关于《时间简史》和“时间捡屎”的笑话，相信很多人都不陌生。对于中国科学院上海药物所研究员尹琦来说，“捡屎”成了现实。在她和团队的一项研究中，在分析肠道菌群时需要收集小鼠粪便。于是在其课题组发生了这样一则对话：
“今天有时间捡屎吗？”
“下午能捡。”
图 | 尹琦（来源：上海药物所官网）
那么，这项研究的核心成果是什么？
概括来说，它解决了抗癌药物使用过程中的难题之一。近年来，中国居民的结直肠癌发病率逐年攀升，且发病年龄趋于年轻化，由于目前国内结直肠癌的早期筛查普及率不高，所以将近半数的结直肠癌患者在确诊时已经处于中晚期。这时的患者往往伴有淋巴结和肝、肺等远端器官的转移，仅仅靠手术无法根除，必须依靠化疗或免疫治疗等药物治疗手段。
临床上常用的抗癌药物给药方式，主要包括口服和静脉注射等。它们的原理比较简单，都是让药物分布到全身。这种方式的主要缺点是：分布在正常组织中的药物会产生毒副作用，药物在血液循环过程中很快就会被代谢和清除，从而导致分布在肿瘤组织的药物浓度不足。
当然，药物的革新也在不断推进，目前在晚期结直肠癌的一线化疗药物中，有一种叫做卡培他滨（Cap）的药物，它是传统化疗药 5-氟尿嘧啶的前药。Cap 的自身毒性比较低，需要先后经过肝脏和肿瘤 3 种酶的代谢，才能转变为 5-氟尿嘧啶，进而发挥杀伤作用。
相对来说，Cap 具有一定的肿瘤选择性，毒副作用更小。该药物主要存在的问题是，由于其口服吸收速度较快，给药之后会在血液中迅速达到峰值，接着又会被迅速清除掉，血浆半衰期（即药物被清除一半之时）还不足 1 小时。这时为了维持药效，就需要大剂量地频繁给药，不仅会让患者的顺应性变差，也会导致更强的毒副作用。
多年来，尹琦团队一直致力于研发抗肿瘤药物的新型药物递送系统，即利用功能性材料制备一个纳米尺度大小的载体，通过将药物包载在里面，改善药物进入体内之后的分布方式和代谢行为，从而延长药物在血液循环中的停留时间，借此减缓药物被清除的速度，同时减少其在非肿瘤部位的聚集和释放，增加肿瘤部位的药物浓度，并对药物的有效释放加以控制。
而为了提升 Cap 的疗效，就得为它找到一个合适的递药系统。纳米递药系统领域已经发展 20 余年，多年来全球范围内的学者们报道了大量结构新颖、设计精细的抗癌药物递送材料和载体。不过，它们中的绝大多数还停留在实验室研究阶段，很难实现临床转化。
（来源：Nature Communications）
对药剂学家来说，寻找递药载体的初衷在于，希望在发现新机制、新策略的同时，尽量使其容易朝向临床应用发展，从而真正做到造福患者。要想实现这一目标，递药载体必须拥有制备简单、质量可控等特点。
随着生活水平的提高，人们愈发关注饮食健康。益生菌、益生元等名词逐渐走入公众视野。相比其它器官，肠道的特殊之处在于：其内部寄生着一个庞大的微生物群。人体胃肠道内寄生的细菌数量约为 100 万亿个，超过 1000 种。作为一群能与人体和谐共存的异种生物，肠道菌群已经与人体免疫系统实现了微妙的平衡。
因此，菌群结构或菌群代谢物的改变，会对全身免疫系统产生影响。已有研究证明，肠道菌群会影响结直肠癌的发生、进展和治疗效果。其中，肠道菌群中的致癌菌会加快癌症发生以及削弱药物疗效。
而益生菌则能抑制癌症发展和增强抗癌药疗效，其背后的机制在于：益生菌能以部分寡糖、多糖、多肽、蛋白质等物质（即益生元）为养料增殖。
这种机制的好处在于：一方面可以抑制促癌菌增殖；一方面能将益生元代谢为短链脂肪酸，而短链脂肪酸具有抑制炎症、保护肠黏膜以及增强抗肿瘤免疫应答的作用。
（来源：Nature Communications）
益生元一般来源于天然材料，具备易获取、成本低、生物相容性好等特点。由于人类自身的酶和胃酸无法让益生元发生降解，因此益生元在上消化道里能保持稳定，在结肠内才会被菌群降解，故非常适合用于药物的肠内递送。
所以，如能构建基于益生元的化疗药物递送载体，则将助力于探索改善化疗效果的新机制。
木聚糖，是植物细胞壁中的主要半纤维素，在植物界中的丰富程度仅次于纤维素。它不仅来源广泛，并已被证实具有益生元作用。
本次研究中，尹琦等人对其进行简单修饰，制备成可以包载 Cap 的纳米颗粒，并在小鼠模型中验证了口服之后的抗结肠癌效果。借此证明木聚糖纳米粒不仅能够提高肿瘤内 Cap 和活性代谢物 5-氟尿嘧啶的浓度，还能改善肠道菌群结构、以及激活抗肿瘤免疫反应。
（来源：Nature Communications）
相比单独使用 Cap 或木聚糖+Cap 简单混合的对照组，这种纳米颗粒的抗癌效果更显著。而且与目前的临床方案相比，可以大大降低用药剂量，同时具备较好的生物安全性。
由此可见，将益生元与化疗药物通过纳米颗粒的形式联合使用，能将化疗和肠道菌群调控进行有机整合，从而实现协同增效，故有潜力发展为新的结直肠癌治疗策略。
在应用前景上，在对木聚糖-Cap 纳米颗粒进行优化之后，有望获批开展临床试验，验证其是否适用于临床治疗。哪怕不能获得直接的转化，也能为治疗结直肠癌提供新的思路：即在化疗时充分考虑肠道菌群的影响，通过采取联合的调控措施，为发现治疗新策略提供理论参考。
