生二次胆汁酸以响应膳食脂肪，或丁酸盐响应纤维。此外，虽然微生物组的组成在不同饮食的个体之间可以高度可变，但有一些保守或冗余的功能旨在支持宿主和微生物组的生存（表2）。
药物是肠道微生物群的另一个关键决定因素，特别是抗生素，它改变了微生物群的组成，降低了多样性。重要的是，在一些（但不是所有）研究中，抗生素的使用与检查点抑制反应降低和癌症人群中不利的肠道微生物群有关。虽然这一观察关联肯定会被需要使用抗生素的健康状况所困扰，但临床前模型直接表明抗生素可能损害抗PD-1的疗效。这些数据表明，在接受免疫治疗的癌症患者中，经验性抗生素的使用需要谨慎，特别是具有厌氧活性的广谱抗生素。然而，感染在癌症患者中也很常见，因此，抗生素也是降低发病率和死亡率的关键。
除了抗生素，其他药物也可能影响肠道微生物群，特别是质子泵抑制剂，但也有二甲双胍，抗抑郁药，甚至激素。最终，在对外源性和内源性因素（如饮食、生活方式和肥胖）和癌症结果的前瞻性研究中，继续研究肠道微生物对肿瘤和免疫细胞的影响可能会提高对机制的理解和治疗的准确性。
表2 膳食成分及其与微生物代谢的关系
5.1 粪菌移植
虽然粪菌移植刚刚开始在癌症的背景下被研究，但这种治疗在非生殖性胃肠疾病中得到了广泛的研究，特别是艰难梭菌感染和炎症性肠病。从粪便微生物移植在这些疾病中获得的知识可能为治疗癌症的试验设计提供参考。
通过粪菌移植，从供体或供体中移植一个完整的肠内微生物生态系统，比单一有益细菌的输送具有多种潜在优势。：
① 首先，引入的细菌的植入在整个社区移植的设置中可能更健壮，受体微生物群具有较低的竞争排斥性。
② 从生态角度来看，微生物在整个生态系统中存在着大量的功能冗余和相互依存，这是协同工作的。虽然分类群之间有相当大的重叠，已被确定为有益的，但在分类一级也有差异，这可能在功能一级减少（表2）。
③ 移植整个生态系统可以移植假定的有益细菌（这可能只是生态系统整体健康的生物标志物)和整个支持生态系统和整体多样性(表3）。
值得注意的是，在反复艰难梭菌感染的严重生物失调状态下，单次输注健康供体粪便微生物移植治疗既有利于临床，也有利于持久的微生物植入。然而，在其他疾病中，本地微生物区系没有被抗生素反复破坏，并以单一致病菌株为主，与单一粪便微生物区系移植的持久植入已证明更具挑战性。虽然使用抗生素消融可能会通过减少竞争而增加植入，但抗生素也可能产生间接影响，损害治疗反应（取决于用于重建微生物群的方法）。
最终，在设计粪便微生物移植干预措施的试验以改善对癌症治疗的反应（包括免疫检查点阻断)时，必须仔细考虑几个参数；然而，癌症方面的努力还没有进行很长时间，最佳策略尚不清楚(图3）。这些研究的供体选择将是至关重要的，可能比传统的粪便微生物移植指征更困难，其特征是严重的生物失调（如艰难梭菌）。目前正在进行几项试验，其中粪便微生物移植正在对免疫检查点阻断患者进行测试(例如，NCT03353402和NCT03341143)，这些试验都使用完全应答者供体粪便微生物移植（表1）。还提出了通过微生物组特征分析筛选患者的建议，尽管对什么是有利的微生物组与不利的微生物组还没有完全的理解；因此，这一概念需要进一步探讨。显然，早期癌症粪便微生物移植试验的一个基本和关键组成部分涉及密集的生物标志物评估（对粪便样本、血液和理想的肿瘤进行纵向取样），以评估干预对植入、整体免疫和抗肿瘤免疫的影响。
5.2 益生菌
益生菌被定义为活微生物，它被假定为给它们所给的宿主带来健康益处。益生菌可以是补充剂或发酵食品(如酸奶、Kefir、泡菜、康布查、米索或泡菜)。益生菌补充剂的优点是易于使用和可访问性；然而，随着标准化、质量控制、生物利用度和目标调制，存在着巨大的问题和变化（表3）。
