腸道菌群作為結(jié)腸直腸癌生物標志物及其干預的臨床意義

張雪瑩， 秦環(huán)龍

（同濟大學附屬第十人民醫(yī)院腸道微生態(tài)診療中心 同濟大學醫(yī)學院腸道疾病研究所，上海 200072）

結(jié)腸直腸癌（colorectal cancer，CRC）是常見的惡性腫瘤之一，全球發(fā)病率位居癌癥第3，死亡率位居第2。CRC的發(fā)生與多種遺傳及環(huán)境因素有關(guān)，其中腸道微生態(tài)在環(huán)境因素中占重要地位。腸道內(nèi)的微生物由細菌、真菌和病毒組成。這些微生物彼此相互作用并參與宿主細胞的生命活動，共同構(gòu)成腸道微生態(tài)環(huán)境。越來越多的研究表明，CRC的發(fā)生、發(fā)展和預后與腸道菌群密切相關(guān)。將腸道菌群作為CRC的生物標志物有助于CRC的早期診斷與療效預測。以腸道菌群變化特征為靶標的干預措施有望成為輔助CRC治療的新手段。

CRC病人的腸道微生態(tài)改變

腸道微生態(tài)系統(tǒng)是哺乳動物體內(nèi)最復雜的生態(tài)系統(tǒng)。人從出生開始，微生物就定植在皮膚、消化道、呼吸道、生殖道等與外界環(huán)境接觸的部位，其中腸道容納的微生物數(shù)量和種類均最多。腸道微生物絕大部分是細菌，另有少部分真菌和病毒。腸道微生物在空間上的分布特點為，從腸道近端到遠端，微生物數(shù)量和多樣性依次增加，十二指腸、空腸、回腸和結(jié)腸每克內(nèi)容物含微生物細胞數(shù)分別約為103、104、107和1012個[1]。通常所說的腸道菌群指的是結(jié)腸中的細菌。健康人的腸道菌群由厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門和梭桿菌門等組成，其中厚壁菌和擬桿菌占據(jù)優(yōu)勢。某些益生菌如雙歧桿菌、乳桿菌等占有一定比例。某些有害菌如具核梭桿菌（fusobacterium nucleatum，F(xiàn)n）等豐度較低。健康的腸道菌群有助于宿主腸道屏障功能維持、食物吸收代謝和免疫系統(tǒng)發(fā)育等，紊亂的腸道菌群可能導致疾病。

CRC病人腸道微生態(tài)組成以及其他微生物與細菌間相互作用均發(fā)生改變。研究發(fā)現(xiàn)，CRC病人腸道內(nèi)丁酸梭菌、雙歧桿菌等有益菌豐度降低。與此同時，來源于口腔的細菌增多,部分有害菌豐度增加，如Fn、厭氧消化鏈球菌、產(chǎn)腸毒素脆弱擬桿菌等。有些病人腫瘤組織內(nèi)也發(fā)現(xiàn)Fn等細菌富集[2]。在CRC不同發(fā)展階段，腸道菌群的構(gòu)成發(fā)生不同變化。如Fn在腺瘤階段就有富集，進展期Fn的豐度進一步增加。齲齒放線菌的豐度則是先明顯增加，然后稍有降低[3]。有研究報道，CRC病人存在腸道真菌紊亂，擔子菌門和子囊菌門的比例升高。健康人腸道中部分真菌與細菌間的共生關(guān)系，在CRC病人中轉(zhuǎn)變成拮抗關(guān)系。有研究用宏基因組學方法比較CRC病人與健康人的腸道病毒。CRC病人腸道病毒組總體豐度和多樣性均增加。且處于不同腫瘤分期的病人，其腸道病毒組改變各有特征。噬菌體組與來源于口腔的細菌也存在不同的相互作用。

目前菌群與CRC的相關(guān)性被普遍認可，但孰因孰果仍需進一步論證。微生物確實可能通過多種途徑誘導癌癥的發(fā)生。異常的腸道菌群結(jié)構(gòu)可能引起機體免疫系統(tǒng)紊亂從而削弱腫瘤免疫，亦可引起慢性炎癥反應(yīng)或發(fā)酵食物產(chǎn)生毒性化合物，增加癌癥風險。個別細菌也可直接促進CRC的發(fā)生。如Fn可通過細菌表面黏附素FadA與鈣黏蛋白E結(jié)合，從而激活β連環(huán)蛋白和Wnt通路。Fn也通過活化TLR4和NF-κB來上調(diào)癌基因miR21的表達，直接增加癌細胞的增殖。富集在腫瘤內(nèi)的Fn通過調(diào)節(jié)免疫細胞的水平和功能影響腫瘤微環(huán)境的免疫狀態(tài)。有研究報道，腫瘤微環(huán)境中的Fn對免疫應(yīng)答的調(diào)控受到微衛(wèi)星不穩(wěn)定（microsatellite instability，MSI）狀態(tài)的影響[4-5]。 表達聚酮合成酶基因的大腸埃希菌（pks+escherichia coli，pks+E coli）可產(chǎn)生毒素colibactin，直接造成腸道組織DNA損傷。研究者在5%的腸癌樣本中檢測到colibactin[6]。腸道菌群亦有可能影響CRC的發(fā)展和預后。較高的Fn含量與較低的總體生存率有關(guān)（風險比1.63）[7]。有研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織中Fn高拷貝的病人5年生存率與Fn陰性病人相比，下降大于10%[8]。還有研究發(fā)現(xiàn)，組織中的Fn可通過自噬途徑誘導CRC對化療產(chǎn)生抵抗[9]。另有研究報道，病人腸道內(nèi)較低的脆弱擬桿菌豐度，較高的普拉梭菌和索氏甲基桿菌豐度與較好的預后有關(guān)[10]。目前研究初步揭示某些有害細菌如Fn在CRC細胞突變或治療脫敏中起到重要作用。但由于臨床疾病的復雜性和疾病模型的異質(zhì)性，腸道菌群與CRC發(fā)生、發(fā)展的因果關(guān)系仍未得到完整的解釋。細菌在多少腸癌病例的發(fā)生中起作用，在什么程度上發(fā)揮怎樣的作用，還需進一步研究。

