《Frontiers in Oncology》：Correlation between gut microbiota and their metabolites and the efficacy of chemotherapy combined with immunotherapy for extensive-stage small cell lung cancer
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本研究聚焦于化疗联合免疫治疗的广泛期小细胞肺癌（ES-SCLC）患者，利用宏基因组学与代谢组学技术，前瞻性地揭示了患者基线（治疗前）与疾病进展时肠道菌群及其代谢物的差异。研究首次发现，在长/短无进展生存期（PFS）患者中，链球菌（Streptococcus）、放线菌（Actinomyces）和罗氏菌（Roseburia）的丰度存在显著差异，并筛选出包括靛玉红-3’-单肟、γ-亚麻酸、白三烯B4等在内的多个潜在生物标志物。研究通过随机森林建模，验证了肠道菌群丰度对患者治疗反应的预测价值优于代谢物，为开发基于肠道微生物的疗效预测模型和通过调节菌群以增强免疫治疗（ICI）疗效的转化应用提供了重要的临床与科学依据。
引言
小细胞肺癌（SCLC）是一种恶性程度高、易早期转移且预后极差的肺癌亚型。尽管化疗联合免疫检查点抑制剂（ICI）已显著改善了广泛期SCLC（ES-SCLC）患者的生存，但患者的应答率存在显著差异，且可能发生严重的免疫相关不良反应（irAE）。近年来，肠道菌群与宿主免疫系统、免疫治疗应答及irAE的关联日益受到关注。研究表明，特定的肠道微生物及其代谢物，如短链脂肪酸（SCFA）和次黄嘌呤核苷，具有重要的免疫调节功能，可影响细胞毒性CD8+T细胞的功能，并与非小细胞肺癌（NSCLC）等癌种的免疫治疗应答相关。然而，利用肠道微生物预测SCLC免疫疗效的研究尚属空白。本研究旨在通过宏基因组学和代谢组学，系统探究接受化疗联合免疫治疗的ES-SCLC患者中，长、短无进展生存期（PFS）组在治疗前后肠道菌群及其代谢物的差异，以建立预测模型并探索其背后的生物学过程。
研究对象与方法
本研究经大连医科大学附属第二医院伦理委员会批准，收集了2021年5月至2023年10月期间收治的26例初治ES-SCLC患者的基线（治疗前）及一线化疗联合免疫治疗进展时的粪便样本。患者被分为长PFS（PFS ≥6个月，C/LC组，n=18）和短PFS（PFS <6个月，D/SD组，n=8）两组。研究设计了五个层面的比较分析：C vs D（基线差异）、LC vs SD（进展时差异）、C vs LC（长PFS患者治疗影响）、D vs SD（短PFS患者治疗影响）以及C+D vs LC+SD（全体患者治疗影响）。
粪便样本进行了宏基因组和代谢组学分析。原始测序数据已提交至NCBI和MetaboLights数据库。生物信息学分析包括基因和功能注释、α/β多样性分析、差异物种/功能基因/代谢物分析，以及通过随机森林模型评估不同组学数据对样本分类的预测效能。
结果
C vs D（基线分析）
在治疗前，长、短PFS患者的肠道菌群在基因数量和α/β多样性上无显著差异。然而，在属水平上，短PFS组的链球菌（Streptococcus）丰度显著更高，而长PFS组的放线菌（Actinomyces）丰度显著更高。在种水平上，差异主要体现在咽峡炎链球菌（Streptococcus parasanguinis）。随机森林分析确认了包括链球菌、放线菌在内的重要分类群。
在代谢物方面，靛玉红-3’-单肟在长PFS组中表达更高，其受试者工作特征曲线下面积（AUC）为0.611，可作为潜在生物标志物。
联合分析显示，随机森林模型中，基于肠道菌群分类丰度（AUC 0.93）和功能基因（AUC 0.80）的预测效能远优于基于代谢物（AUC 0.60）的模型。
LC vs SD（进展时分析）
