В организме человека постоянно присутствует множество микроорганизмов: грибов, бактерий, вирусов, архей и др., создающих его микробиоту. Подавляющее большинство этих организмов, не будучи болезнетворными захватчиками, являются комменсалами, т.е. микроорганизмами, единственным домом которых является хозяин. Они играют существенную роль в поддержании здоровья человека, но изменение микробиоты путем сложных молекулярных механизмов может привести к развитию различных заболеваний, в том числе злокачественных новообразований. В то же время широко изучаются возможности использования микробиоты в практической медицине. Приведено сокращенное содержание статьи, в которой обобщены данные, посвященные практическим вопросам использования особенностей микробиоты в качестве маркера канцерогенеза и диагностики опухолей, а также рассмотрены перспективные подходы ее применения в комбинированном лечении и профилактике рака. Полностью статья опубликована в Российском биотерапевтическом журнале [1].
Попытки связать канцерогенез с микроорганизмами и использовать эту связь для лечения онкологических заболеваний предпринимались многократно, но широкого распространения они не получили ввиду несовершенства микробиологических методик и тяжелых токсических осложнений. В настоящее время на основе молекулярно-генетических данных о механизмах канцерогенеза и идеи метаболического единства организма с его обитателями, произошел возврат интереса к пониманию роли микробного фактора в физиологии и патологии человеческого организма, в том числе в развитии злокачественных опухолей. Известно, что микробное
сообщество (бактерии, вирусы и грибы), обитающее как вне опухоли, так и внутри нее, обладает иммуномодулирующим действием, способным через влияние на врожденный и адаптивный иммунитет подавлять или стимулировать злокачественный рост. Это создает новые направления для терапии и профилактики онкологических заболеваний. Для исследования этих вопросов в настоящее время разработаны методики, позволяющие не только количественно оценивать микробиом, но и характеризовать его функциональную активность.
Особенности профиля микробиоты — маркер канцерогенеза
Качественные и количественные изменения состава микробиоты при патологических состояниях логично привели к обоснованию возможности их использования в качестве маркеров опухолевого процесса в организме человека для определения риска, ранней диагностики онкологических заболеваний, клинического применения и прогноза широкого спектра опухолей. Например, микробиота ротовой полости представляет собой легкодоступный биомаркер риска заболевания, охватывающий биологические, поведенческие и экологические факторы. Использование ее для ранней диагностики представляется перспективным, в первую очередь, при опухолях полости рта, т.к. в случае их распространенных и запущенных форм даже применение современных комбинированных методов лечения не оказывает существенного влияния на 5-летнюю выживаемость больных.
Ось микробиома полости рта и кишечника, играющая существенную роль в регулировании патогенеза различных заболеваний, в первую очередь в системе ЖКТ, включая возникновение злокачественных новообразований (ЗНО), позволяет рассматривать изменения микробиоты в этих органах в качестве клинического биомаркера диагностики и прогноза опухолей.
Весьма вероятное участие дисбиоза оральной микробиоты в генезе колоректального рака (КРР) не только предполагает потенциальную связь между дисбиозом микробиома полости рта и КРР, но и обосновывает возможность использования микробиоты полости рта для прогнозирования рисков развития аденомы прямой кишки и КРР.
Перспективным направлением использования состава микробиоты для ранней диагностики доброкачественных и злокачественных новообразований органов пищеварения является анализ кала. Многочисленные данные, иллюстрирующие вероятное участие микробиоты кишечника в патогенезе опухолей отдаленных органов, предполагают использование характеристики ее количественного и качественного состава для оценки патологии этих органов. На основе секвенирования 419 образцов кала больных гепатоцеллюлярной карциномой (ГЦК), циррозом печени и здоровых лиц, проживавших в разных географических районах Китая, был охарактеризован микробиом кишечника обследованных лиц, идентифицированы микробные маркеры и построен их классификатор. Микробное разнообразие в фекалиях и изменение состава микробиоты нарастало с тяжестью патологии. Характерным было уменьшение числа бактериальных родов, продуцирующих бутират, и увеличение продуцентов липополисахаридов. Идентифицировано 30 возможных микробных маркеров, характеризующих разную патологию печени и степень ее тяжести, что позволяет рассматривать их в качестве потенциальных неинвазивных инструментов для ранней диагностики ГЦК.
