腸道菌群在炎癥相關(guān)腸癌中的研究進(jìn)展

孔憲斌，王方園，彭瑩瑩，郭玉珠，孟靜巖△

最新全球癌癥統(tǒng)計(jì)報(bào)告指出，2018年全球新增1 810萬(wàn)癌癥病例，結(jié)直腸癌（Colorectal carcinoma，CRC）發(fā)病率排名第4，死亡率排名第2［1］。在中國(guó)，CRC是常見(jiàn)的胃腸道惡性腫瘤，是5大常見(jiàn)癌癥之一［2］。腸道菌群和炎癥在CRC的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色［3］。腸道菌群在人體中起著促進(jìn)免疫系統(tǒng)發(fā)育和新陳代謝的作用，腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變常引起微生態(tài)失調(diào)，這經(jīng)常被認(rèn)為是多種腸道疾病的重要發(fā)病環(huán)節(jié)，如炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）。慢性腸道炎癥特點(diǎn)是免疫細(xì)胞浸潤(rùn)、水腫、上皮結(jié)構(gòu)喪失［4］，這與炎癥相關(guān)腸癌（colitis associated cancer，CAC）關(guān)系密切。近年來(lái)對(duì)CAC的病理生理學(xué)的認(rèn)識(shí)有了顯著的提高，但其病因尚不清楚。腸道菌群的改變不僅是促進(jìn)炎癥的發(fā)生，而且還產(chǎn)生了有利于腫瘤細(xì)胞微環(huán)境的毒素，因此探索腸道菌群在CAC發(fā)展中的作用勢(shì)在必行。

1 腸道菌群與飲食的相關(guān)性

腸道菌群可影響營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝，與人體生理功能、健康和疾病關(guān)系密切，不合理的飲食結(jié)構(gòu)會(huì)造成腸道菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)，致病菌增加。

1.1 腸道菌群與高脂飲食 高脂飲食加速炎癥過(guò)程和改變腸道微生物組成。高脂飲食能夠使回腸和結(jié)腸炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，增加白細(xì)胞介素（IL）-6和腫瘤壞死因子（TNF）-α、誘導(dǎo)型一氧化氮合酶蛋白、細(xì)胞增殖標(biāo)記物（Ki67）和β-連環(huán)蛋白（β-catenin）在結(jié)腸的表達(dá)，與腸道炎癥表型一致，腸道中毛螺菌科（Lachnospiraceae）/鏈球菌科（Streptococcaceae）結(jié)構(gòu)的失調(diào)引起代謝紊亂，與CAC的發(fā)展有關(guān)［5］。高脂飲食能夠增加與肥胖相關(guān)細(xì)菌韋榮球菌科（Erysipelotrichaceae）豐度，降低產(chǎn)短鏈脂肪酸（SCFAs）相關(guān)細(xì)菌Lachnospiraceae的豐度［6］。與低脂飲食比較，高脂飲食模型中的SCFAs明顯減少［7］。SCFAs包括丁酸鹽、丙酸鹽等，擁有抗炎、抑制腫瘤細(xì)胞增殖的作用，起到腸道屏障功能［8］。丁酸鹽可在早期CAC發(fā)育階段干擾癌前細(xì)胞核因子（NF）-κB的激活，降低炎癥因子表達(dá)。產(chǎn)SCFAs微生物的變化和結(jié)腸癌密切相關(guān)［9］。在CAC患者中，產(chǎn)丁酸鹽菌，如鏈狀真桿菌（E.desmolans）的豐度將耗盡［10］，具有抗炎特性的唾液鏈球菌（S.salivarius）減少。作為腸道共生菌群的一部分，產(chǎn)SCFAs菌的減少也可能是由其他致病性微生物的增加引起的，比如具核梭桿菌（F.nucleatum）［3］。高脂飲食含有豐富的硫化物，CAC患者體內(nèi)硫化氫明顯升高，同時(shí)患者結(jié)腸組織對(duì)硫化氫的解毒能力減弱；硫化氫誘導(dǎo)CAC的形成主要通過(guò)誘導(dǎo)DNA損傷、自由基釋放、結(jié)腸黏膜炎癥、結(jié)腸黏膜過(guò)度增生，同時(shí)抑制丁酸鹽利用、黏液合成和DNA甲基化［11］。

