腸道菌群與結直腸癌的相關性研究進展

王曉娜，楚治良，陳暉娟，劉忠于

中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九八九醫(yī)院科研部/全軍肛腸外科研究所/全軍重點實驗室 河南洛陽471000

人類微生物群是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，由細菌、病毒和真菌組成，寄生在皮膚、口腔、肺部、腸道和陰道內。在成年人的結腸和大腸的其他部分中大約藏有1 013多種細菌，微生物群主要包括嚴格的厭氧菌，如擬桿菌、真細菌、雙歧桿菌、融合桿菌、肽鏈球菌等，同時也包括小部分兼性厭氧菌，如腸球菌、乳酸桿菌、腸桿菌科和鏈球菌等[1]。腸道菌群在促進食物吸收、宿主抵抗感染、增強腸道免疫系統(tǒng)、調節(jié)宿主代謝等方面發(fā)揮著重要作用[2]。

結直腸癌（CRC）是發(fā)達國家的主要健康威脅之一。西方的飲食和生活方式等因素可能通過代謝和炎癥機制參與了結直腸癌的產生與發(fā)展。同樣，作為關鍵的代謝和免疫調節(jié)劑，腸道菌群也被認為在結直腸癌的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。腸道微生物的組成和功能改變會導致宿主基因表達、代謝調節(jié)以及局部和全身免疫反應發(fā)生變化，從而影響癌癥的發(fā)展[3]。

1 腸道菌群與大腸癌

腫瘤微環(huán)境是一個低氧環(huán)境，可促進厭氧和兼性厭氧細菌（如梭菌）的生長。癌組織的血管滲漏可允許細菌進入，而免疫細胞的缺失或低豐度可允許細菌生長[4]。黏膜腫瘤與細菌直接接觸，易受微生物的影響。結直腸癌（CRC）因為暴露于腸道大量的細菌之中，其微生物群落被廣泛關注并研究。與正常結腸組織相比，腫瘤組織中的梭桿菌門和厚壁菌門有所增加[5]，而梭桿菌門、普羅威登斯菌屬和放線菌門的分類單元在癌組織和癌旁正常組織之間的豐度發(fā)生了變化[6]。盡管尚不清楚核梭狀芽胞桿菌是否在腫瘤發(fā)展過程中起作用，但有研究發(fā)現(xiàn)，其在結腸腫瘤組織中大量富集[7-8]。CRC患者腸道中發(fā)現(xiàn)的具核梭桿菌可能起源于口腔，在匹配的腫瘤組織和唾液中發(fā)現(xiàn)的細菌株相同[9]。最近的研究表明，在微衛(wèi)星不穩(wěn)定（MSI）狀態(tài)不同的腫瘤之間，具核梭桿菌的作用有所不同，可能在MSI高表達的腫瘤中發(fā)揮免疫抑制作用，而在MSI正常的腫瘤中有促炎作用[10-12]。此外，另一項研究顯示，移植了結直腸癌患者新鮮糞便的小鼠體內出現(xiàn)大量的高甲基化基因，而這些基因與結腸黏膜中異常隱窩灶發(fā)生率升高顯著相關[13]。上述研究結果表明，腸道微生物與CRC的發(fā)生或發(fā)展可能存在著某種聯(lián)系，但還需要進一步確認。

2 腸道菌群對結直腸癌治療效果的影響

近年來，幾種類型的癌癥臨床前和少數(shù)臨床研究顯示，腸道細菌在調節(jié)宿主對抗腫瘤藥物，特別是化療和免疫治療反應中起關鍵作用。研究表明，腸道微生物通過調節(jié)藥物療效、削弱抗癌作用等方式在腫瘤治療中發(fā)揮重要作用[14]。

2.1 腸道菌群對化療效果的影響

腸道菌群通過多種機制影響化療療效，包括異種代謝、免疫相互作用和改變群落結構[15]。腸道微生物群可以直接改變或代謝某些外來生物，如抗癌藥物。這種微生物介導的異種代謝可能與化療藥物毒性增加有關。當藥物毒性增加，使用者需減小劑量或者中止用藥，導致治療效果下降。曾有日本學者報道結直腸癌患者發(fā)生了因化療引起的可導致死亡的潛在毒性反應，發(fā)生這種情況的原因涉及擬桿菌屬與5-氟尿嘧啶（5-FU）—索利夫定聯(lián)合療法[16]。擬桿菌屬作為腸道菌群的主要成員，具有高活性、使索利夫定轉化為中間體溴乙烯尿嘧啶，從而抑制5-FU的降解并導致其在血液中的積蓄、毒性升高。最近的研究也表明，通過補充營養(yǎng)或益生菌來調節(jié)腸道微生物群，可以降低小鼠和人類的化療毒性和副作用[17-19]。還有研究表明，給予腸道菌群失衡的小鼠口服含雙歧桿菌的益生菌，可增加PD-L1阻斷的抗腫瘤效果，幾乎抑制了腫瘤的生長[20]。

