益生菌對(duì)大腸癌的防治作用及機(jī)制研究進(jìn)展

劉 苗，萬新月，鄧 濤

武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化科，湖北 武漢 430060

大腸癌(colorectal cancer，CRC)是一種常見的惡性腫瘤，是世界范圍內(nèi)與癌癥有關(guān)的死亡的主要原因之一。盡管CRC的確切病因較為復(fù)雜，但目前認(rèn)為遺傳和環(huán)境是主要的危險(xiǎn)因素。遺傳因素在家族性腺瘤性息肉病(familial adenomatous polyposis，F(xiàn)AP)和遺傳性非息肉病性大腸癌(hereditary nonpolyposis colorectal cancer，HNPCC)等遺傳性CRC綜合征中表現(xiàn)明顯[1]。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括肥胖、膽囊切除術(shù)、高脂肪飲食、飲酒、大量攝入紅肉和加工肉類、高度精制谷物和淀粉等[2-3]。

研究表明，腸道微生物群與CRC的發(fā)生密切相關(guān)[4]。腸道中約存在有100萬億微生物，構(gòu)成腸道微生物群，腸道微生物群與人體相互作用，維持腸道內(nèi)環(huán)境平衡，它可以防御病原微生物、促進(jìn)腸道黏膜免疫系統(tǒng)的成熟、促進(jìn)復(fù)雜大分子的吸收及維生素的合成等[5]。在健康成人腸道中，擬桿菌門及厚壁菌門是腸道的優(yōu)勢菌群，占腸道微生物群的90%。其中大部分為嚴(yán)格厭氧菌，如擬桿菌屬、梭桿菌屬、消化鏈球菌屬等；而兼性厭氧菌如腸球菌、乳酸桿菌等占少數(shù)。腸道菌群組成的不穩(wěn)定稱為菌群失調(diào)，腸道菌群失調(diào)與多種腫瘤密切相關(guān)，并通過基因毒素的產(chǎn)生、有毒代謝物質(zhì)的合成和促進(jìn)炎癥等多種機(jī)制促進(jìn)腫瘤生長[4]。

腸道微生態(tài)的調(diào)節(jié)對(duì)CRC的防治具有重要作用，益生菌是對(duì)腸道微生態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)的重要方法。國際益生菌與益生元科學(xué)協(xié)會(huì)(International Symposium of the International Scientific Association of Probiotics and Prebiotics，ISAPP)將益生菌定義為“益生菌是活的微生物，當(dāng)攝入足夠數(shù)量時(shí)，能對(duì)宿主發(fā)揮有益健康的作用。也就是益生菌產(chǎn)品具有改善人類健康的可能性”[6]。益生菌對(duì)健康的促進(jìn)作用包括抗腸道病原體的抗菌活性、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、降低血液膽固醇水平、減少結(jié)腸炎和炎癥、預(yù)防結(jié)腸癌及調(diào)節(jié)宿主能量代謝[7]。目前研究較多的益生菌主要有乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬，包括鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌、芽孢乳桿菌、羅伊氏乳桿菌、干酪乳桿菌、保加利亞乳桿菌、德氏乳酸桿菌、唾液乳桿菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、乳雙歧桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌等。其他益生菌屬包括嗜熱鏈球菌、嗜酸鏈球菌、乳酸乳球菌、腸球菌SF68和大腸桿菌Nissle 1917(血清型O6∶K5∶H1)等[8]。

研究[9]認(rèn)為，益生菌可改善腸道微環(huán)境，調(diào)節(jié)菌群，并通過多種途徑預(yù)防癌前病變及抑制CRC的發(fā)生和發(fā)展，并作為一種潛在的抗癌替代療法或輔助療法應(yīng)用于臨床。本文綜合目前國內(nèi)外研究進(jìn)展，從益生菌調(diào)節(jié)腸道代謝產(chǎn)物、保護(hù)腸道黏膜屏障完整性、抑制腸道炎癥反應(yīng)、調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)、促進(jìn)凋亡和細(xì)胞分化、抑制大腸癌細(xì)胞增殖等方面總結(jié)益生菌對(duì)大腸癌癌前病變及CRC的防治作用及機(jī)制，為臨床益生菌的合理應(yīng)用及CRC的防治提供指導(dǎo)。