Участие микробиома ЖКТ посредством оси кишечник-печень также показано в патогенезе рака желчевыводящих путей и желчного пузыря. По механизму этой оси бактериальная флора кишечника влияет на состав жирных кислот, которые в свою очередь регулируют ее популяцию. Для этих опухолей, часто выявляемых на поздней стадии и характеризующихся плохим прогнозом, рассматривается аналогичный, как и в случае ГЦК, подход для ранней диагностики, прогноза и, возможно, терапии на основе различия в составе и микробном разнообразии биоты при разных стадиях заболевания. Сопоставление микробиоты кала и метаболитов сыворотки, взятых у больных раком легкого (РЛ) и здоровых, показало, что некоторые метаболиты (глицерофосфолипиды и имидазопиримидины), ассоциированные с определенными видами кишечных микроорганизмов, также могут быть возможными диагностическими биомаркерами РЛ. Прослеживается активное участие в патогенезе многих опухолей H.pylori и F. nucleatum, которые на данный момент могут рассматриваться как наиболее вероятные маркеры повышенного онкологического риска ряда локализаций. Обоснованно можно предполагать, что с прогрессом в области метагеномных исследований их количество будет расти.
Микробиота в противоопухолевой терапии
Иммунная система играет ключевую роль в ингибировании опухолевого процесса. В последнее время иммунотерапия широко используется в качестве метода лечения пациентов с различными видами рака. Набирает популярность блокада иммунных контрольных точек (ИКТ) с использованием антител, таких как анти-PD-1, анти-PD-L1 и анти-CTLA-4 и их лигандами. Они расположены на поверхности нормальных клеток и служат для распознавания иммунной системой и защиты от аутоиммунных заболеваний. Отсутствие таких рецепторов в опухолевых клетках способствует их уничтожению, а наличие является одним из механизмов ускользания от иммунного надзора. Таким образом, задачей данного метода терапии является избирательная блокада ИКТ на опухолевых клетках. Использование антител, анти-PD-1, анти-PD-L1 и анти-CTLA-4 позволяет блокировать ИКТ опухолевых клеток. Микроорганизмы способны инициировать и активировать гуморальные и адаптивные иммунные реакции, модулируя противоопухолевый иммунитет хозяина и тем самым влияя на эффективность ингибитора ИКТ.
Все больше данных свидетельствует о том, что микробиом кишечника может способствовать позитивным результатам лечения: повышать эффективность терапии, снижать тяжесть побочных эффектов посредством нормализации микробиоты кишечника, например, пересадкой фекальной микробиоты, пробиотической терапией. В этом отношении исследования микробиома определяют новое направление улучшения ответа на системную терапию, которое активно разрабатывается, например, для терапии рака поджелудочной железы (РПЖ), отличающегося низкой выживаемостью пациентов и резистентностью к химиотерапии.
Механизмы, посредством которых микробиота может влиять на терапевтический эффект, разнообразны. Они включают: стимулирование воспаления, сопровождающееся выработкой провоспалительных цитокинов; конкуренцию микроорганизмов за питательные вещества при их проникновении в солидную опухоль; секрецию бактериями бактериоцинов, проявляющих противоопухолевую активность и способных действовать как синергические агенты по отношению к противоопухолевым препаратам.
Весьма перспективным является использование так называемых бактериальных нановезикул (БНВ), представляющих собой внеклеточные образования, продуцируемые бактериями, в качестве носителей противоопухолевых агентов в терапии опухолей. Эти образования секретируются мембранами как комменсальных бактерий и пробиотиков, так и патогенных. В бактериальном сообществе БНВ кишечной микробиоты играют важную роль в регуляции ее баланса.
Еще одно направление использования бактерий привлекает в настоящее время внимание исследователей, а именно, разработка композитных биопленок, которые могут сочетать свойства различных типов клеточных мембран для формирования многофункциональных систем эффективной адресной доставки в опухоль лекарств в форме нанопрепаратов, представляющие собой БНВ. Большой интерес представляют искусственно создаваемые гибридные мембраны из оболочек везикул бактерий и соматических клеток. Так, сочетание БНВ с наружной мембраной клеток опухоли позволило создать везикулу, которая кроме лекарственной нагрузки вызывала отторжение опухоли после поглощения клетками меланомы, поскольку иммунные клетки хозяина реагировали на бактериальные антигены на поверхности опухолевых клеток, поглотивших гибридные БНВ.
Противоопухолевые вакцины, сконструированные на основе эукариотических-прокариотических систем, также оказались эффективными в экспериментах на животных при многих видах опухолей, в частности, полученные путем слияния мембраны опухолевых клеток с цитоплазматической мембраной E. coli. Фрагмент бактериальной мембраны быстро распознавался иммунной системой, что вызывало опухолеспецифический иммунный ответ, приводило к лизису опухоли и предотвращало рецидив. Все это открывает новые возможности для развития инновационных технологий доставки лекарств в опухоль и улучшения терапевтического эффекта.
Следует отметить также и проблемы, препятствующие широкому применению бактериальной терапии опухолей. Одна из них заключается в трудности подбора оптимальной дозы бактериального препарата. Слишком высокая может вызвать тяжелое инфекционное заболевание, а слишком низкая не будет эффективна. Другая проблема состоит в том, что этот вид лечения чаще всего не приводит к полному лизису опухоли и его приходится комбинировать с химиотерапией, что значительно усложняет процесс.
