膳食乳化劑對(duì)結(jié)直腸癌影響的研究進(jìn)展

王晨曦王秀宏

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué),哈爾濱 150081)

結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)在全球是位于第三位最常見(jiàn)的惡性腫瘤和第二位致死性癌癥,但發(fā)病率的原因尚不完全明確[1]。 在影響CRC 的危險(xiǎn)因素中,飲食是一個(gè)可改變的危險(xiǎn)因素[2]。 隨著加工食品的出現(xiàn),人們接觸到越來(lái)越多的食品添加劑,雖然可以通過(guò)選擇食物來(lái)限制某些食品添加劑的食用,但完全避免攝入食品添加劑可能做不到[3]。 最近有研究表明,食品添加劑中的膳食乳化劑羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose,CMC)和聚山梨酯80(polysorbate 80,P80)可能促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展[4-5]。 在一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中,CMC 和P80 被報(bào)道能影響小鼠腸道菌群,改變腸道菌群代謝產(chǎn)物,促進(jìn)結(jié)腸炎癥[6]。 同時(shí),越來(lái)越多的證據(jù)表明,腸道菌群與CRC 的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[7]。 而且持續(xù)的慢性炎癥[8]和一些腸道菌群代謝產(chǎn)物的改變[9-10]是CRC 發(fā)生發(fā)展的重要危險(xiǎn)因素。 故本綜述根據(jù)現(xiàn)有的研究,將從這些方面去探討CMC 和P80 可能對(duì)CRC 發(fā)生發(fā)展的影響。

1 腸道菌群失調(diào)與CRC 發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性

腸道菌群失調(diào)與人類(lèi)多種疾病有關(guān),比如炎性腸病、癌癥等。 CRC 患者的糞便經(jīng)灌胃給予無(wú)菌小鼠、Apcmin/+小鼠和偶氮甲烷誘導(dǎo)的小鼠,發(fā)現(xiàn)CRC患者的腸道菌群能促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[11-12],這表明與CRC 有關(guān)的腸道菌群在其中發(fā)揮了作用。 在過(guò)去的十幾年里,幾種細(xì)菌因其與CRC 發(fā)生的關(guān)系和潛在作用而受到關(guān)注,如大腸桿菌、產(chǎn)毒素的脆弱擬桿菌、具核梭桿菌等[13]。 此外,在一項(xiàng)涉及中國(guó)和丹麥CRC 患者的宏基因組關(guān)聯(lián)研究中,發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)與CRC 相關(guān)的新物種,即Parvimonasmicra和Solobacteriummoorei[14],而且Parvimonasmicra檢測(cè)CRC 的特異性達(dá)到了 87.3%[15],Solobacterium moorei從致癌的早期到晚期階段的豐度顯示出逐漸增加[7]。 而且對(duì)526 份糞便宏基因組分析確定了7種CRC 的富集細(xì)菌,這些富集的細(xì)菌與CRC 中減少的有益細(xì)菌呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[16]。

有研究顯示,食品中的P80 會(huì)影響腸道菌群組成[17]。 而且利用人體腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)的粘膜模擬器(M-SHIME)模型顯示,P80 和CMC 都直接改變了腸道菌群組成[18]。 在吲哚美辛誘導(dǎo)的小鼠模型中,P80 的添加會(huì)導(dǎo)致小鼠小腸菌群組成發(fā)生變化,其中產(chǎn)生硫化物的腸桿菌增加以及奇異變形桿菌的“變?nèi)骸毙袨樵鰪?qiáng)[19],而結(jié)腸腫瘤的形成與奇異變形桿菌的存在相關(guān)[20]。 在野生型小鼠中,P80會(huì)導(dǎo)致空腸彎曲菌、梭菌屬等增加[21]。 最近的研究發(fā)現(xiàn),空腸彎曲菌能通過(guò)基因毒素CDT 的作用促進(jìn)CRC 的發(fā)生[22],而且糞便中的共生梭菌可能作為一種用于CRC 早期檢測(cè)的生物標(biāo)志物[23]。 此外,用CMC 和P80 喂養(yǎng)野生型小鼠、IL-10-/-小鼠及TLR5-/-小鼠12 周,發(fā)現(xiàn)CMC 和P80 都極大地改變了這3 種模型中小鼠糞便和粘膜粘附的菌群組成。而在IL-10-/-小鼠中,CMC 和P80 均引起α-多樣性降低和穩(wěn)定性降低,疣微菌門(mén)中的Akkermansia muciniphilia和與粘膜相關(guān)的具有促炎性的變形菌門(mén)增加[6]。 值得注意的是,用CMC 和P80 喂養(yǎng)野生型小鼠9 周后,就導(dǎo)致了腸道菌群多樣性顯著降低,擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和變形菌門(mén)發(fā)生顯著變化[5]。 而擬桿菌門(mén)與腫瘤易感性和促進(jìn)作用密切相關(guān)[24]。 此外,有研究顯示,厚壁菌門(mén)中的厭氧消化鏈球菌能增加活性氧的水平[25]、影響腫瘤微環(huán)境及激活PI3K-Akt-NF-κB 信號(hào)通路[26],從而促進(jìn)細(xì)胞增殖。 厚壁菌門(mén)中的解沒(méi)食子酸鏈球菌通過(guò)激活Wnt/β-catenin 信號(hào)進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞增殖[27-28],而且還通過(guò)招募腫瘤浸潤(rùn)免疫細(xì)胞,形成免疫抑制微環(huán)境,有利于CRC 的腫瘤生長(zhǎng)[29]。

