Nature Biotechnology：肿瘤检测治疗新手段

去年7月，欧洲批准了第一项基于肠道微生物组的预测性临床试验。该测试名为BiomeOne，由总部位于维也纳的biotech BiomeDx开发。它分析癌症患者肠道微生物中的DNA，并预测谁最有可能获得免疫治疗的成功。该测试的预测准确率超过85%，有望指导癌症治疗，扩大免疫治疗有帮助的人群。

在B轮融资之前，Metabiomics希望启动其非侵入性结肠癌癌症检测的临床试验，该试验于2019年获得美国食品和药物管理局（FDA）的“突破性医疗器械”认定。

去年8月，另一家美国公司Viome推出了一项名为CancerDetect的测试，该测试分析唾液中的微生物群落转录组，以检测口腔和咽喉癌症。这新一代基于微生物组的临床工具有望成为非侵入性的，仅依赖粪便、血液或唾液等样本。生物科技公司正在竞相利用这些工具。

2017年，魏兹曼研究所（Weizmann Institute）的癌症生物学家拉维德·斯特劳斯曼（Ravid Straussman）发现人类胰腺导管腺癌中充满了细菌。不仅如此，其中还包括产生酶的物种，这些酶可以降解常用的癌症药物吉西他滨（gemcitabine）。这种联系是第一个表明癌症中的微生物可能影响治疗效果的证据之一。

塞皮奇·普尔（Sepich-Poore）从《癌症基因组图谱》（the cancer Genome Atlas）中搜索了20000份癌症样本的数据库，以寻找细菌的证据。他震惊地发现，在基因组集上的6万亿个读数中，多达2%是细菌，且33种癌症中都含有微生物DNA或RNA。每一种不同的癌症都有独特的微生物组合。即使是在同一组织中出现的肿瘤也可以区分：肺腺癌和肺鳞状细胞癌具有明显的特征。从诊断角度来看，血液中可以检测到肿瘤微生物片段，这为无创血液检测提供了令人兴奋的前景。其他人类病原体与癌症之间的联系也能验证：宫颈癌富含人乳头瘤病毒，肝癌与肝炎病毒相关。他们于2020年3月在《自然》杂志上发表了这一发现。

塞皮奇·普尔表示，没有一种癌症是真正无菌的，这表明可能有机会通过微生物区分癌症，因为不同的肿瘤类型有不同的微生物群与其相关。几个月后，他和奈特着手设计一种诊断系统，并推出了Micronoma研究。

结果引起了很多兴奋，但也引发了怀疑。在《Cancer cell》杂志上发表的一篇评论指出，这项工作为“开始奠定了坚实的基础”，但要想找出任何癌症中细菌或病毒之间的真正相关性真的很难。细菌覆盖了实验室的每一个表面。人们可以消毒和杀死细菌，使它们不再具有传染性，但这并不能在实验的各个阶段去除细菌DNA的碎片。观察复杂的混合物会降低信号强度，而在肿瘤中寻找一种信号强的微生物，如子宫颈癌症中的人乳头瘤病毒，则更为可靠。

尽管有这样的担忧，但研究仍不断提出更多证据，证明肿瘤体内有自己的微生物群落。斯特劳斯曼的小组发表了类似的结果。该小组从1500个肿瘤样本中获得了组织，并使用免疫组织化学技术显示细菌位于肿瘤细胞内。他们创建了一个包含七种癌症的目录，并确认肿瘤类型具有特定的微生物特征。这项研究得到了数百项对照的验证，以排除污染。

一年后，他们发表了一项关于人类黑色素瘤转移的研究，该研究暗示了肿瘤微生物群的存在与疾病进展之间的潜在机制联系。他们表明，癌症细胞表面以及抗原呈递细胞上存在数百种源自肿瘤内微生物的肽（如下图）。这提高了这样一种可能性，即肽既可以通过呈递在抗原呈递细胞上引发免疫应答，也可以通过驻留在肿瘤上而成为免疫系统的目标。这项研究进一步显示了肿瘤内细菌如何通过参与免疫系统来影响免疫治疗的反应。

尽管不断的研究表明微生物组与肿瘤之间存在联系，但哈佛大学的Huttenhower警告说，虽然这是一个很酷的想法，但这比粪便微生物测序等更可靠的方法要脆弱得多。Huttenhower将研究重点放在肠道微生物组及其在导至结肠癌症中的作用上。研究人员已经能够找到肠道特定微生物与癌症的联系，且研究肠道微生物组的工具已经得到了磨练和完善。