Микробному фактору отводится существенная роль в современных терапевтических подходах, называемых персонализированной медициной, в которой он, по-видимому, является одним из наиболее интересных аспектов будущих исследований и рассматривается как важная перспектива лечения онкологических заболеваний
Микробиота и профилактика рака
Изменять состав микробиоты кишечника, регулирующий метаболический и иммунный статус организма, могут определенные диетические схемы (например, животная, вегетарианская или средиземноморская диеты), отличающиеся содержанием белка, витаминов и глюкозы, и влияющие в конечном итоге на индекс массы тела, который коррелирует с заболеваемостью и прогнозом опухолей различной локализации. Это приводит к идее использования микробиоты не только в лечении, но и профилактике рака. В набор средств воздействия на микробиоту человека могут входить микробные добавки, такие как пробиотики (живые полезные бактерии, которые могут восстановить дисбиотическую микробиоту), пребиотики (пищевые волокна, не перевариваемые пищевыми ферментами организма человека, но перерабатываемые полезной микрофлорой кишечника), синбиотики (содержат комбинацию из пробиотиков и пребиотиков), антибиотики. Изменение состава микробиоты кишечника с помощью этих добавок может быть важным вспомогательным средством лечения ожирения, являющегося значимым фактором риска ряда ЗНО.
Фруктоолигосахариды и галактоолигосахариды — две важные группы пребиотиков, благотворно влияющих на здоровье человека, которые можно производить в промышленном масштабе. Преимущества производства и хранения по сравнению с пробиотиками делает их перспективными кандидатами для улучшения состояния здоровья человека в качестве замены или в сочетании с пробиотиками.
Из данных о влиянии микробиоты полости рта на риск различных локализаций опухолей вытекает практический вывод, важный для профилактики рака – необходимость соблюдения гигиены полости рта, снижающей возможность размножения большого числа микроорганизмов и их разнообразие. В этом случае инструментом профилактики рака выступает такая простая гигиеническая процедура как чистка зубов, а также контроль их состояния и своевременное лечение.
Среди факторов, связывающих онкологическую заболеваемость с микробиомом, заслуживает внимания вопрос о роли центральной нервной системы, которая участвует в поддержании гомеостаза пищеварительного тракта. Заболевания нервной системы, стресс или негативные эмоции, приводят к рефлекторному ослаблению перистальтики кишечника, неполному перевариванию пищи и накоплению продуктов бактериального метаболизма, вызывающих дисбиоз. В результате нарушается барьерная функция слизистой оболочки, и патогенные виды бактерий проникают в подслизистую, вызывая воспаление. Поступление в кровоток токсических продуктов дисбиоза в свою очередь отражается на состоянии нервной системы, вызывая, в частности, хроническую усталость, депрессию и различные психосоматические заболевания. Возникает порочный круг, поддерживающий хроническое воспаление и аутоиммунные реакции, характерные для таких предраковых заболеваний, как болезнь Крона и неспецифический язвенный колит. Таким образом, в свете современных знаний о микробиоме и его участии в канцерогенезе давно известный тезис о необходимости лечения хронических фоновых и предопухолевых заболеваний в целях профилактики рака получил не только дополнительный стимул, но и научные обоснования для разработки новых комплексных подходов к его практической реализации.
Заключение
Многочисленные микробиологические, генетические и эпидемиологические исследования с использованием омиксных технологий существенно расширили знания о влиянии конкретных видов микроорганизмов на канцерогенез, отражающие их противоположные роли в этом процессе. С одной стороны, это несомненное участие микробиома в патогенезе опухолей, а с другой, многообещающие результаты возможности применения микробиоты в лечении рака, что является альтернативным подходом в противоопухолевой терапии. Стимуляция иммунных клеток микробиомом, противоопухолевые бактериальные метаболиты являются современными направлениями в терапии рака. Характеристика микробиоты может стать важным показателем, обосновывающим прогноз индивидуального риска и исхода заболевания, фармакокинетики, фармакодинамики и клинической успешности противоопухолевой терапии. Дальнейшие исследования определят, в какой степени микробиота кишечника может защищать организм от неадекватного воспаления и модулировать иммунный ответ, а также быть прогностическим фактором ответа на ИКТ и / или ее побочные эффекты. Это можно рассматривать как наиболее значимый результат молекулярных, геномных и эпидемиологических исследований для практического применения. В свете современных представлений о роли микробиоты в канцерогенезе представляется важным активное воздействие на нее в виде пробиотиков, пребиотиков и синбиотиков для профилактики рака.
Литература
Л.Г. Соленова, И.А. Рыжова, Г.А. Белицкий, Н.И. Антонова, К.И. Кирсанов, М.Г. Якубовская. Микробиота в диагностике, терапии и профилактике рака. Российский биотерапевтический журнал. 2024;23(4):10–21. DOI: https://doi.org/10.17650/1726-9784-2024-23-4-10-21.