1.2 腸道菌群與酒精攝入 長(zhǎng)期過(guò)量飲酒導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)，破壞腸道屏障，腸道內(nèi)的毒性代謝產(chǎn)物釋放入血，對(duì)機(jī)體組織造成不利影響。小腸和結(jié)腸暴露于酒精3周后，具有抗炎活性的細(xì)菌耗盡，如厚壁菌門(mén)（Firmicutes），最終造成腸道損傷。用酒精喂養(yǎng)10周的大鼠顯示結(jié)腸中微生物群改變，并且用益生菌（Lactobacillus GG）或益生元預(yù)處理阻止了這些改變［12］。另有研究表明，喂食10個(gè)月酒精后大鼠腸道菌群中鏈球菌屬（Streptococcus）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）和糞球菌屬（Coprococcus）微生物屬豐度明顯增加，腸道菌群失調(diào)可引起SCFAs減少、腸黏膜免疫功能失調(diào)，對(duì)致癌物的易感性增加［13］。

2 腸道菌群對(duì)腸黏膜的影響

腸道微生物群落對(duì)腸黏膜的健康有著深遠(yuǎn)的影響，腸道菌群在形成黏膜先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)中起著重要作用。

2.1 腸道菌群與黏膜屏障相關(guān)性 結(jié)腸黏液層是宿主體內(nèi)平衡的天然防御屏障，杯狀細(xì)胞產(chǎn)生的黏蛋白2（MUC2）是人體和小鼠黏液層的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，MUC2主要由O-聚糖（O-Glycans）組成，腸黏膜黏蛋白型O-糖基化受損會(huì)導(dǎo)致結(jié)腸黏液屏障破裂，使細(xì)菌迅速破壞黏液層。隨后，微生物肝螺桿菌（Helicobacter hepaticus）介導(dǎo)的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）依賴(lài)炎癥小體的激活，引起結(jié)腸增厚、增生和炎性浸潤(rùn)，細(xì)菌介導(dǎo)的結(jié)腸炎癥促進(jìn)了CAC的發(fā)生［14］。擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)在70歲以上的人群中普遍存在，菌群結(jié)構(gòu)突變會(huì)引起保護(hù)性黏液層的改變，導(dǎo)致黏膜免疫系統(tǒng)的改變，上皮屏障的完整性喪失，蠕動(dòng)和營(yíng)養(yǎng)吸收的改變［15］。

2.2 不當(dāng)治療對(duì)腸黏膜損傷 艱難梭狀芽胞桿菌通常在健康成人胃腸道（GIT）中存在的比例較少。不恰當(dāng)?shù)闹委煏?huì)引起微生物種群的劇烈變化，如廣泛使用抗生素導(dǎo)致的生態(tài)失調(diào)，會(huì)刺激耐藥菌株的生長(zhǎng)和艱難梭菌感染的發(fā)生，引起結(jié)腸黏膜潰瘍等。發(fā)炎的上皮細(xì)胞和受損的黏膜組織受其他機(jī)會(huì)性病原體的侵襲，例如產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）、金 黃 色 葡 萄 球 菌（Staphylococcus aureus）等。這可導(dǎo)致細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)，誘導(dǎo)結(jié)直腸癌發(fā)生［16］。GIT中大部分細(xì)菌屬于Firmicutes和擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes），而變形門(mén)菌（Proteobacteria）、放線(xiàn)菌門(mén)（Actinobacteria）、藍(lán)細(xì)菌門(mén)（Cyanobacteria）的細(xì)菌較少。炎癥的上皮細(xì)胞和受損的黏膜組織使GIT更易感染艱難梭菌和其他條件致病菌，從而導(dǎo)致結(jié)直腸癌的發(fā)生［17］。

2.3 菌群異位對(duì)腸黏膜損傷 臨床研究中發(fā)現(xiàn)口腔牙周病細(xì)菌F.nucleatum促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生。在腸癌患者中，F(xiàn).nucleatum以及病原菌巴斯德氏菌（P.stomatis）、口腔擬桿菌（P.oris）、侵肺桿菌（D.pneumosintes）明顯增加。侵襲性的細(xì)菌麻疹鏈球菌（G.morbillorum）的增加與牙髓感染有關(guān)。其能夠破壞上皮屏障，產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物能改變微環(huán)境，促進(jìn)了后定殖微生物如卟啉單胞菌（Porphyromonas spp.）相關(guān)炎癥。這些病原體可以通過(guò)釋放肽和蛋白質(zhì)來(lái)干擾信號(hào)通路，改變通透性，促進(jìn)結(jié)腸癌的發(fā)生［9］。