1 調(diào)節(jié)腸道代謝產(chǎn)物

研究表明，腸道毒性代謝產(chǎn)物可促進(jìn)CRC的發(fā)生，腸道菌群失衡導(dǎo)致大量β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖苷酶、氮還原酶和硝酸還原酶的釋放，這些酶促進(jìn)有毒的代謝物如芳香胺、次級(jí)膽汁鹽、乙醛、硫化氫、氨和亞硝胺等。益生菌可通過多種途徑降低這些酶的活性，與有毒物質(zhì)結(jié)合并導(dǎo)致其生物轉(zhuǎn)化和隨后的解毒。乳酸桿菌抑制細(xì)菌酶抑制初級(jí)膽汁酸脫水，鼠李糖乳桿菌可降低β-葡萄糖醛酸酶的活性，對(duì)致癌物N-甲基-N′-硝基-N-亞硝基胍(N-methyl-N′-nitro-N-nitrosoguanidine,MNNG)具有解毒作用[10]。

短鏈脂肪酸(short chain fatty acid，SCFA)是腸道碳水化合物、膳食纖維經(jīng)微生物群發(fā)酵的最終產(chǎn)物，主要包括乙酸、丙酸、異丁酸等，研究[11]表明，SCFA可調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、維持管腔的酸堿度、抑制病原體的生長、影響腸道蠕動(dòng)，刺激正常腸道上皮細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)其分化，刺激癌細(xì)胞凋亡，對(duì)CRC的防治有重要作用。SCFA可以穿過腸上皮到達(dá)固有層，直接形成黏膜免疫反應(yīng)[12]，此外，SCFA調(diào)節(jié)許多免疫相關(guān)細(xì)胞的表型和功能，如結(jié)腸上皮細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞[13]。在丁酸鹽的刺激下，CD4+效應(yīng)T細(xì)胞可增加轉(zhuǎn)錄因子T-bet和IFN-γ的表達(dá)，從而對(duì)黏膜免疫系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[14]。SCFA可作為信號(hào)分子與結(jié)腸的不同受體結(jié)合，如與兩種G蛋白偶聯(lián)受體41(GPR41)和GPR43結(jié)合，激活多個(gè)信號(hào)途徑抑制炎癥反應(yīng)在結(jié)腸黏膜中表達(dá)，增加大腸中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的數(shù)量[15]。

研究發(fā)現(xiàn)，丁酸衍生物顯著激活caspase-3活性，有效誘導(dǎo)HCT116細(xì)胞凋亡，此外，丁酸衍生物導(dǎo)致細(xì)胞周期G/G和G/M的停滯[16]。Zhang等[17]研究表明，CRC患者腸道微生物群的缺失量顯著增加，Eubacterium真細(xì)菌(一種產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌)的數(shù)量顯著減少。益生菌如鼠李糖乳桿菌、雙歧桿菌、干酪乳桿菌、嗜酸乳桿菌和布拉氏酵母菌等能夠促進(jìn)碳水化合物的發(fā)酵，增加SCFA的合成，從而降低發(fā)生CRC的風(fēng)險(xiǎn)。

2 抑制腸道炎癥反應(yīng)

炎癥是機(jī)體對(duì)損傷做出的一種防御反應(yīng)，當(dāng)外來抗原、物理因素等損傷性刺激作用于細(xì)胞后，可觸發(fā)激活多個(gè)炎癥信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，并促使炎癥細(xì)胞(中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞)向損傷部位的募集，從而保護(hù)機(jī)體與損傷性因子抗?fàn)帯Ｈ欢?，?dāng)機(jī)體炎癥反應(yīng)失調(diào)時(shí)，細(xì)胞可持續(xù)產(chǎn)生細(xì)胞因子、活性氧(RO)等并可造成DNA的損傷，從而導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生，如腫瘤、肥胖等。炎癥與腫瘤的發(fā)展密切相關(guān)[18]，現(xiàn)在認(rèn)為至少20%的癌癥是慢性炎癥過程的直接后果[19]。慢性炎癥可促進(jìn)促腫瘤微環(huán)境的形成，這種腫瘤微環(huán)境富含細(xì)胞因子，可以調(diào)節(jié)惡性細(xì)胞和周圍基質(zhì)細(xì)胞間的相互作用。慢性炎癥導(dǎo)致的腸道疾病主要是炎癥性腸病(inflammatory bowel diseases，IBD)，包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn’s disease，CD)。IBD的發(fā)病和病情進(jìn)展與基因-環(huán)境和基因-基因相互作用密切相關(guān)，被認(rèn)為是CRC的危險(xiǎn)因素[20]。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，植物乳桿菌、鼠李糖乳桿菌可降低丙二醛(MDA)的水平，同時(shí)提高抗氧化防御系統(tǒng)相關(guān)酶如谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)、超氧化物歧化酶(SOD)等[21]；嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌可降低Toll樣受體4(TLR4)提高TLR2水平，同時(shí)降低環(huán)氧酶-2(COX-2)水平抑制炎癥反應(yīng)[22]。Mendes等[23]研究表明，嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌及雙歧桿菌可降低益生菌治療組小鼠的炎癥指數(shù)，并降低實(shí)驗(yàn)小鼠血清及腫瘤組織中炎癥因子調(diào)節(jié)活化正常T細(xì)胞表達(dá)和分泌的因子(RANTES)、嗜酸粒細(xì)胞趨化蛋白(EOTAXIN)、磷酸化IKB激酶(p-IKK)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)的水平，抑制IL-10的水平，結(jié)果表明，益生菌對(duì)調(diào)節(jié)緩解、減少結(jié)腸炎和預(yù)防CRC有潛在的化學(xué)預(yù)防作用。

