腸道微生物、表觀遺傳修飾與腫瘤防治的研究進(jìn)展

何 楠，麻 婧，錢美睿，吳開春

人體腸道微生物是指腸道黏膜上數(shù)量龐大的微生物，包括細(xì)菌、古細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和病毒等生命體，其可以影響免疫系統(tǒng)、腸上皮和其他系統(tǒng)發(fā)育，參與新陳代謝、阻止病原體入侵等[1-5]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物可以通過影響相關(guān)的信號(hào)通路及表觀遺傳修飾在促進(jìn)或抑制肝癌、卵巢癌、結(jié)直腸癌、乳腺癌、胰腺癌等腫瘤的生長、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用[6-11]。近年來，腸道微生物與表觀遺傳學(xué)之間關(guān)系已成為腫瘤治療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文以腸道微生物為出發(fā)點(diǎn)，圍繞糞菌移植（fecal microbiota transplantation, FMT）和益生菌2種直接調(diào)控腸道微生物的方式，以及腸道微生物對(duì)表觀遺傳修飾的影響進(jìn)行綜述。

1 腸道微生物與腫瘤發(fā)生發(fā)展

1.1 腸道微生態(tài)及其失衡與腫瘤發(fā)生發(fā)展 微生物在腫瘤組織與正常組織中的差異分布，可能會(huì)影響腫瘤組織微環(huán)境中不同免疫細(xì)胞的浸潤及細(xì)胞因子的分泌，從而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。結(jié)腸癌組織中的厚壁桿菌和梭桿菌比例升高與腫瘤的病理學(xué)分級(jí)、胞嘧啶-鳥苷酸島甲基化表型狀態(tài)、CD3+T淋巴細(xì)胞浸潤水平、對(duì)化療藥物的敏感性及預(yù)后較差相關(guān)[12-14]。在腸外腫瘤研究中發(fā)現(xiàn)：與肺氣腫患者相比，有重度吸煙史的肺癌患者腫瘤組織中不動(dòng)桿菌和食酸菌屬豐度降低，鏈球菌和普雷沃菌屬豐度增高，韋榮球菌屬和巨球菌屬可作為肺癌的標(biāo)志物[15-16]。前列腺癌患者的埃希氏菌屬、人型支原體和痤瘡丙酸菌屬豐度更高[17]。

濫用抗生素、腸道感染等易導(dǎo)致腸道微生態(tài)失衡，腸道微生態(tài)失衡是腫瘤發(fā)生的因素之一，并易促進(jìn)腫瘤發(fā)展[18-19]。這種失衡多表現(xiàn)為致病菌比例升高，益生菌比例降低。結(jié)直腸癌患者糞便菌群種類與豐度均與正常人群差異顯著，其中腸球菌、埃希氏桿菌、克雷白氏桿菌、鏈球菌等致病菌顯著增加；羅氏菌和一些產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌顯著減少，這種變化可能影響腸道黏膜免疫反應(yīng)。腸道微生態(tài)失衡也可通過Toll樣受體5（Toll-like receptor 5, TLR5）、髓源抑制性細(xì)胞和γδT細(xì)胞促進(jìn)乳腺癌和卵巢癌的發(fā)展[20]，這表明腸道微生物影響局部腫瘤的發(fā)生，也可影響與腸道有一定距離的腫瘤的發(fā)生。

使用腸道微生物組合可檢測直腸癌發(fā)展的過程[21]。調(diào)控腸道微生物也可輔助腫瘤治療：擬桿菌、雙歧桿菌可通過活化T細(xì)胞增強(qiáng)免疫檢查點(diǎn)抑制劑的抗腫瘤效果[22-23]。目前，常見的調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)失衡的方法有2種，分別是FMT調(diào)節(jié)與益生菌調(diào)節(jié)。

1.2 FMT調(diào)節(jié)腸道微生物與腫瘤防治 FMT是一種將正常人糞便中的功能性細(xì)菌轉(zhuǎn)移到患者胃腸道中的治療方法，通過改造腸道微生物結(jié)構(gòu)，恢復(fù)正常腸道微生態(tài)。FMT 作為重建腸道微生態(tài)的重要方法，是防治腫瘤的一種有效策略。腸道微生物組成異常導(dǎo)致免疫檢驗(yàn)點(diǎn)抑制劑[如程序性死亡受體1（programmed death 1, PD-1）及其主要配體程序性死亡配體1（programmed death ligand-1,PD-L1）]的耐藥性，提示抗生素具有抑制癌癥晚期患者的免疫檢驗(yàn)點(diǎn)抑制劑的臨床效果。Routy等[24]將免疫檢驗(yàn)點(diǎn)抑制劑治療應(yīng)答患者的糞便移植到無菌或經(jīng)過抗生素治療的小鼠體內(nèi)，可改善小鼠PD-1單抗的抗腫瘤作用，但無應(yīng)答患者糞便移植作用不顯著。FMT供體糞便微生物組成對(duì)腫瘤同樣有影響，研究人員通過16S rRNA測序，將含有不同類群微生物的糞便移植到無菌小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)脆弱擬桿菌定植越多，小鼠抗腫瘤生長能力越強(qiáng)[25]。另外，晚期腫瘤患者抗感染能力明顯降低，易感染艱難梭菌，鑒于FMT在艱難梭菌感染中的治療效果十分理想，對(duì)于晚期腫瘤并發(fā)艱難梭菌感染的患者，F(xiàn)MT是一種很有前景的療法，但須慎重考慮其安全性[26]。