最早的商业益生菌补充剂是来自食品来源的单一菌株，如乳酸杆菌、双歧杆菌和乳酸菌。这些益生菌在许多胃肠道疾病的背景下得到了很好的研究，在特定疾病的背景下，临床疗效的证据水平各不相同。然而，益生菌在其生存胃酸和定植肠道的能力上有所不同，在种类、剂量和制剂以及引入它们的宿主影响。
口服单株菌益生菌对改善小鼠抗肿瘤免疫应答的显著疗效支持癌症人群的临床研究。然而，益生菌在具有多样化的本地肠道生态系统的人类中的定植要困难得多。抗生素消融可能被用作一种所谓的肠道调理方案来增加定植，但一项研究表明，益生菌实际上可能会减少抗生素后多种微生物生态系统的重建，因此，这些方法需要在临床试验中仔细测试。
在免疫治疗的治疗环境中不试用益生菌应该被阻止，因为我们对这些微生物如何影响免疫和治疗反应的知识有局限性。此外，研究表明，质量可能有很大的差异，因为这些补充剂在欧盟和美国基本上是不受管制的。这种变异会影响这些产品的功效和安全性，特别是在易受感染的病人群体中，如癌症患者（表3）。
所谓的设计师益生菌或合成粪便已经试图结合粪便微生物移植在提供一个多样化的生态系统中的好处，其优点是能够制造这样的产品，以最小的批量变化（即一致的组成）。这些产品在反复艰难梭菌感染中的早期结果表明，有希望的稳定植入多样化的微生物群落。技术进步也支持了共生细菌的不断发展，这些细菌在传统上是不能培养成益生菌，如专性厌氧菌、发酵纤维的粪菌，这与良好的免疫治疗反应有关。最后，已经提出了后生物学（定义为具有丁酸盐等有益生物活性的微生物的代谢副产物）的测试；然而，支持这一方法的一致数据很少。
5.3 饮食和益生菌
肠道微生物群在个性化癌症医学中的作用正在形成癌症患者饮食研究的新优先事项。尽管绝望的询问和广泛认为饮食是健康的重要组成部分的信念，但没有具体或基于证据的饮食指南可与患者在诊断后分享。这一差距的部分原因是在试验和临床队列中缺乏饮食数据收集，以及缺乏前瞻性介入饮食研究，显示癌症反应和生存结果的变化。
虽然在许多研究中，特定的细菌分类群对免疫检查点阻断的反应不同(与Faecalibacteriumprausnitzii, Akkermansia muciniphila, Bifidobacterium longum和跨队列鉴定的梭菌属成员)，但不同的细菌分类群在它们与上游饮食底物和下游途径的联系上有一些共同之处（表2）。
许多食物（如加工肉类)或食物成分(如膳食纤维）已被确定增加或减少患癌症的风险。然而，似乎越来越不可能特定的食物、营养物质或其他生物活性食物衍生化合物本身是促进或抑制癌症的重要单一因素；相反，不同的饮食模式结合在一起，形成或多或少有利于肿瘤进展的代谢和炎症状态。在一系列参数和国际建议（例如，地中海饮食评分和健康饮食指数）中得分很高的饮食与患癌和死于癌症的风险大大降低有关，而且还与通过细胞毒性和T-Helper细胞降低炎症和增强免疫功能有关。然而，对于特定的饮食成分是否能有利地改变微生物群仍有相当大的兴趣（表2）。随机对照试验测试特定食物或营养物质的添加-例如，用全谷物代替精制谷物-在微生物区系和免疫功能方面表现出适度的变化。然而，几项与肠道微生物群终点有关的短期饮食研究表明，饮食的戏剧性变化(例如，将素食者置于肉类饮食或>；30%的能量限制)对微生物群以及细胞增殖等癌症生物标志物也有同样显著的影响。然而，如果饮食变化不持续，微生物区系的这些变化也同样迅速可逆。因此，需要一致的饮食变化来丰富有益细菌和塑造肠道景观；然而，改变长期根深蒂固的饮食模式是众所周知的困难。需要精心设计和控制的研究，以提高我们对饮食引起的变化对肠道微生物群组成和功能的重要性的理解，以及这些变化对癌症治疗反应的影响（表3）。