2.4 腸道菌群通過(guò)氧化應(yīng)激對(duì)腸黏膜損傷 活性氧和氮物種（RONS）氧化持續(xù)地?fù)p傷和誘導(dǎo)DNA突變是誘發(fā)CAC的因素。高脂飲食下，腸道細(xì)菌通過(guò)7a-脫羥基作用，代謝出次級(jí)膽汁酸，能產(chǎn)生活性氧（ROS）自由基造成局部炎癥，導(dǎo)致DNA斷裂，誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生［18］。由于ROS和活性氧中間體（RNI）的產(chǎn)生和積累而導(dǎo)致結(jié)腸黏膜的氧化應(yīng)激。在促炎細(xì)胞因子的刺激下，炎癥細(xì)胞產(chǎn)生ROS和RNI，其反過(guò)來(lái)又募集額外的炎癥細(xì)胞，產(chǎn)生自我促進(jìn)的致病環(huán)，以致氧化應(yīng)激參與癌癥發(fā)生［19］。

3 腸道菌群在炎癥機(jī)制中的研究

炎癥和腫瘤之間存在著緊密的聯(lián)系，腸道菌群與炎癥的發(fā)生關(guān)系密切，CAC的發(fā)病機(jī)制主要是由相關(guān)信號(hào)通路的改變以及炎癥因子的表達(dá)失調(diào)而引起的。

3.1 炎癥小體與腸道菌群研究 核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域NOD樣受體（NLR）調(diào)節(jié)多種生物過(guò)程，例如炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增殖和死亡，以及腸道微生物群，NLR蛋白作為腸道炎癥和CAC的驅(qū)動(dòng)因素。

3.1.1 炎癥小體NLRC/X亞族 NOD樣受體家族3（NLRC3）可以通過(guò)抑制細(xì)胞骨髓細(xì)胞癌基因（CMYC）和磷脂酰肌醇3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶（PI3K-AKT）下游靶點(diǎn)轉(zhuǎn)錄因子3a（FoxO3a）和叉頭框蛋白1（FoxO1）并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來(lái)抑制CAC的發(fā)展［20］。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域蛋白2（NOD2）介導(dǎo)微生態(tài)失調(diào)，損害結(jié)腸上皮完整性，并產(chǎn)生腸促炎環(huán)境，在增強(qiáng)上皮異常增生中起關(guān)鍵作用［28］。研究表明，NOD2的缺乏引起普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus）擴(kuò)增，出現(xiàn)杯狀細(xì)胞功能障礙，上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞生產(chǎn)過(guò)剩的干擾素-γ（IFN-γ）并增加炎癥反應(yīng)［21］。

3.1.2 炎癥小體NLRP亞族 NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3（NLRP3）炎癥小體參與了結(jié)腸炎的發(fā)生。金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等通過(guò)病原相關(guān)分子模式（PAMP）激活，誘導(dǎo)IL-1β及IL-18的釋放及細(xì)胞焦亡［22］。NLRP6缺陷小鼠引起的結(jié)腸炎以普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）為主導(dǎo)［23］。NLRP6可以通過(guò)調(diào)節(jié)艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的豐度來(lái)抑制結(jié)腸炎的發(fā)展［24］。NLRP12缺乏引起微生物菌落多樣性降低，增加了促炎菌株Erysipelotrichaceae并伴隨益生菌Lachnospiraceae的減少，誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子產(chǎn)生和NF-κB、細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶（ERK）和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）的激活，增加結(jié)腸炎癥和腫瘤發(fā)生的敏感性，NLRP12可能成為調(diào)節(jié)腸道菌群抑制腸道炎癥和腫瘤的治療靶點(diǎn)［25］。

3.2 腸道菌群與炎癥因子

3.2.1 促炎癥因子 在小鼠模型中，用大腸桿菌進(jìn)行腸道定植導(dǎo)致結(jié)腸炎癥，能夠誘導(dǎo)CAC發(fā)生［26］。促炎細(xì)胞因子IL-6通過(guò)激活酪氨酸激酶（JAK）/STAT信號(hào)通路促進(jìn)增殖和抑制細(xì)胞凋亡。體外人結(jié)腸癌細(xì)胞增殖的IL-6依賴(lài)性增強(qiáng)，主要受轉(zhuǎn)錄因子STAT3的過(guò)度磷酸化影響，CAC中的腸上皮細(xì)胞中IL-6和STAT3的表達(dá)顯著升高［27］。促炎細(xì)胞因子IL-1和TNF-α也顯著增強(qiáng)環(huán)氧化酶-2（COX-2）的產(chǎn)生，COX-2是干擾細(xì)胞增殖的誘導(dǎo)型酶，影響血管生成起源和細(xì)胞凋亡。COX-2 mRNA水平升高與黏膜炎癥、CAC密切相關(guān)［28］。

