直腸癌是最常見的消化係統腫瘤之一，全球每年新發病例超70萬，且其中30%為局部晚期患者，生存預後差[1]。
新輔助放化療(nCRT)聯合手術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性，僅有15%-27%的患者經nCRT治療後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[3]。
因此，明確局部晚期直腸癌對新輔助放化療耐藥的機製已成為直腸癌治療領域需迫切解決的關鍵問題。
新輔助放化療主要通過破壞腫瘤細胞的DNA複製抑製其增殖，腫瘤細胞對放化療的敏感性很大程度上取決於DNA同源重組和鏈間修複的能力，而DNA修複則會受到微環境中各種代謝因素的影響[4]。
作為宿主代謝的主要參與者，腸道菌群可調控癌症對治療的敏感性。有研究表明，腸道菌群的組成與局部晚期直腸癌患者對nCRT的治療反應有著密切聯係[5]，然而具體機製仍不清楚。
近日，由北京大學腫瘤醫院詹啟敏、王維虎領銜的研究團隊在Cancer Cell發表了一項重要研究成果。
這項研究通過16S rRNA、宏轉錄組和代謝組學分析發現，普通擬杆菌(Bacteroides vulgatus)介導的核苷酸合成通過促進腫瘤細胞的DNA修複減弱了局部晚期直腸癌對nCRT的反應，且尿酸可作為預測直腸癌患者nCRT治療反應的生物標誌物[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製，並鑒定出了可預測其治療反應的生物標誌物。
為明確局部晚期直腸癌患者行nCRT後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，分別在治療開始後2周、治療結束後3天內和治療結束後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)，並發現糞便微生物的多樣性在放化療後顯著降低。
為明確nCRT治療對微生物群的影響，研究人員比較了nCRT治療前後微生物群的變化，發現擬杆菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes)發生了顯著改變，其中擬杆菌在nCRT治療之前的樣品中顯著富集，而厚壁杆菌在nCRT治療之後的樣品中顯著富集(圖2)。
為進一步探究糞便微生物群變化與nCRT治療反應之間的關係，研究人員首先根據NCCN腫瘤退縮分級指南和治療客觀響應將患者分為應答組(n=84)和無應答組(n=32)。結果發現，在nCRT治療後的樣品中，普通擬杆菌在無應答組中富集度排名第一，表明普通擬杆菌可能與結直腸癌對nCRT的治療反應有關。
隨後，詹啟敏團隊深入分析了宏轉錄組數據，對應答組和無應答組之間代謝產物豐度進行了分析，結果發現核苷酸合成相關的模塊在nCRT治療後的無應答組中顯著富集，且代謝組學表明nCRT治療後的無應答組中核苷酸生物合成相關的底物豐度明顯升高。
為探明導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據進行了無偏倚綜合分析，發現這些與核苷酸合成相關的代謝物是受擬杆菌屬調節，進一步分析表明，普通擬杆菌在核苷酸從頭生物合成途徑中起主導作用。
然後，詹啟敏團隊發現向結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的細胞死亡，使用布喹那(Brequinar)或黴酚酸(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，他們通過核苷轉運蛋白抑製劑(NBMPR)阻斷了核苷攝取，並發現NBMPR可降低外源性核苷加入導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”。
接下來為探明結直腸癌中普通擬杆菌介導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，構建了原位結直腸癌模型，發現普通擬杆菌灌喂可顯著減弱5-氟尿嘧啶對結直腸癌的治療效果，而這種減弱可以被NBMPR逆轉。
這一結果再次證明了普通擬杆菌介導的核苷酸生物合成可以幫助腫瘤細胞抵禦5-氟尿嘧啶治療造成的損傷。
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，於是詹啟敏團隊想知道尿酸是否可以作為預測nCRT療效的生物標誌物。
在分析了2205份血清樣本後，詹啟敏團隊發現，與對nCRT治療有反應的患者相比，對nCRT治療無反應的患者血清尿酸水平更高，且治療後血清尿酸水平每增加1μM，預後不良的風險就會增加0.46%，ROC曲線表明，以尿酸為指標預測直腸癌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象，揭示了腸道普通擬杆菌可通過介導核苷酸合成促進直腸癌nCRT治療耐藥的分子機製，並據此尋找到可預測nCRT治療效果的生物標誌物，對直腸癌精準治療有著很高的指導意義。