雖然有些與CRC 有關(guān)的腸道菌群改變與CRC的發(fā)生發(fā)展機(jī)制尚不明確,但現(xiàn)有的研究提示我們腸道菌群的變化與CRC 密切相關(guān),一些特殊腸菌的富集和腸道益生菌的減少可能會(huì)促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展。 因此,隨著研究的進(jìn)展,在CRC 中富集的特殊腸菌闡明,它們可能成為該病早期診斷的重要標(biāo)志。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物對(duì)CRC 發(fā)生發(fā)展的影響

腸道菌群參與代謝過(guò)程,其種類(lèi)和比例決定了宿主的能量平衡。 維持腸道平衡是維持宿主正常健康,預(yù)防多種疾病的必要條件[30]。 當(dāng)腸道菌群失調(diào)時(shí),其產(chǎn)生代謝產(chǎn)物的水平也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,對(duì)機(jī)體產(chǎn)生影響。 在野生型小鼠中,CMC 和P80 顯著降低了短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)中丁酸鹽的產(chǎn)生量及改變了膽汁酸的水平,但在無(wú)菌小鼠中未發(fā)生變化[6],表明腸道菌群參與其中。 而且用P80 喂養(yǎng)的小鼠,其糞便中的乙酸鹽、丙酸鹽等水平也降低[21]。 這些結(jié)果表明,膳食乳化劑CMC 和P80 影響了腸道菌群代謝產(chǎn)物的水平。

2.1 SCFAs 對(duì)CRC 發(fā)生發(fā)展的影響

食物消化吸收后產(chǎn)生的食物殘?jiān)?jīng)結(jié)腸時(shí),它們被腸道菌群分解,產(chǎn)生SCFAs,其中丁酸鹽是腸道菌群和腸上皮細(xì)胞的主要能量來(lái)源,其可以發(fā)揮抗腫瘤特性,對(duì)結(jié)腸的健康發(fā)揮重要作用[31]。 但在CRC 患者血漿中SCFAs 含量明顯降低,說(shuō)明降低SCFAs 可能促進(jìn)CRC 的進(jìn)展[32],而且在CRC 患者中已觀(guān)察到產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌顯著減少。 對(duì)于產(chǎn)丁酸的丁酸梭菌,其能抑制腸道腫瘤的發(fā)生[33]。 在免疫方面,SCFAs 誘導(dǎo)CD4+T 細(xì)胞和先天性淋巴樣細(xì)胞產(chǎn)生IL-22,從而保護(hù)腸道免受炎癥的影響以維持腸道穩(wěn)態(tài)[34]。 SCFAs 可通過(guò)抑制IL-6、TNF-α 和IL-17 等細(xì)胞因子的表達(dá),改善結(jié)腸炎癥,顯著降低了腫瘤的發(fā)生率和大小,對(duì)CRC 具有保護(hù)作用[35]?？偟膩?lái)說(shuō),SCFAs 發(fā)揮著有益的作用,但當(dāng)SCFAs含量減少時(shí),對(duì)結(jié)腸的保護(hù)作用減弱,可能會(huì)增加CRC 的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 膽汁酸對(duì)CRC 發(fā)生發(fā)展的影響

