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2021年2月9日，來自南京大學的董磊教授團隊在細胞出版社旗下期刊Cell Reports上發(fā)表Smectite promotes probiotic biofilm formation in the gut for cancer immunotherapy的研究，研究人員基于蒙脫石對乳桿菌形成生物膜的特殊支持作用，開發(fā)出一種促進益生菌在腸道定植并進一步激活樹突狀細胞的新策略，并初步證明了其應用于腫瘤免疫治療的良好效果。

人的腸道中生活著數萬億的共生細菌，對于維持機體的正常功能發(fā)揮重要作用。一方面，當生理環(huán)境發(fā)生變化，打破腸道菌群的平衡，會加速包括癌癥、腸炎、肥胖等多種疾病的發(fā)生發(fā)展。另一方面，腸道菌群中的乳桿菌、雙歧桿菌等益生菌，本身具有激活宿主免疫，增強機體對腫瘤免疫療法響應的作用。因此，使用益生菌調控免疫系統(tǒng)是一種具有潛力的抗腫瘤策略。目前常用到補充益生菌的方法主要是口服益生菌和糞菌移植，但前者難以在腸道定植，后者存在病原菌感染的風險。開發(fā)新的、安全而有效的在體內定植益生菌的方法十分重要。

研究者首先測試了口服蒙脫石后小鼠腸道微生物群的變化，發(fā)現蒙脫石處理組的小鼠具有更高的乳酸菌和雙歧桿菌比例。掃描電鏡顯示，體外培養(yǎng)的蒙脫石與不同細菌的微球，僅乳桿菌和雙歧桿菌能夠在蒙脫石顆粒表面形成生物被膜結構。這是由于蒙脫石具有離子交換微觀結構，可選擇性促進代謝產生乳酸的乳酸菌在其表面上形成生物膜，為乳酸菌抵抗不利環(huán)境提供保護。隨后，研究者證明了口服蒙脫石能夠通過改變小鼠腸道菌群、發(fā)揮抑制腫瘤生長的作用。并且，考慮到腸道中固有益生菌的數量較少，研究人員在體外構建了蒙脫石-乳酸菌微球，并喂食黑色素瘤模型小鼠，顯示出了比單獨使用蒙脫石或乳桿菌更顯著的抗腫瘤效果。

那么，定植的乳酸菌是如何發(fā)揮作用的呢？研究者在初步機制探索的基礎上，進一步使用TLR2基因敲除小鼠和報告細胞模型，揭示了蒙脫石-乳酸菌微球在腸道中，通過TLR2受體介導樹突狀細胞（DCs）的成熟，刺激CD8+T細胞的增殖,上調細胞因子IL12,IFN-γ等的表達。更為有趣的是，這一機制可將成熟的DCs從腸道組織驅動到腫瘤中，發(fā)揮抗腫瘤作用。最后，為考察這一發(fā)現的應用潛力，研究者將蒙脫石-乳酸菌微球與化療或免疫治療聯合使用。在小鼠模型中，與單獨使用蒙脫石-乳酸菌微球、阿霉素或PD-1抑制劑相比，蒙脫石-乳酸菌微球聯合阿霉素或抗小鼠PD-1抗體均表現出更好的抗腫瘤效果。

作者專訪

Cell Press細胞出版社特別邀請論文通訊作者之一董磊教授進行了專訪，請他為大家進一步詳細解讀。

CellPress：首先，請問您為什么會考慮使用蒙脫石這種抗腹瀉藥物促進益生菌在腸道的定居？

董磊教授：蒙脫石作為用來治療腹瀉等胃腸道疾病的藥物，已經在臨床上使用了很多年，通常認為蒙脫石是通過吸收水分，調節(jié)滲透壓，吸附有害微生物等方式達到治療腹瀉的效果。但如果你仔細思考這個機制解釋就會發(fā)現其中的不合理之處：腹瀉時的水分滲出量是很大的，有害菌也會不斷增殖，而患者口服蒙脫石的劑量是有限并且相對很小的。一個有限的吸附作用如何能控制住相對無限的致病菌和水分的滲出呢？

所以我們一開始是想考察一下蒙脫石對腸道菌群有沒有比較整體的影響。檢測結果讓我們十分震驚，服用蒙脫石的動物腸道內的乳酸菌和雙歧桿菌大幅增加，我們在體外培養(yǎng)物理進一步驗證了這個結果，體外培養(yǎng)糞菌如果加入蒙脫石，培養(yǎng)物里幾乎全部都是乳酸菌。這個現象一方面解釋了我們上面對蒙脫石藥物作用機制的疑惑，促進益生菌增殖顯然可以有效控制有害菌的增殖，進而治療腸道感染；另一方面，我們對蒙脫石特異性促進乳酸菌和雙歧桿菌增殖的現象十分好奇，于是就進行了深入研究，發(fā)現了蒙脫石對產酸的益生菌的響應性吸附以及促生物膜發(fā)育過程。在弄清楚機制之后，就很容易想到，可以利用蒙脫石這么一個長期使用的OTC藥物來促進益生菌的腸內定植，來解決益生菌臨床使用中的基本問題，于是就有了我們文章中的這個比較完整的研究。

CellPress：在體外實驗中，雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌在蒙脫石表面形成生物膜，而枯草芽孢桿菌和大腸桿菌則沒有。產生這種特異性的原因是什么？