另据悉，本次课题始于尹琦此前参加的一次学术交流会。当时，有一位做植物学研究的老师，分享了他在水稻木聚糖基因编辑和功能上的研究，他提到木聚糖被证明具有益生元作用。
彼时，免疫治疗与肠道菌群调控的相关性刚刚得到揭示，于是尹琦萌生了研究木聚糖与抗肿瘤免疫的相关性的想法。
她和课题组在查阅文献之后发现，虽然已经有学者尝试将益生元用于包载水难溶性药物，但仅仅聚焦于提高药物在水性介质中的分散性和稳定性。对于免疫系统的影响以及对于化疗疗效的影响的研究，依旧处于空白地带。
而为了全面了解肠道微生物群与癌症治疗的相关性，该团队进行了大量调研，并将其整理成综述论文 [1]。确认这一方向可行之后，他们决定正式启动课题。
在过去，该团队曾开展过不少关于纳米抗癌药物递送系统的研究。对于载体的制备和评价，已经建立了比较完善的技术体系。基于此，他们很快就完成了材料修饰和载体制备。
随后，则要开展针对体内过程和药效的评价，其中的难题在于此前他们几乎只专注于乳腺癌的治疗研究。针对结肠癌的研究，他们只建立过皮下移植瘤的模型，这就导致课题组在模拟肠道肿瘤的环境上遇到了难题。
后来，通过文献阅读、向同行请教以及积极探索，他们成功建立了沿肠道分布的可生物发光的肿瘤模型。这样一来，就能在活体中针对肠内肿瘤的生长情况进行检测。
针对此次设计的新递药系统，实验结果证明它确实能够提高抗结肠癌的疗效、以及延长荷瘤小鼠的生存期。不过，为了验证它在肠道菌群调控中的作用、以及菌群调控与抗肿瘤免疫是否存在相关性，还得进行微生物组学的研究。
得益于此前撰写综述论文时的调研，对于微生物组学的分析技术课题组已经有所了解。后来，他们选出几个重要的给药组，对其进行微生物组学和短链脂肪酸分析，根据不同种属细菌丰度、以及不同种类的短链脂肪酸浓度差异，证明了益生菌与药效以及免疫反应的相关性。
后来，在审稿人的建议之下，他们给论文补充了几批数据。例如，增加另一种结肠癌细胞的肿瘤模型并对其进行评价，以便考察该疗法的普适性；以及按照化疗的治疗进程，分阶段地考察肠道菌群的变化情况，从而完善肠道菌群调控与化疗相关性的数据。
最终，相关论文以《载卡培他滨益生元纳米粒联合肠道微生物调节和化疗促进结直肠癌治疗》（Combining gut microbiota modulation and chemotherapy by capecitabine-loaded prebiotic nanoparticle improves colorectal cancer therapy）为题发在 Nature Communications，郎天群和朱润琪是共同第一作者，尹琦和中国科学院上海药物所研究员李亚平担任共同通讯作者 [2]。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
不过，尽管本次实验结果初步验证了木聚糖对于化疗药物抗癌的促进作用，但是本次研究还处于起步阶段。其结论仅限于特定肿瘤的小鼠模型，尚未证明对于其他动物模型以及对于人体是否具有同等效果。
而且，在已经发生肿瘤的肠道内，单独使用木聚糖的话，对于肠道菌群结构的影响并不显著。尹琦补充称：“因此请大家不要误读研究结果，不要盲目购买保健品。还是要保持健康的作息和饮食习惯，积极进行胃肠镜等早期筛查，对于抗肿瘤来说再好的药物也不如早发现、早治疗。”
（来源：Nature Communications）
另外，此次研究的完成也让尹琦总结出来两则经验：
其一，遇到工作量大的实验时，即使是某一人主导的课题，也可以让其他人予以协助，从而让多个课题同步进展。
其二，目前的药物研究越来越依赖于化学、生物学、医学、影像学、计算机等多学科的交叉共融，因此不能仅局限于本领域的知识学习，还要多与其他领域的学者交流，寻求课题瓶颈的突破口。
后续，她和团队将建立更加接近临床实例的结直肠癌模型，即基于药物诱导的炎症性肠病转化的肠癌模型，并将对其开展药效评价。另外，拟计划筛选一些其他种类的益生元，从而设计载药效率更高的载体。再就是打算完善针对机制研究方案，以便证明益生元与化疗效果的因果关系。
参考资料：
1. Zhu, R., Lang, T., Yan, W. et al. Gut microbiota: influence on carcinogenesis and modulation strategies by drug delivery systems to improve cancer therapy. Adv Sci 8(2021), 2003542.
2.Lang, T., Zhu, R., Zhu, X. et al. Combining gut microbiota modulation and chemotherapy by capecitabine-loaded prebiotic nanoparticle improves colorectal cancer therapy. Nat Commun 14(2023), 4746. https://doi.org/10.1038/s41467-023-40439-y