除了饮食调节外，还在微生物组和癌症的背景下研究了富含有益肠道微生物的益生菌（营养物质，如抗性纤维）的给药，如共生体(NCT01929122,NCT01549782, NCT03420443, NCT03072641, and NCT01479907；表1)。然而，与单种益生菌一样，靶向益生菌可能不会丰富微生物或其他家族的细菌的整体多样性，这些细菌可能具有互补的代谢功能（表3）。
有令人信服的证据表明，微生物组影响癌症的免疫和治疗反应，而微生物组的调控可以增强临床前模型对免疫治疗的反应。在其他疾病，包括艰难梭菌性结肠炎方面的经验表明，微生物群确实可以被成功地调节以改变病理生理学并使患者受益，针对癌症患者的这种方法的临床试验正在发展或进行中。然而，我们必须认识到，有独特的考虑因素，不同的疾病和病人群体。失调的潜在程度可能会影响调节的舒适性。因此，最佳方法是未知的，对于要使用的理想策略存在复杂性（图3）。
当然，粪菌移植在一些存在严重失调的非癌症适应症中显示出疗效；然而，这种方法可能需要在癌症患者中更多的细微差别，以选择最合适的目标人群和潜在的捐赠者。细菌联合体的管理似乎更有吸引力（要么有现成的益生菌，要么有所谓的设计师联合体）；然而，对于这种方法的有效性和这些制剂的最佳组成，存在着相当大的问题。此外，研究表明经验益生菌的高度可变定植和功能效应。因此，在临床试验之外使用现成的益生菌应该受到劝阻。最后，虽然饮食变化可能提供非目标健康益处，但饮食是否足以在癌症治疗的环境中调节目标，也需要在试验环境中显示。
虽然已经获得了关于肠道微生物在癌症治疗中的作用的重要发现，但仍然有大量的学习。这一差距包括充分识别人类肠道微生物群的组成部分，包括所有细菌以及病毒、古菌、原生动物和真菌成分，以及这些成分如何相互作用和影响以及整体免疫反应。此外，加工和分析的差异也会限制交叉研究的比较。例如，虽然多个群体已经确定了与患者和小鼠免疫治疗反应相关的特定细菌，但在这些研究中几乎没有一致性，而且不清楚这种不一致在多大程度上是由测序方法的差异(使用不同可变区域的16S或全基因组测序)或宿主与环境、饮食、肿瘤类型等相互作用的差异所驱动的，因为这些研究中的患者群体根据这些因素有很大的差异。以一种系统的，也许更关键的，标准化的方式，对更广泛的患者、疾病类型和阶段的肠道微生物群进行采样，将促进共识和进一步我们的理解。重要的是，测序技术的标准化必须发生在每一个层次的分析，从样本收集到DNA分离，到用于数据分析管道和文库选择的测序技术。最终，在不同队列中发现的特定有利细菌物种的不一致可能代表了“系统发育功能”的一个例子，这意味着微生物区系的各个组成部分不像它们的组合（而且往往是冗余的）功能那么重要。希望，检查肠道转录组、蛋白质组和代谢物将有助于这一理解。
培养单个细菌和进一步发展培养学将使我们能够研究细菌本身，而不是它们的基因组，并以计算方法根本不允许的方式接近机制。此外，开发更多和更好的小鼠模型将是帮助阐明机制的关键。虽然利用无菌小鼠进行了重要的思想改变研究，但这种模型系统还远远不够完善。事实上，无菌小鼠在局部（肠道）和全身免疫方面存在深刻的缺陷.. 此外，必须开发类似的无菌系统来研究病毒和真菌成分的影响。
最终，只有通过标准化的方法，广泛的推论分析从试验参与者获得的生物物种，以及全球整合现有的数据，我们才能得出针对癌症治疗中微生物群的可行策略。
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