腸道菌群結(jié)構(gòu)和豐度異常判斷CRC生物標志物的可行性

從正常結(jié)腸黏膜發(fā)展成為腺瘤，最終成為CRC需經(jīng)過若干階段，可能至少10年。期間任何一個階段采取措施都可能避免CRC的發(fā)生。即使已確診為癌，在癌癥早期接受治療的病人5年生存率也可達90%。因此，對于結(jié)腸直腸腺瘤及CRC的早期篩查意義重大。現(xiàn)有常用的無創(chuàng)篩查方法有糞便免疫化學檢測（faecal immunochemical test，F(xiàn)IT）和糞便多靶點分子檢測等。其中FIT對CRC和高級別腺瘤的靈敏度分別為69%～85%和21%～31%。多靶點檢測對于高級別癌前病變的靈敏度僅46%。因此，探索新的無創(chuàng)篩查手段很有必要[11-12]。

由于CRC以及結(jié)腸腺瘤病人腸道微生態(tài)與健康人不同，糞便微生物及代謝產(chǎn)物的特征性改變可能成為CRC早期篩查的生物標志物。已有多項研究利用特征性腸道微生物構(gòu)建CRC診斷模型，粗略可分為以下4種：以Fn為主的個別菌種作為生物標志[13-14]；以3個以上的細菌組合為生物標志[15]；包含病毒、真菌或代謝產(chǎn)物等為生物標志[16-17]；以及上述微生態(tài)標志結(jié)合FIT等化學檢測聯(lián)合構(gòu)建的預測模型[1，18]。以受試者工作特征曲線下面積（area under curve，AUC）評價模型準確性。上述模型的AUC大多在0.80～0.98。有研究針對糞便Fn單個指標的預測準確度進行薈萃分析。該指標對CRC和腺瘤的預測靈敏度分別為71%和36%，與FIT檢測相似[13]。Fn與共生梭菌聯(lián)合預測早期CRC靈敏度高于FIT和癌胚抗原檢測[1]。Fn與雙歧桿菌、普拉梭菌豐度的比值也可成為CRC的生物標志（AUC=0.943），對Ⅰ期CRC預測靈敏度達 90%（AUC=0.804）[14]。中國香港的團隊用qPCR技術(shù)檢測Fn和微小小單胞菌的特征基因豐度，可預測早期 CRC（AUC=0.84）[19]。Coker等[16]利用 16 種真菌為生物標志，CRC與對照區(qū)分的AUC為0.74～0.93。Nakatsu等[17]以22種病毒作為生物標志，可一定程度上預測CRC。以上不同研究構(gòu)建的預測模型不完全相同，但所報道的CRC生物標志菌株多來自于梭桿菌科、韋榮球菌科、梭菌科、普雷沃菌科、瘤胃球菌科和紫單胞菌科等，且與較高的次級膽汁酸合成基因豐度有關(guān)。多項薈萃分析報道糞便微生物作為CRC診斷模型的準確性和穩(wěn)定性。其中Thomas等[20]分析不同來源的7個隊列數(shù)據(jù)。經(jīng)交叉隊列驗證，以糞便菌群組合為生物標志的CRC診斷模型平均AUC為0.84，而健康人腺瘤預測模型的平均AUC為0.79。這意味著腸道菌群結(jié)構(gòu)和豐度異常有可能成為CRC篩查的指標之一。

CRC的預后也與腸道菌群密切相關(guān)。對特異性微生物的鑒定與檢測有助于預測CRC的療效與預后。腫瘤組織Fn豐度較高的CRC病人預后可能較差。Yamaoka等[8]根據(jù)Fn拷貝數(shù)構(gòu)建Ⅳ期CRC總體生存期預測模型，AUC達0.83。將每納克DNA含4.9拷貝Fn作為臨界值，靈敏度和特異度分別達90.9%和88.9%。有研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)n可通過調(diào)節(jié)自噬誘導腫瘤對化療產(chǎn)生耐受性。以Fn為生物標志物預測CRC化療后復發(fā)AUC為0.776，預測效果優(yōu)于美國癌癥聯(lián)合委員會的癌癥分期[9]?；诂F(xiàn)有的研究，不同報道的特異性菌群以及預測模型的準確性有差異。這可能因病人特征和研究方法存在異質(zhì)性。盡管如此，腸道菌群作為判斷CRC診斷和預后的生物標志物仍有一定可行性。需開展更多的臨床研究，以達到模型的優(yōu)化和標準的統(tǒng)一。