雖然FMT在疾病的治療中應(yīng)用越來越多，但目前仍缺乏高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明FMT的長期影響。然而，F(xiàn)MT不可避免的面臨社會(huì)道德的挑戰(zhàn)，實(shí)驗(yàn)人員采用問卷調(diào)查的方式發(fā)現(xiàn)，在100名受訪者中，雖然近3/4受訪者為胃腸病專家，但對(duì)FMT的看法不一，對(duì)已發(fā)表的FMT實(shí)驗(yàn)證據(jù)認(rèn)識(shí)不充分，建議今后為臨床醫(yī)生設(shè)計(jì)FMT教育和培訓(xùn)[27]。

1.3 益生菌調(diào)節(jié)腸道微生物與腫瘤防治 益生菌是一類對(duì)宿主有益的活性微生物，腸道內(nèi)益生菌及其代謝產(chǎn)物有助于維持腸道菌群穩(wěn)定、減輕局部炎癥反應(yīng)、加強(qiáng)腸道屏障功能、降低腸道通透性、增強(qiáng)免疫功能[28]。人體中最常見的益生菌是乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬。

在腫瘤細(xì)胞系中，干酪乳桿菌和雙歧桿菌可表現(xiàn)出抗增殖和促凋亡作用。Baldwin等[29]證明嗜酸乳桿菌和干酪乳桿菌可誘導(dǎo)LS513結(jié)直腸癌細(xì)胞系細(xì)胞凋亡；乳制品中的乳酸菌分泌具有細(xì)胞毒性和抗炎作用的代謝物，通過上調(diào)早期凋亡基因cfos和cjun而殺傷HT29和HCT116細(xì)胞[30]。Chen等[31]用酪酸梭菌和枯草芽孢桿菌的菌液處理皮下腫瘤模型小鼠，分析小鼠腫瘤發(fā)生率、數(shù)目和大小，發(fā)現(xiàn)益生菌抑制結(jié)直腸癌HCT116和SW1116細(xì)胞的生長。然而，動(dòng)物模型多采用化學(xué)藥物誘導(dǎo)形成腫瘤模型，與自然發(fā)生的腫瘤過程存在差異，因此在結(jié)果闡述方面須謹(jǐn)慎[12]。臨床研究發(fā)現(xiàn)，化療會(huì)改變正常腸道微生物，艱難梭菌和一些致病菌（如致病性大腸桿菌、沙門氏菌等）更易定植于腸道。結(jié)直腸癌患者化療過程中，鼠李糖乳桿菌GG株可有效減少嚴(yán)重腹瀉和腹部不適的頻率[32]。用雙歧三聯(lián)活菌膠囊和安慰劑干預(yù)86例消化道惡性腫瘤患者發(fā)現(xiàn)：益生菌可抑制小腸細(xì)菌過度生長，改善腫瘤患者的臨床癥狀[33]。雖然部分研究證明益生菌確實(shí)具備抗腫瘤作用，但益生菌在成人與兒童癌癥患者的有效性和安全性依然存疑；研究者應(yīng)繼續(xù)擴(kuò)大隨機(jī)雙盲、安慰劑對(duì)照的臨床試驗(yàn)，以獲得更加有力的證據(jù)。

2 腸道微生物與表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾能夠動(dòng)態(tài)和可逆地修改細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄潛能而不改變基礎(chǔ)的遺傳序列，通常與個(gè)體發(fā)育和組織/細(xì)胞的可塑性相關(guān)。最常見的實(shí)例是DNA甲基化和組蛋白修飾，癌癥發(fā)生的病因?qū)W之一可能是某些基因（如腫瘤抑制基因）啟動(dòng)子區(qū)域的胞嘧啶-鳥苷酸島中甲基化的局部增加；組蛋白乙?；诠采?xì)菌衍生信號(hào)和宿主表觀基因修飾之間聯(lián)系緊密[34]。