在治疗进展时，长PFS（LC）组的肠道菌群中，罗氏菌（Roseburia）的丰度显著高于短PFS（SD）组。在代谢物层面，γ-亚麻酸在长PFS组中下调，其AUC高达0.867。菌群-功能基因-代谢物关联分析揭示了多尔氏菌（Dorea）、副孢杆菌（Parasporobacterium）与代谢物3-O-霉菌酰红霉素内酯及相关基因K10762存在关联。
C vs LC（长PFS患者治疗影响）
对比长PFS患者治疗前后的样本发现，治疗后毛螺菌（Lachnospira）、乳杆菌（Lactobacillus）、韦荣球菌（Veillonella）、巨球形菌（Megasphaera）等菌属丰度增加。在代谢物层面，白三烯B4（LTB4）是代表性差异代谢物，其AUC为0.844。相关性分析发现，韦荣球菌和毛螺菌与棕榈酸呈正相关。
D vs SD（短PFS患者治疗影响）
在短PFS患者中，治疗前后的比较显示，治疗后颤螺旋菌（Oscillibacter）和乳酸乳杆菌（Lacticaseibacillus）丰度增加，而放线菌（Actinomyces）和斯卡利亚菌（Schaalia）丰度降低。差异代谢物反式肉桂酸的AUC为0.792。桑基图分析揭示了放线菌、埃文斯菌（Evansella）等与代谢物烟酰胺-β-核苷及相关功能基因（k15916, k18430, k18431）的关联网络。
C+D vs LC+SD（全体患者治疗影响）
对所有患者治疗前后进行比较发现，治疗后毛螺菌、粘液乳杆菌（Ligilactobacillus）、韦荣球菌等菌属富集。差异代谢物分析鉴定出包括L-酪氨酸、L-异亮氨酸和LTB4在内的多个下调代谢物，其AUC分别为0.751、0.797和0.803。相关性分析显示韦荣球菌与LTB4、L-异亮氨酸呈负相关。有趣的是，在此整体分析中，代谢物建模的效能（AUC 0.73）较基线分析时（C vs D）有明显提升，提示随着治疗进行，代谢物可能扮演越来越重要的角色。
讨论
本研究发现，在治疗基线时，短PFS患者肠道中链球菌（一种与多种癌症不良预后相关的潜在致病菌）丰度更高，而长PFS患者中放线菌（在部分研究中被认为是有益菌）丰度更高。这为早期预测免疫治疗反应提供了潜在的微生物标志物。差异代谢物靛玉红-3’-单肟在长PFS组中含量更高，其在肺癌和其他癌症中已被报道具有抗肿瘤活性，支持了其作为生物标志物的潜力。随机森林模型证实，基于肠道菌群数据的预测准确性极高，提示监测肠道菌群可能是临床预测免疫治疗疗效的有效手段。
在治疗进展时，长PFS患者中富集的罗氏菌是重要的丁酸盐生产者。丁酸盐等短链脂肪酸能通过抑制组蛋白去乙酰化酶、激活CD8+T细胞、增强线粒体功能等多种机制，增强抗肿瘤免疫应答，这可能是长PFS患者维持较好疗效的原因之一。另一代表性差异代谢物γ-亚麻酸也被发现与肿瘤抑制相关。
分析治疗对菌群的影响发现，在长PFS患者中，治疗后增加的毛螺菌、乳杆菌、韦荣球菌等，其中部分菌属在以往研究中被认为与较好的免疫应答或抗癌效应相关，但也存在研究结论不一致的情况，提示其具体角色需要结合肿瘤微环境具体分析。相关性分析发现的韦荣球菌、毛螺菌与棕榈酸的正相关关系，为理解菌群-代谢物互作在肿瘤治疗中的复杂网络提供了新线索。
在短PFS患者中，治疗后放线菌丰度降低，而颤螺旋菌丰度增加。颤螺旋菌在癌症中的作用存在矛盾报道，可能具有菌株或癌症类型特异性。代谢物反式肉桂酸具有已知的抗炎和抗癌特性，其在短PFS组治疗后的变化值得进一步探究。
结论
本研究首次系统地描绘了接受化疗联合免疫治疗的ES-SCLC患者肠道菌群及其代谢物的动态图谱，并鉴定出与治疗应答密切相关的关键微生物（如链球菌、放线菌、罗氏菌）和代谢物（如靛玉红-3’-单肟、γ-亚麻酸、LTB4）。研究结果表明，治疗前的肠道菌群特征具有预测PFS的潜力，且其预测效能优于代谢物。这些发现为开发基于肠道微生物的无创诊断工具、筛选免疫治疗优势人群，以及未来通过调控肠道菌群（如使用益生菌、益生元或菌群移植）来增强ES-SCLC免疫治疗疗效的转化医学研究，奠定了重要的理论基础和数据支持。肠道菌群及其代谢产物在癌症临床管理中，特别是在个体化治疗和疗效优化方面，展现出广阔的应用前景。