最近有研究表明,腸道菌群失調(diào)可能改變膽汁酸的代謝,促進(jìn)結(jié)腸炎相關(guān)的結(jié)直腸癌(colitisassociated colorectal cancer,CAC) 的發(fā)生[36]。 在Apcmin/+小鼠模型中,脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)破壞了腸道屏障,誘導(dǎo)腸道低度炎癥,促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞的極化,從而促進(jìn)腸道腫瘤的發(fā)生[37-38]。 而且將DCA 處理的小鼠糞便轉(zhuǎn)移到Apcmin/+小鼠中,同樣出現(xiàn)了上述情況,還激活了腫瘤相關(guān)的Wnt/β-catenin 信號(hào)通路[38],說(shuō)明DCA 誘導(dǎo)腸道菌群的改變促進(jìn)了腸道癌變。 在CAC 小鼠模型中,膽酸促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[39]。 而在Apcmin/+小鼠模型中,當(dāng)使用抗生素耗盡腸道菌群時(shí),會(huì)減弱膽酸導(dǎo)致的腸道致癌作用[40],表明腸道菌群在該過(guò)程中起主導(dǎo)作用。 從機(jī)制上,膽汁酸在相關(guān)核受體的作用下,與腸道菌群相互作用,可能通過(guò)擾亂細(xì)胞增殖/凋亡信號(hào)、促進(jìn)炎癥、導(dǎo)致DNA 損傷等促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展[9]。 以上研究說(shuō)明,膽汁酸可能促進(jìn)腸道腫瘤的發(fā)生發(fā)展,這其中會(huì)與腸道菌群相互作用。 而由CMC 和P80 引起膽汁酸水平的變化,可能會(huì)增加CRC 的風(fēng)險(xiǎn)。

3 CMC 和P80 促進(jìn)炎癥發(fā)生進(jìn)而促進(jìn)CRC 的發(fā)生

3.1 CMC 和P80 破壞腸道屏障從而增加細(xì)菌侵襲

腸道菌群和人體腸道被一道物理屏障隔開(kāi)。物理屏障是由一層腸上皮細(xì)胞和一層黏液層構(gòu)成,腸上皮細(xì)胞通過(guò)緊密連接、粘連連接和橋粒緊密排列在單層中[41]。 腸腔外面有一層由杯狀細(xì)胞分泌的黏液所包裹,分為內(nèi)外兩層。 外層黏液層可以建立起排除病原體的生物膜,內(nèi)層黏液層含有一些細(xì)胞所分泌的抗菌物質(zhì),抵制病原菌[42]。 黏液層是抵御微生物的第一道防線(xiàn),保護(hù)人類(lèi)腸道免受微生物和炎癥的侵襲[43-44]。 用CMC 和P80 處理野生型小鼠和IL-10-/-小鼠,黏液層厚度降低到一定程度,以至于某些細(xì)菌入侵腸上皮,而細(xì)菌和腸上皮細(xì)胞之間的距離比正常飲水組縮短了50%以上,但在無(wú)菌小鼠中,CMC 和P80 引起的黏液變薄并沒(méi)有發(fā)生[6]。 這表明CMC 和P80 對(duì)黏液厚度的影響是由腸道菌群所驅(qū)動(dòng)的。 最新的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明,母體攝入P80 后,黏液蛋白2 的表達(dá)水平下降,緊密連接蛋白中的閉合蛋白3 和閉合小環(huán)蛋白1 表達(dá)下降[45],這表明母體攝入P80 后,破壞了子代小鼠腸道屏障。

使用多粒子跟蹤技術(shù)對(duì)黏液中的熒光納米顆粒和大腸桿菌進(jìn)行跟蹤,結(jié)果顯示,當(dāng)用CMC 處理時(shí),黏液孔徑減小,導(dǎo)致大腸桿菌和顆粒通過(guò)黏液的擴(kuò)散速度顯著減慢。 而接觸P80 時(shí),最低限度地影響了黏液的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和顆粒擴(kuò)散,但增加了黏液中大腸桿菌的運(yùn)動(dòng)速度[46]。 此外,相對(duì)于正常飲水組,濃度為0.1%的P80 導(dǎo)致大腸桿菌跨M 細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)能力提高了59 倍,而P80 的濃度與大腸桿菌跨M 細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)能力之間存在著劑量依賴(lài)性關(guān)系[47]。值得注意的是,CMC 也會(huì)作為一種纖維加入到商業(yè)食品中,經(jīng)常食用膳食纖維有助于防止腸道菌群對(duì)腸道黏液屏障的侵蝕,減少病原體感染,降低結(jié)腸炎的發(fā)病率[48]。 但克羅恩病患者會(huì)增加CMC 的攝入量而限制其他膳食纖維的攝入量,這可能會(huì)加劇現(xiàn)有的腸道生態(tài)失調(diào),使其向更多黏液蛋白降解的方向發(fā)展,從而提高對(duì)黏液相關(guān)病原體的敏感性[49]。