2.1 腸道微生物調(diào)節(jié)基因表觀遺傳修飾 多種臨床與基礎(chǔ)研究證據(jù)表明腸道微生物與DNA甲基化之間存在密切關(guān)系。TLR2敲除小鼠的研究證實(shí)腸道微生物參與宿主基因表觀遺傳調(diào)控，相對(duì)于野生型小鼠，TLR2缺陷誘導(dǎo)的黏膜微生物組成的改變更有助于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和表觀基因組修飾[35]。Lightfoot等[36]報(bào)道嗜酸乳桿菌突變株（脂磷壁酸缺陷型）誘導(dǎo)表觀遺傳修飾，并發(fā)現(xiàn)口腔NCK2025細(xì)胞系中腫瘤抑制基因表達(dá)增加。腸道微生物可直接與自然殺傷細(xì)胞作用影響免疫系統(tǒng)的表觀遺傳修飾[37]。腸道微生物與表觀遺傳修飾聯(lián)系緊密，2者之間相互影響，相互依存。

2.2 腸道微生物代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)基因表觀遺傳修飾 由腸道微生物代謝所產(chǎn)生的小分子量化合物和營養(yǎng)物質(zhì)，如短鏈脂肪酸（short chain fatty acids, SCFAs）、多胺、多酚和維生素等積極參與各種表觀基因修飾。SCFAs可抑制組蛋白去乙?；富钚?，被認(rèn)為是組蛋白修飾的主要原因，SCFAs中的丁酸鹽是最有效的組蛋白去乙?；敢种苿╤istone deacetylase inhibitor, HDACI）之一，丁酸鹽引起的組蛋白高乙酰化可誘導(dǎo)細(xì)胞分化、凋亡及抑制腫瘤細(xì)胞增殖。在人結(jié)腸腫瘤細(xì)胞系中，丁酸鹽處理后組蛋白相關(guān)基因高度乙?；瘜?dǎo)致p21（WAF1）的過表達(dá)以及G1細(xì)胞周期阻滯[38]。血管生成調(diào)節(jié)因子神經(jīng)蛋白1可與促進(jìn)結(jié)腸癌生長和轉(zhuǎn)移的血管內(nèi)皮因子結(jié)合，丁酸鹽可下調(diào)前者而達(dá)到抗癌效果[39]。Sp1是普遍存在的轉(zhuǎn)錄因子，可負(fù)向調(diào)節(jié)參與細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡的相關(guān)基因。用丁酸鹽等HADCI處理HePG2細(xì)胞后引起Sp1乙?；?，降低Sp1與p21和BAK啟動(dòng)子結(jié)合的能力，在細(xì)胞處于G2 / M期轉(zhuǎn)換時(shí)促進(jìn)凋亡并阻止細(xì)胞周期的進(jìn)展[40]。羅伊氏乳桿菌可有效抑制結(jié)腸癌細(xì)胞增殖，它的抗增殖活性與結(jié)腸中SCFAs代謝產(chǎn)物有關(guān)，最終減少腫瘤生長并促進(jìn)細(xì)胞凋亡[41]。

腸道微生物參與葉酸和維生素B的代謝，血漿中葉酸水平的改變會(huì)直接影響淋巴細(xì)胞甲基化水平[42]。除葉酸外，腸道微生物還提供各種膳食能量代謝物，如ATP、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸和乙酰輔酶A，均可作為表觀遺傳酶的輔助因子發(fā)揮作用。植物多酚如大豆異黃酮、兒茶素、黑樹莓等通過改變DNA甲基化和/或組蛋白修飾等引起基因的激活或沉默，從而調(diào)控腫瘤抑制基因和/或癌基因的表達(dá)[43]。

3 總結(jié)與展望

腸道微生物可以通過不同方式影響表觀基因組，進(jìn)而參與抗腫瘤與促腫瘤動(dòng)態(tài)過程。FMT與益生菌是調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)的常用方法，通過改善腸道微生物結(jié)構(gòu)及腫瘤組織微環(huán)境影響腫瘤的發(fā)展。然而，F(xiàn)MT和益生菌在腫瘤治療中的效果，還須聯(lián)合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)等進(jìn)行驗(yàn)證，以提供更有力的證據(jù)。腸道微生物對(duì)表觀遺傳修飾是腫瘤發(fā)生發(fā)展中的潛在因素，但是關(guān)于腸道微生物及其代謝產(chǎn)物對(duì)表觀遺傳調(diào)控的程度與機(jī)制的研究尚處于起步階段，明確細(xì)胞特異性表觀基因修飾酶對(duì)共生細(xì)菌衍生信號(hào)的差異反應(yīng)及調(diào)節(jié)表觀基因組的關(guān)鍵途徑和作用模式是未來研究的重點(diǎn)。