直腸癌是全球癌症相關死亡的主要原因之一，約佔所有癌症相關死亡的3.2%【1】。據統計，每年全球有超過70萬的直腸癌新發病例，且超過30%是預後不良的晚期患者【2】。新輔助放化療聯合全直腸系膜切除術已成為局部晚期直腸癌（locally advanced rectal cancer）的標準治療方法【3，4】，但不同的局部晚期直腸癌患者對新輔助治療的敏感性不同，只有15-27%的患者能達到病理完全緩解（pathologic complete response），仍有20-40%的患者腫瘤退縮不明顯甚至對治療完全無響應【5，6】。因此，解析局部晚期直腸癌患者對新輔助放化療響應異質性的機制，精準篩選對新輔助治療響應的局部晚期直腸癌患者已成為直腸癌治療領域亟待解決的重要臨床及科學問題！
放化療能通過破壞腫瘤細胞的 DNA 來控制其惡性增殖。雙鏈斷裂被認為是放化療誘導的細胞殺傷過程中最主要的 DNA 損傷，腫瘤細胞對放化療的敏感性在很大程度上取決於它們對放化療所致的 DNA 損傷的修復能力【7】。DNA修復能力受微環境中各種代謝因素的影響。越來越多的證據顯示，作為宿主新陳代謝的關鍵參與者，腸道微生物能通過誘發炎症和免疫反應影響結直腸癌的發生髮展【8】，其菌群組成也被報道能影響腫瘤細胞響應治療的敏感性【9，10】。然而，這些腸道菌群的改變如何影響直腸癌新輔助放化療療效及其內在的調節機制仍不清楚。
2022年12月22日，北京大學腫瘤醫院詹啟敏院士課題組和王維虎教授團隊合作在Cancer Cell上發表題為Gut microbiota-mediated nucleotide synthesis attenuates the response to neoadjuvant chemoradiotherapy in rectal cancer的文章，從宿主-菌群相互作用角度，揭示了腸道微生物對局部晚期直腸癌新輔助放化療療效影響的分子基礎。
研究團隊首先納入了126例在北京大學腫瘤醫院放射治療科接受新輔助放化療的局部晚期直腸癌患者，收集了治療前、中、後及療效評估等不同階段的353份糞便標本（圖1），通過16s rRNA擴增子測序，發現新輔助治療後直腸癌患者腸道微生物的多樣性顯著降低，並且在放化療後的直腸癌患者腸道微生物中發現為腸道細胞提供關鍵能量來源的菌群丰度發生改變，從腸道微生物的角度拓寬了人們對直腸癌治療中放化療作用的理解。
為了進一步確定腸道微生物變化與患者放化療響應的關係，研究團隊根據NCCN腫瘤退縮分級指南和客觀響應將患者分為響應和無響應組，通過宏轉錄組分析發現普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus）和核苷酸生物合成通路在無響應組得到顯著富集，腸道微生物的代謝組和靶向代謝物的丰度分析亦發現與核苷酸生物合成相關的代謝物在非響應組顯著升高，多組學整合分析發現普通擬桿菌（B. vulgatus）對非響應組顯著升高的核苷酸生物合成發揮了主導作用。
體外細胞實驗證實核苷補充可保護腫瘤細胞免受5-氟尿嘧啶和電離輻射的損傷，通過阻斷嘧啶或嘌呤從頭生物合成，能降低腫瘤細胞的生存，而外源性核苷的補充能夠抵消化療藥物對嘧啶或嘌呤從頭生物合成的抑制，使得降低腫瘤細胞DNA雙鏈損傷從而存活。進一步利用核苷轉運蛋白的抑製劑阻斷外源性核苷攝取能夠減弱核苷混合物對5-氟尿嘧啶或電離輻射的保護作用，抑制電離輻射後DNA雙鏈損傷的修復，證實了外源性核苷補充能夠幫助腫瘤細胞從腫瘤治療的打擊中存活下來。
體內動物實驗證明核苷的補充能有效降低小鼠皮下移植瘤電離輻射後的DNA損傷。為了更好的模擬臨床患者結直腸腫瘤與腸道微生物之間的交互作用，研究團隊進一步將MC38細胞接種到小鼠盲腸腸壁，建立了原位結直腸癌模型。發現普通擬桿菌（B. vulgatus）灌喂顯著減弱了5-氟尿嘧啶對腫瘤治療的效果，而這種減弱可以被核苷轉運蛋白的抑製劑逆轉。這些結果表明，普通擬桿菌（B. vulgatus）介導的核苷酸生物合成有助於原位結直腸腫瘤抵抗5-氟尿嘧啶治療的損傷。
通過對直腸癌患者放療後腫瘤組織的轉錄組進行基因集富集分析發現參與DNA修復和核苷轉運相關的基因在無響應腫瘤中表達增加，靶向代謝物分析發現放化療後無響應的直腸癌患者的血漿和腫瘤組織中與核苷生物合成相關的代謝物水平增加。血清中的尿酸是外源和內源性嘌呤分解的代謝物，其丰度會隨核苷酸生物合成活性的變化而波動，研究團隊進一步分析了735名患者的2205份血清樣本，發現與響應者相比，在放化療後無響應的直腸癌患者血清中尿酸水平升高，且血清尿酸水平與接受新輔助放化療後局部晚期直腸癌患者的不良預後顯著相關，提示血清尿酸水平是一個潛在的用於評估直腸癌患者放化療預後的標誌物。
綜上所述，本研究發現普通擬桿菌（B. Vulgatus）介導的核苷酸合成能通過促進腫瘤細胞的DNA修復影響局部晚期直腸癌新輔助治療的療效，揭示了腸道微生物影響直腸癌新輔助治療療效的機制，證實了在腫瘤治療過程中研究腫瘤細胞和腸道微生物交互作用的重要性。
北京大學腫瘤醫院滕花景、王嫣和隋鑫為該論文的共同第一作者，詹啟敏院士與王維虎教授為共同通訊作者。
圖1 研究流程及研究概要
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ccell.2022.11.013