3 細(xì)胞凋亡和細(xì)胞分化的調(diào)控

細(xì)胞凋亡是由基因控制的程序性細(xì)胞死亡，細(xì)胞凋亡異常是多種腫瘤的重要發(fā)病機(jī)制，也是多種藥物包括益生菌在內(nèi)的重要治療靶點(diǎn)。細(xì)胞凋亡受細(xì)胞因子和基因的調(diào)控，如p53、IAP家族蛋白、凋亡蛋白酶活化因子(apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1)、Caspase家族、bcl-2家族、c-Myc基因等。轉(zhuǎn)錄因子p53對(duì)促進(jìn)細(xì)胞凋亡及抑制細(xì)胞周期具有重要作用，在DNA損傷、癌基因異常激活、細(xì)胞缺氧等情況下可出現(xiàn)p53的表達(dá)增加。bcl-2基因家族成員自身或彼此之間有形成二聚體或多聚體的能力，bcl-2家族的蛋白與蛋白相互作用調(diào)節(jié)著細(xì)胞的存活與凋亡。Chen等[24]研究證明，布拉氏酵母菌(Saccharomyces boulardii，SB)在體外和體內(nèi)具有減少表皮生長因子(epidermal growth factor,EGF)誘導(dǎo)的增殖、減少細(xì)胞集落形成和促進(jìn)凋亡的作用。益生菌可通過誘導(dǎo)對(duì)癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用、分泌具有細(xì)胞毒性作用的特定代謝物和C.fos、C.jun基因的正向調(diào)控促進(jìn)HT-29和HCT-116細(xì)胞凋亡[25]。

Chen等[26]用DMH誘導(dǎo)小鼠CRC模型，丁酸梭菌和枯草梭菌能抑制結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖，引起細(xì)胞周期停滯，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。在DMH誘導(dǎo)的大鼠CRC模型中，p53介導(dǎo)的凋亡途徑(如p53、p21、bcl-2、bax、caspase-9和caspase-3)中涉及的各種基因的蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)生了變化，但同時(shí)補(bǔ)充植物乳桿菌及鼠李糖乳桿菌后，這些基因異常得到改善[21]。Nozari等[27]研究表明，副干酪乳桿菌細(xì)胞壁蛋白組分可以促進(jìn)人腸Caco-2細(xì)胞凋亡，發(fā)揮抗癌作用。