肠道中整个微生物群落与癌症之间的联系已经发现，群落组成随时间的变化，甚至是单个物种与癌症之间的联系。例如，某些种类的硫化物产生菌与癌症的高风险相关，因为它们会产生引发炎症的硫化物。迄今为止，科学家们已经找到了十几种可能促进肿瘤生长和形成的细菌。研究肠道细菌的另一个优势是肠道细菌的数量和密度。肠道细菌的浓度高于体内所有其他微生物群，包括口腔和血液。

由于这些优势，基于肠道微生物组的测试正在引领潮流。BiomeDx开发了他们的预测工具BiomeOne，结合了生物信息学和人工智能，他们对10000名患者的粪便微生物组数据集进行了训练。该测试着眼于1400多个物种的16S核糖体RNA序列，灵敏度超过85%，适用于三种晚期癌症患者：非小细胞肺癌、肾细胞癌和恶性黑色素瘤。使用机器学习，该测试创建一个微生物特征，显示对基于检查点抑制的癌症免疫治疗产生反应的可能性及免疫相关不良事件的概率。

除了预测之外，公司也在开发非侵入性诊断。Metabiomics的结肠癌症筛查试验，称为LifeKit，使用生物信息学方法，分析粪便样本中与结肠息肉（癌前腺瘤）和癌相关的微生物生物标记物。如果它成功通过临床试验和FDA批准，该测试将使医生能够无创地区分息肉和癌症。

算法通常在小规模训练研究和在普通人群中部署之间的过渡中失败。小规模的培训人群通常集中在癌症患者中，不能准确反映癌症发病率很低的普通人群。比如在筛查乳腺癌症或前列腺癌症时，如果你在癌症发病率低的健康人群中开始筛查，你会得到很多假阳性。

开发这些测试的公司可以从FDA批准的非侵入性Cologuard测试中吸取教训，该测试在2014年获得FDA批准之前经过了严格的验证研究。由前梅奥诊所胃肠病学家David Ahlquist和Exact Biosciences公司领导的团队招募了10000名参与者，其中65%患有结肠癌症，8%患有晚期癌前病变。他们设计了对照组，以与临床实践中的样本采集一致的方式采集粪便样本。该测试结合了癌症突变和甲基化模式的分子检测，并与粪便免疫化学测试进行了比较。研究发现Cologuard试验的敏感性为92%，而粪便免疫化学试验的敏感性仅为74%。基于微生物组的诊断需要经过同样严格的测试才能获得FDA的批准。

细菌群落并不是影响癌症的唯一侵入者。Sepich-Poore和加州大学圣地亚哥分校魏茨曼科学研究所的合作者从四个癌症队列中筛选了17000份组织和血液样本，以寻找真菌群落的证据。通过结合开放式和靶向测序技术，发现了无处不在的真菌。尽管真菌的丰度低于细菌，但在他们筛选的所有35种癌症中都存在真菌。最令人惊讶的是，尽管真菌遗传物质比细菌少，但其来源生物在确定肿瘤类型方面提供了信息。他们在《细胞》杂志上发表了研究结果。

初创公司Viome启动了一项基于唾液的测试，声称通过分析微生物和人类RNA来检测口腔和咽部癌症，在2021获得的FDA“突破性医疗器械”认定下作为实验室开发的试验进行销售。基于来自100多个国家的50万人样本的数据，它对早期癌症的敏感性为83%，对1期癌症的敏感性达92%，特异性高达98%。但该测试的灵敏度太低，无法用于普通人群的筛查，会导至许多假阳性。无法想象任何人在没有金标准活检的情况下接受癌症治疗。

经过二十年的深入研究，微生物组的知识可能最终使临床上有用的工具成为可能。多亏了宏基因组学等新一代测序技术和人工智能等计算工具，科学家们正在寻找能够告知癌症诊断甚至治疗反应的微生物特征。这些方法尚未得到验证，但它们可能提供一个新的武器库，用于对抗癌症。不过，首先，测试必须经过验证。

约翰斯·霍普金斯大学的计算生物学家史蒂文·萨尔茨伯格说：“我认为这些当然值得做。”“但你必须对你的发现持怀疑态度。”在它们被广泛采用之前，该领域需要验证、复制和大型金标准试验。