3.2.2 保護(hù)性因子 IL-10是一種有效的抗炎細(xì)胞因子，可抑制NF-κB信號(hào)，并能夠增加腸道細(xì)菌多樣性［29］。真菌是腸道菌群的重要組成部分，能夠干擾IL-18的成熟，促進(jìn)CAC的易感性。IL-18可通過(guò)腸道CD8+T細(xì)胞的生成來(lái)促進(jìn)上皮細(xì)胞屏障的修復(fù)和IFN-γ的生成，降低腫瘤負(fù)荷［30］。IL-22能夠調(diào)節(jié)抗菌肽的表達(dá)，對(duì)于維持上皮細(xì)胞屏障的完整性以及上皮細(xì)胞修復(fù)至關(guān)重要，IL-22不足會(huì)引起共生菌Prevotellaceae的生態(tài)失調(diào)和異常擴(kuò)張［31］。

4 腸道菌群在CAC診斷中的研究

微生物群失衡與CAC相關(guān)，因此通過(guò)檢測(cè)腸道菌群的變化，可能對(duì)CAC的診斷起到重要指導(dǎo)意義。在CAC患者中，梭桿菌屬（Fusobacterium）豐度增加，Bacteroidetes和Firmicutes減少。CAC的發(fā)生與腸道微生物群失衡有密切關(guān)系，可通過(guò)基因測(cè)序?qū)δc道菌群進(jìn)行分析，觀(guān)察菌群結(jié)構(gòu)的特異性改變有助于指導(dǎo)CAC的診斷［32］。

胃腸道中丁酸鹽產(chǎn)生菌的顯著減少可能導(dǎo)致微生物組成的失衡，比如Firmicutes和Actinobacteria。丁酸鹽的產(chǎn)生可以保護(hù)腸道不受CAC的影響，通過(guò)降低DNA氧化損傷，激發(fā)已經(jīng)受損的細(xì)胞上的DNA細(xì)胞凋亡，抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)，降低協(xié)同致癌酶的活性［33］。因此丁酸鹽產(chǎn)生菌的測(cè)定對(duì)CAC的診斷有重要意義。

臨床研究提示大腸中雙歧桿菌（Bifidobacterium）是檢測(cè)大腸癌患者的重要指標(biāo)。結(jié)腸癌患者雙歧桿菌優(yōu)勢(shì)頻段消失，熱休克蛋白（HSP）70增加，Caspase-3表達(dá)明顯下降，且Caspase-3與腸道菌群密切相關(guān)［34-35］。另有臨床研究表明，CAC的發(fā)生與腸道菌群中脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）、Streptococcus、Fusobacterium和消化鏈球菌（Peptostreptococcus）的比例增加有關(guān)；結(jié)腸癌高風(fēng)險(xiǎn)患者中的解沒(méi)食子酸鏈球菌（Streptococcus gallolyticus）、Peptostreptococcus、敗毒梭菌（Clostridium septicum）、Clostridium perfringens豐度明顯增加［36］。因此，臨床醫(yī)師可通過(guò)評(píng)估結(jié)腸癌腫瘤部位的菌群種類(lèi)進(jìn)行綜合診斷。

研究表明腸道微生物引起的菌血癥與CAC的發(fā)生密切相關(guān)，因腸道菌群失調(diào)以及腸道屏障功能障礙，導(dǎo)致腸道微生物進(jìn)入血液，其引起的菌血癥促進(jìn)CAC的發(fā)生。牛鏈球菌（S.bovis）是腸道正常菌群的一部分，研究表明S.bovis菌血癥與惡性結(jié)腸病變具有關(guān)聯(lián)性，這有希望促使開(kāi)發(fā)一種可靠的晚期結(jié)腸病變篩查方法［37］。

5 腸道菌群在CAC治療中的作用

5.1 對(duì)抗炎癥反應(yīng) 腸道菌群的脂多糖（LPS）可以增強(qiáng)C26結(jié)腸癌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)移潛能。阿司匹林能抑制C26細(xì)胞Toll樣受體4（TLR4）表達(dá)并導(dǎo)致NF-κB的下調(diào)，有效降低癌細(xì)胞的體內(nèi)外轉(zhuǎn)移能力［38］。另有研究表明低劑量光動(dòng)力療法能夠增加類(lèi)桿菌科（Bacteroidaceae）豐度，并明顯降低結(jié)腸黏膜TNF-α、IL-12、IFN-γ的mRNA表達(dá)水平，減少黏膜炎癥反應(yīng)［39］。維生素C能夠降低Bacteroidetes/Firmicutes的相對(duì)豐度，升高乳球菌屬（Lactococcus）的豐度，抑制促炎癥介質(zhì)和細(xì)胞因子COX-2、TNF-α、IL-1β、IL-6的mRNA表達(dá)水平，抑制結(jié)腸縮短，減少組織學(xué)損傷［40］。