2.2 腸道菌群對免疫治療效果的影響

腸道菌群對免疫治療的重要作用首先在兩項研究中得到了證實，這兩項研究揭示了細菌與宿主免疫反應和抗腫瘤活性的關系[21-22]。Paulos等[22]的研究表明，在黑色素瘤小鼠模型中，對小鼠全身放療后，抗腫瘤CD8+T細胞過繼轉移的功能顯著增強，輻射誘導釋放的微生物脂多糖（LPS）通過TLR4通路刺激，激活先天性免疫應答，進而促進抗腫瘤CD8+T細胞釋放，而抗生素治療或LPS（用多粘菌素B處理）則導致抗腫瘤應答降低。Iida等[21]的研究表明在MC38結腸癌和B16黑色素瘤皮下癌鼠模型中，抗生素治療削弱了IL-10、CpG寡聚脫氧核苷酸（ODN）免疫療法的功能?？股卣T導的免疫治療反應失敗是由于腸道菌群負荷減少，導致腫瘤中促炎性細胞因子產生單核細胞減少所致。這些結果表明可以在抗腫瘤免疫治療策略中加入微生物靶向制劑，以增強療效。然而，關于其潛在分子機制的更深入研究，可能需要在人源化動物模型或自發(fā)腫瘤發(fā)生模型中進一步驗證。

2.3 腸道菌群對放療的影響

放射治療可誘發(fā)局部免疫原性效應，如免疫原性腫瘤細胞死亡、激活局部和全身炎癥[23]。然而，放療后的腫瘤反應仍然存在很大的異質性，不同患者之間存在顯著差異，腫瘤預后也存在較大差異。這種異質性的原因尚不清楚，但最近的數(shù)據表明，腫瘤反應可能受到腸道菌群的影響。Cui等[24]研究了小鼠模型晝夜節(jié)律對放療（全身照射）的影響，并將其體內微生物群的組成進行了比較，發(fā)現(xiàn)與保持在正常光周期（12 h暗/12 h光）的小鼠相比，以其他光周期（8 h暗/16 h光或16 h光/8 h暗）飼養(yǎng)的小鼠腸道細菌種類和組成發(fā)生變化，最終導致宿主的抗輻射性降低。該團隊還用經過抗生素處理的小鼠模型研究了腸道菌群與輻射敏感性之間的相關性，結果表明糞便微生物群移植（FMT）可提高輻照動物的存活率[25]。此外，腸道微生物群還可能影響放射毒性。Ferreira等[26]在一項臨床研究中發(fā)現(xiàn)，在以放療為主要治療手段的盆腔癌患者中，腸道菌群組成與放射性腸病密切相關。另一項臨床研究表明，盆腔放療后腹瀉患者的厚壁菌門與擬桿菌比值發(fā)生顯著變化[27]。因此，我們認為腸道菌群可能是通過改變輻射敏感性和輻射毒性調節(jié)全身免疫應答。然而，腸道菌群對放療療效的直接影響尚未真正得到證實，需要進一步的臨床前和臨床研究來證明。

2.4 腸道菌群對手術的影響

減少結直腸手術后并發(fā)癥的預防策略制定仍是一個挑戰(zhàn)。20世紀50年代，Cohn等[28]首次報道了微生物群對吻合口漏發(fā)生率的影響，在無血管的結腸吻合動物模型中，腸腔內使用抗生素（特別是在吻合部位）降低了吻合口漏的發(fā)生率。此后，有研究調查了口服抗生素制劑在擇期結直腸癌手術中的作用，認為口服抗生素制劑在預防大腸直腸癌術后并發(fā)癥中具有潛在的重要作用[29]。最近，Van Praagh等[30]對結直腸吻合口組織樣本使用16S MiSeq測序，結果顯示，吻合口漏的發(fā)展與微生物多樣性低、類桿菌科和鞭毛綱科的高豐度以及普氏桿菌和鏈球菌的低豐度有關。上皮屏障完整性的恢復是結直腸術后吻合口愈合的首要機制，當上皮屏障受損，腸黏膜下層組織層可能由于過度暴露在有害的腸腔內因素中（如細菌）而影響吻合口愈合，導致吻合口漏的發(fā)生[31]。上述研究表明，有必要對結直腸術后尤其是在吻合口愈合過程中宿主—微生物菌群相互作用開展進一步臨床研究，以鑒定具有術后并發(fā)癥風險的微生物特征，并針對腸道菌群改變制定有效預防策略。