4 保護(hù)腸道黏膜屏障功能

腸道的主要功能為水和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時(shí)調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透的離子和分子的選擇性，維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的平衡；腸上皮細(xì)胞除了承擔(dān)重要運(yùn)輸任務(wù)，還能夠防止腸內(nèi)的有害物質(zhì)如細(xì)菌和毒素穿過腸黏膜進(jìn)入人體內(nèi)其他組織、器官和血液循環(huán)。腸黏膜屏障功能即腸道上皮具有分隔腸腔內(nèi)物質(zhì)、防止致病性抗原侵入的功能。腸屏障功能破壞可導(dǎo)致腸道對(duì)病原體和食源性抗原的耐受性降低，并導(dǎo)致腸道炎癥[28]。腸黏膜屏障主要包括機(jī)械屏障、生化屏障、免疫屏障等，共同維持腸黏膜的功能。腸黏膜物理屏障主要由表面黏液、抗菌肽、腸上皮細(xì)胞間的緊密鏈接(tight junctions，TJs)等組成。腸上皮細(xì)胞表面黏液主要由黏蛋白(MUCs)組成，主要由杯狀細(xì)胞產(chǎn)生。黏蛋白2(MUC2)是主要的黏液成分，是產(chǎn)生有效黏液層的關(guān)鍵。MUC2敲除(KO)小鼠自發(fā)結(jié)腸炎并對(duì)腸內(nèi)病原體的抵抗力降低[29]。腸道微生態(tài)與腸黏膜屏障及黏膜免疫有密切關(guān)系。TJs調(diào)節(jié)細(xì)胞對(duì)水、離子等溶質(zhì)的選擇性、滲透性，主要由跨膜蛋白(claudins、occludin、JAM)和細(xì)胞質(zhì)支架蛋白(ZO蛋白)等組成[30]。體外實(shí)驗(yàn)研究表明，丁酸鹽通過上調(diào)緊密連接蛋白claudin-1的轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)腸上皮屏障功能[31]；丁酸鹽可通過激活A(yù)kt信號(hào)通路選擇性上調(diào)緊密連接蛋白改變IPEC-J2細(xì)胞的腸屏障功能[32]；酪丁酸梭菌通過p38/JNK信號(hào)通路在IPEC-J2細(xì)胞中保護(hù)腸屏障功能免受誘導(dǎo)凋亡的影響[33]。Kuugbee等[22]進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，在結(jié)腸癌大鼠模型中，益生菌混合物可以對(duì)微生物群進(jìn)行調(diào)節(jié)，促進(jìn)緊密連接蛋白ZO-1、occludin的表達(dá)，增強(qiáng)腸黏膜屏障，并通過TLR2信號(hào)降低CRC的發(fā)生。

5 免疫調(diào)節(jié)

腸道微生物及其代謝產(chǎn)物在腸道先天免疫和適應(yīng)性免疫的調(diào)節(jié)中起重要作用[34-35]，影響著腸道免疫系統(tǒng)的形成和功能。當(dāng)這種相互作用在許多人類惡性腫瘤中，微生物群調(diào)節(jié)抗腫瘤免疫反應(yīng)并改變T細(xì)胞的腫瘤浸潤。樹突狀細(xì)胞、調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞是抵抗致癌作用的重要免疫細(xì)胞。樹突狀細(xì)胞通過特異性模式識(shí)別受體(PRR)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。PRR包括TLRs、益生菌或其成分可識(shí)別并激活TLRs，并啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)，促進(jìn)相關(guān)基因表達(dá)[36]。研究表明，益生菌與樹突狀細(xì)胞誘導(dǎo)的IL-10有很強(qiáng)的相關(guān)性。益生菌制劑(VSL#3)是促進(jìn)血液和腸道組織中樹突狀細(xì)胞分泌IL-10的有效藥物[37]。Sivan等[38]利用動(dòng)物模型進(jìn)行研究，長雙歧桿菌和短雙歧桿菌聯(lián)合用藥可以抑制腫瘤生長，提高PD-L1阻斷抗體的抗腫瘤效果。最近關(guān)于糞菌移植的研究[39]表明，CRC患者糞便細(xì)菌能以依賴于抗原呈遞細(xì)胞的方式上調(diào)CD8 T細(xì)胞的脫顆粒和細(xì)胞毒性作用，且比健康人糞便細(xì)菌更具促炎性。

腸道微生物群失調(diào)與許多重要的慢性炎癥及腫瘤等疾病的發(fā)生密切相關(guān)，益生菌對(duì)宿主的健康作用越來越受到重視，并在近年來開展了廣泛的研究。多項(xiàng)研究表明，益生菌可通過對(duì)大腸癌癌前病變?nèi)鏘BD[40]、結(jié)腸腺瘤[41]的防治預(yù)防CRC的形成并可通過多種機(jī)制延緩CRC的進(jìn)展[42]。為了充分了解益生菌的復(fù)雜作用及增加臨床用藥的安全性，還需要進(jìn)一步進(jìn)行隨機(jī)、雙盲、安慰劑對(duì)照的臨床試驗(yàn)研究。