董磊教授：蒙脫石由于獨特的陽離子交換特性，能夠在酸性環(huán)境交換出離子層間的Ca2+、Mg2+離子，這些陽離子因蒙脫石的負電性聚集在其表面。雙歧桿菌和嗜酸乳桿菌都屬于一類能夠通過代謝產生乳酸的細菌，乳酸在益生菌和蒙脫石之間形成酸性微環(huán)境，使細菌表面上帶負電的磷壁酸被蒙脫石表面的陽離子所吸引，使這些細菌得以聚集以利于其形成生物膜結構，而枯草芽孢桿菌和大腸桿菌等，由于不能產生乳酸而形成酸性微環(huán)境，導致無法在蒙脫石表面聚集吸附，因此無法形成生物被膜。但微生物與環(huán)境作用的過程十分復雜，也不能排除有其它的影響因素，我們的后續(xù)研究還在繼續(xù)挖掘這一機制。

CellPress：為什么蒙脫石-乳酸菌生物膜（SLB）復合物具有對抗胃酸和消化酶的強保護作用？

董磊教授：SLB對乳酸菌的保護作用其實主要來自于乳酸菌在蒙脫石表面形成的生物膜（biofilm）。生物膜是細菌和其分泌的基質形成的復雜結構。生物膜的基質部分在材料學結構上比較類似于水凝膠（hydrogel），水凝膠是親水大分子有序組裝成的框架結構，框架中間充滿“被固定”的水份，能有效保護內部環(huán)境的穩(wěn)定。同時細菌在生物膜內群居，細菌個體之間的互相溝通更加方便，可以互通有無，甚至在功能上有某些程度的分化，進一步增強了對環(huán)境的適應能力。生物膜里的微生物整體上對不良生存環(huán)境的抵抗能力比單個細菌要高出上千倍。這是SLB內的乳酸菌能夠對抗消化道內的酸和酶的影響的根本原因。

CellPress：能否詳細說明SLB的抗腫瘤作用與T細胞免疫反應的激活有什么聯系？

董磊教授：基于我們的研究結果，我們目前對這個過程的解釋是SLB在腸道內促進了DC細胞的成熟，成熟的DC細胞增強了腫瘤抗原的提呈，并通過IL-12等細胞因子的釋放，招募細胞殺傷T細胞至腫瘤部位，進而激活T細胞免疫，殺滅腫瘤細胞。

SLB的活性還是來自于益生菌。益生菌的活性機制目前有很多解釋，除了與我們的解釋類似的，通過菌體直接作用于免疫細胞之外，還有益生菌通過產生某些代謝產物來活化免疫的研究。綜合現在這個領域的研究來看，益生菌活化抗腫瘤免疫的效果是十分確定的，已經有大量基礎和臨床的研究報告證實了這一點。但對這一過程的發(fā)生機制還存在不同解釋?？紤]到微生物與人體的相互作用的復雜性和動態(tài)性，其作用機制很可能是一個多因素的協(xié)同過程，并且與具體的病理生理過程有關，因此還需要更深入、更系統(tǒng)的研究來進行分析闡明。

CellPress：為什么TLR2是調節(jié)SLB抗癌活性的關鍵？

董磊教授：根據現有的研究報告，TLR2受體是介導革蘭氏陽性細菌(如乳酸菌和雙歧桿菌)刺激免疫細胞的關鍵受體。SLB上的乳酸菌在腸道中通過與樹突狀細胞表面的TLR2受體接觸，激活樹突狀細胞的分化及成熟，成熟的樹突狀細遷移至腫瘤部位，通過腫瘤抗原提呈、促進免疫細胞浸潤、提高殺傷腫瘤細胞因子釋放等方式，發(fā)揮抗腫瘤活性。

CellPress：SLB對于不同腫瘤的治療效果是否存在差異，為什么？

董磊教授：SLB對于不同的腫瘤的治療效果存在差異，這與免疫系統(tǒng)對不同腫瘤的響應相關。我們之所以選擇以惡性黑色素瘤作為主要模型，是由于在既往研究中惡性黑色素瘤表現出來對益生菌療法的敏感性。同時，我們也測試了SLB在乳腺癌模型小鼠中的治療效果，發(fā)現，雖然單一的SLB治療在乳腺癌模型中效果不明顯，但在聯合PD-1抗體治療時，SLB還是能夠發(fā)揮不錯的效果。因此，雖然單一的SLB在不同腫瘤治療中效果存在差異，但其與其他藥物聯合治療腫瘤的方案的潛力是巨大的。

結語

這一研究，基于蒙脫石對乳桿菌形成生物膜的特殊支持作用，開發(fā)出一種促進益生菌在腸道定植并進一步激活樹突狀細胞的新策略，并初步證明了其應用于腫瘤免疫治療的良好效果。由于蒙脫石作為腹瀉類藥物已在全球應用近半個世紀，相關的安全性數據較為充足，使得這種方法具有很高的臨床轉化潛力。

該研究得到國家自然科學基金、澳門科學技術發(fā)展基金的支持。第一作者為南京大學博士研究生韓叢薇，通訊作者為南京大學董磊、張峻峰和澳門大學王春明。南京大學研究生宋金戟、胡俊青、傅蕙潔、興振與澳門大學研究生馮雁賢、母若雨，濠江博士后學者王珍珍、王琳濤等亦作出重要貢獻。

相關論文信息

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▌論文標題：

Smectite promotes probiotic biofilm formation in the gut for cancer immunotherapy

▌論文網址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00019-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.108706

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