3 腸道菌群對結直腸癌發(fā)展的影響

3.1 腸道菌群產物誘導CRC細胞的抗增殖和凋亡反應

細胞凋亡是CRC腫瘤細胞死亡的基本途徑之一。然而，癌細胞的特殊機制之一是對細胞凋亡過程的負調控或抵抗。在腫瘤中，大多數(shù)細胞的凋亡控制和生存途徑都發(fā)生變化。細胞凋亡途徑不受控制和死亡抗性是癌細胞的一個標志屬性。腸道菌群的特殊群體可生產短鏈脂肪酸（SCFAs），如醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，除了作為能量來源的主要功能外，SCFAs還被證明是免疫系統(tǒng)、細胞死亡和增殖以及腸道激素生成和脂肪生成的信號分子，在維持上皮組織完整性中起關鍵作用[32]。丙酸桿菌產生SCFAs，通過誘導細胞死亡來抑制細胞生長[33]。CRC細胞利用糖酵解途徑產生能量，該途徑在腸道環(huán)境中產生大量乳酸，這個過程被稱為好氧糖酵解或Warburg效應，它利用增加細胞外的乳酸，導致丙酸桿菌產生高濃度SCFAs，從而在G1期阻斷CRC細胞生長。雙歧桿菌通過在G0/G1期終止細胞周期和增加堿性磷酸酶活性來抑制CRC癌細胞的生長，影響結直腸癌發(fā)展。

3.2 腸道菌群產物保護腸黏膜屏障

在正常情況下，腸道上皮與正常菌群相互協(xié)作，阻止致病菌、外來抗原和其他有害物質從腸腔進入體內。黏膜通透性的改變和損傷引起微生物和病原體入侵，是導致消化系統(tǒng)疾病的主要原因[34]。腸黏膜屏障的一個重要組成部分是覆蓋上皮細胞的黏液層，包括黏液蛋白、糖蛋白和三葉因子。黏液中含有多種黏液素，其中上皮黏液素2（MUC2）由MUC2基因編碼，在健康和炎癥性腸道中起重要作用。作為腸道菌群的產物，SCFAs不僅可以增加MUC2的表達，還可以增加MUC1、MUC3、MUC4等其他黏液蛋白的表達。一些體外研究表明，SCFAs增強了腸道保護屏障作用[35]。此外，SCFAs也增加了細胞膜的組裝和黏膜細胞的遷移，增加健康細胞的增殖和分化，對腫瘤侵襲、細胞遷移、轉移和炎癥有很強的屏障作用。

3.3 腸道菌群抑制致病菌的酶活性

葡萄糖醛酸苷偶聯(lián)過程對激素的代謝、毒素和致癌物的清除至關重要。腸內的凈化階段，是由細菌酶完成的。腸道菌群失衡導致豐富的β葡萄糖醛酸酶、β葡糖苷酶、偶氮還原酶、硝基還原酶和致癌劑的產生。這些酶會產生有毒代謝物，如芳香胺、轉化的次生膽鹽、硫化氫、致癌化合物的苷元、乙醛和自由基。在CRC患者中，腸道中的膽固醇和膽汁酸迅速轉化為細菌產物，導致正常菌群酶功能受損，產生有害物質。因此，益生菌可通過各種機制降低這些酶的活性，例如乳酸桿菌通過降低β-葡萄糖醛酸酶的活性來抑制細菌酶、降低原代膽汁酸和鼠李糖乳桿菌GG脫氫的能力[36]。口服嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌3周可以降低糞便中硝基還原酶的活性，保持腸道健康。

4 展望

本文介紹了腸道菌群與結直腸癌之間可能存在的聯(lián)系，但是目前與此相關的大多數(shù)研究還是停留在動物實驗方面，臨床及人體實驗較少，需要更多、更深入的研究來驗證這些發(fā)現(xiàn)從而推動臨床制定可行的治療及預防CRC的策略，同時減輕CRC放療、化療等治療的不良反應，提升治療效果。