5.2 保護(hù)黏膜屏障 目前已有針對(duì)黏膜屏障功能調(diào)節(jié)的治療藥物應(yīng)用于臨床，如SCFA、益生菌等，補(bǔ)充益生菌可改變菌群結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，保護(hù)黏膜屏障，預(yù)防CAC［41］?？诜嫔人崛闂U菌、鼠李糖乳桿菌和雙歧桿菌后，腸道中的乳酸桿菌、雙歧桿菌、同種異體桿菌等豐度增加，并伴隨著結(jié)腸炎癥指數(shù)下降，結(jié)腸中TNF-α表達(dá)減少、IL-10表達(dá)增加［42］。

5.3 腸道菌群協(xié)同增敏效應(yīng) 研究發(fā)現(xiàn)針對(duì)免疫抑制通路相關(guān)分子的免疫治療，其療效受到特定腸道菌群的顯著影響，擬桿菌屬（Bacteroides）可顯著影響細(xì)胞毒T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4（CTLA-4）阻斷劑的抗腫瘤療效［43］。Akkermansia muciniphila能夠增加細(xì)胞表面趨化因子受體9（CCR9）+家族趨化因子受體3（CXCR3）+CD4+T淋巴細(xì)胞向小鼠腫瘤床的募集，以IL-12依賴(lài)性方式促進(jìn)程序性細(xì)胞死亡蛋白-1（PD-1）阻滯劑的功效［44］。Bifidobacterium可提高小鼠的腫瘤特異性T細(xì)胞反應(yīng)和腫瘤內(nèi)CD8+T細(xì)胞的積累，并可增強(qiáng)程序性細(xì)胞死亡蛋白-1配體（PDL1）單克隆抗體的抗腫瘤療效［45］。

5.4 中藥對(duì)腸道菌群影響 甘草中提取的黃酮類(lèi)化合物異甘草酸（ISL）具有抗腫瘤作用。大劑量ISL干預(yù)后，ISL降低了機(jī)會(huì)致病菌，如埃希氏菌屬（Escherichia）和腸球菌屬（Enterococcus）的豐度，增加了益生菌豐度，特別是丁酸鹽產(chǎn)生菌Ruminococcus等［46］。另有研究表明，姜黃素對(duì)結(jié)腸炎或結(jié)腸癌發(fā)生的有益作用與維持更多樣化的結(jié)腸微生物生態(tài)有關(guān)，能夠增加乳酸菌（Lactobacillales）的相對(duì)豐度，減少紅蝽菌目（Coriobacterales）秩序，降低結(jié)腸質(zhì)量/長(zhǎng)度比，生存率增加［47］。

6 腸道菌群在CAC研究中的不足

腸道菌群與CAC的關(guān)系是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。腸道菌群和炎癥在CAC的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要的角色，盡管研究結(jié)果并不完全一致。慢性炎癥與CAC發(fā)展之間關(guān)系的確切機(jī)制尚不明確。益生菌等常被認(rèn)為是調(diào)節(jié)腸道菌群的方法，但益生菌防治CAC的具體作用機(jī)制，益生菌的種類(lèi)、安全性、最佳濃度等仍需要進(jìn)一步研究。飲食結(jié)構(gòu)可通過(guò)調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu)，從而影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展。有研究指出，高纖維飲食只是通過(guò)促進(jìn)胃腸道蠕動(dòng)、增加大便次數(shù)和減少糞便中氨的水平來(lái)降低結(jié)直腸癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，而不引起腸道菌群和SCFAs水平的改變［48］?？梢?jiàn)，飲食結(jié)構(gòu)如何影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展過(guò)程仍值得探討。

臨床研究提示大腸中Bifidobacterium是檢測(cè)大腸癌患者的重要指標(biāo)，但預(yù)測(cè)結(jié)直腸癌患者中，Bifidobacterium的確切種類(lèi)仍需細(xì)化。臨床研究中雖然在納入標(biāo)準(zhǔn)上沒(méi)有納入飲用酸奶和使用抗生素的患者，但仍不能排除飲食等環(huán)境因素以及與微生物群相關(guān)的一切因素。隨著試驗(yàn)的科研設(shè)計(jì)以及檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，利用腸道菌群對(duì)CAC進(jìn)行識(shí)別診斷、預(yù)后標(biāo)記以及個(gè)性化治療將呈現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。