微生物干預助力CRC的防治

基于腸道微生態(tài)對CRC發(fā)生、發(fā)展的影響，腸道菌群干預可能起到預防CRC的作用。具體方式包括合理應(yīng)用抗生素、飲食調(diào)節(jié)、補充益生菌和益生元等。有研究報道，口服青霉素類抗生素增加結(jié)腸癌患病風險，而口服四環(huán)素類則降低直腸癌風險。這可能與不同類型抗生素對腸道菌群造成不同影響有關(guān)[21]。盡管抗生素使用對CRC患病風險的影響仍待更多研究證實，但避免某些抗生素的過度使用可能有助于預防CRC。飲食結(jié)構(gòu)也與CRC的發(fā)生有關(guān)?！肮?jié)儉飲食”（攝入較多全谷物與膳食纖維）結(jié)構(gòu)與“西方飲食”結(jié)構(gòu)（攝入較多紅肉及飽和脂肪）相比，前者CRC發(fā)病率較低。研究報道，飲食模式對結(jié)腸細菌總量、產(chǎn)丁酸菌以及作用于膽汁酸代謝的細菌豐度有明顯影響[22]?！肮?jié)儉飲食”可降低Fn陽性CRC的發(fā)生率，對Fn陰性腫瘤的發(fā)生率無明顯影響。這也說明飲食、腸道菌群與CRC發(fā)生甚至預后之間的聯(lián)系[23]。部分動物研究發(fā)現(xiàn)，補充益生元或益生菌可一定程度預防CRC或癌前病變。較常用的益生菌包括乳桿菌、雙歧桿菌和酵母菌等。其機制可能與腸道微生物參與調(diào)控宿主腸道屏障、代謝、炎癥、氧化應(yīng)激、基因修飾和細胞自噬通路有關(guān)[24]。但對于益生元或益生菌是否可降低人群CRC患病風險，結(jié)論尚不一致，需更多大樣本臨床研究。

現(xiàn)有的腫瘤治療手段有手術(shù)、化療、放療以及免疫治療。多項研究揭示，腫瘤治療有效率以及不良反應(yīng)均與腸道菌群有關(guān)，甚至某些細菌本身就具有抗癌性。因此，針對病人腸道菌群制定個性化治療方案、微生態(tài)干預以及合成微生物的應(yīng)用，可能在提高腫瘤療效和減少不良反應(yīng)中起到重要作用。在CRC動物模型中，干酪乳桿菌可預防氟尿嘧啶/奧沙利鉑化療引起的腸損傷[25]。有研究將載有氟尿嘧啶的納米材料包被在羅伊乳桿菌中，使口服藥物在結(jié)腸直腸緩慢釋放[26]。還有將改造后的噬菌體與包裹伊立替康的納米材料結(jié)合，靶向抑制Fn生長，提高CRC化療效果且不增加肝、腎毒性[27]。臨床研究顯示，補充益生菌可能減少手術(shù)或化療并發(fā)癥發(fā)生，如嚴重腹瀉和圍術(shù)期感染等[28]。免疫療法是腫瘤治療方法上的一大突破。腸道微生態(tài)被視為預測免疫檢查點抑制劑（immune checkpoint inhibitor，ICI）療效的生物標志[29]。已有關(guān)于糞菌移植成功治療免疫相關(guān)性腸炎，以及提高PD-1/PD-L1抑制劑治療惡性黑素瘤效果的案例報道[30]。也有學者提出，糞菌移植用于CRC輔助治療的設(shè)想。目前ICI在CRC中的應(yīng)用僅限于治療高度MSI的癌灶，而其他類型CRC對ICI治療一般不敏感。有研究發(fā)現(xiàn)，組織Fn豐度與MSI水平相關(guān)。因此，以Fn為靶標的干預措施可能會提高CRC對免疫治療的靈敏度[31]。

小 結(jié)

近年來，對腸道微生態(tài)與CRC的關(guān)系已初步形成較全面的認識。較多研究闡述菌群參與CRC發(fā)生的機制、微生態(tài)特征用于CRC臨床預測以及腸道菌群與腫瘤治療的關(guān)系，為腸道菌群的臨床應(yīng)用提供一定基礎(chǔ)。但在不同類型的CRC病例中,腸道菌群究竟起多少作用，菌群生物標志物的研究真正能給臨床帶來多大的應(yīng)用價值，至今尚無定論。需要開展更多的機制探索和臨床研究。隨著科技不斷進步，很多獨具特色的體外模型正用于CRC微生物組研究中，如腸道芯片和3D腸道類器官等。人工智能、納米材料和基因編輯等技術(shù)也日漸成熟。相信腸道菌群研究能為CRC的臨床診治帶來新的突破。