最近的研究顯示,CMC 和P80 可提高粘附性侵襲性大腸桿菌(AIEC)的活性以及粘附腸上皮細(xì)胞的能力[4]。 而且野生型小鼠和IL-10-/-小鼠在攝入CMC 或P80 后,血清中鞭毛蛋白和脂多糖的表達(dá)量增加,這表明腸道通透性增加以及有相關(guān)的微生物易位[5-6,21]。 值得注意的是,在CRC 人群中,脂多糖的循環(huán)水平顯著升高[50]。 在人體內(nèi),血清抗鞭毛蛋白和抗脂多糖抗體濃度與CRC 風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)[51]。

綜上,CMC 和P80 會(huì)破壞腸道屏障,導(dǎo)致腸道通透性和細(xì)菌易位的變化,這可能會(huì)影響微生物群與腸上皮之間的相互作用,促進(jìn)炎癥的發(fā)生。 而與細(xì)菌/細(xì)菌產(chǎn)物的直接接觸會(huì)導(dǎo)致固有層中TLR4/MyD88 信號(hào)傳導(dǎo)途徑通過(guò)與腸道細(xì)菌衍生的脂多糖相互作用,進(jìn)而激活免疫細(xì)胞,導(dǎo)致促炎性介質(zhì)的分泌,從而使局部炎癥長(zhǎng)期存在[36]。

3.2 CMC 和P80 促進(jìn)炎癥的發(fā)生

用CMC 和P80 喂養(yǎng)野生型小鼠,小鼠糞便和血清中的脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2 水平增加,表現(xiàn)出腸道炎癥[6,21]。 而在IL-10-/-小鼠中,炎癥更加嚴(yán)重(結(jié)腸長(zhǎng)度進(jìn)一步縮短,組織學(xué)評(píng)分進(jìn)一步增加及糞便中脂質(zhì)運(yùn)載蛋白2 表達(dá)升高),這其中伴隨著腸道菌群的變化[6]。 用CMC 和P80 處理后的M-SHIME懸浮液灌胃無(wú)菌小鼠時(shí),促進(jìn)了低度炎癥相關(guān)表型[18],這表明由CMC 和P80 引起的腸道菌群變化促進(jìn)了低度炎癥反應(yīng)。 在IL-10-/-小鼠模型中,用CMC 處理后,發(fā)現(xiàn)白細(xì)胞向腸腔內(nèi)遷移,表現(xiàn)出炎癥,并伴隨著腸道菌群的變化,這些變化與克羅恩病患者中觀(guān)察到的變化相似[52]。 最新的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明,母體攝入P80 后,可促進(jìn)子代小鼠腸道低度炎癥反應(yīng),這是由腸道菌群所介導(dǎo)的。 而且還加重了子代小鼠成年后葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎癥[45]。 根據(jù)最近的研究發(fā)現(xiàn),炎癥性腸病患者中CRC 的發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)是時(shí)間依賴(lài)性的,10 年增加2%,20年增加8%,30 年增加18%[53]。

此外,CMC 和P80 顯著增加了趨化因子配體1的表達(dá),說(shuō)明CMC 和P80 促進(jìn)了腸道低度炎癥的發(fā)展。 而在CAC 小鼠模型中,炎癥因子和趨化因子的水平進(jìn)一步增加,炎癥更加嚴(yán)重,同時(shí)促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生發(fā)展[5]。 即使只單獨(dú)使用偶氮甲烷誘導(dǎo)的小鼠模型,CMC 和P80 也能夠?qū)е履c道炎癥,而CMC 導(dǎo)致的腸道炎癥足以誘導(dǎo)動(dòng)物癌變[5]。 最新的研究顯示,在AIEC 定植的相關(guān)小鼠模型中,CMC和P80 能改變腸道菌群,直接誘導(dǎo)細(xì)菌毒力基因的表達(dá)來(lái)介導(dǎo)炎癥反應(yīng),促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展[4]。 而且在一項(xiàng)跟蹤調(diào)查的研究結(jié)果顯示,在20 年的隨訪(fǎng)中,飲食中含有最促炎性食物的25%個(gè)體與飲食中含最少炎性食物的25%個(gè)體相比,患CRC 的可能性要高21%[54]。

2014 年,McAllister 等[55]得出結(jié)論,與腫瘤相關(guān)性炎癥是腫瘤的第七個(gè)標(biāo)志。 臨床和流行病學(xué)證據(jù)也表明,慢性炎癥是幾個(gè)胃腸道惡性腫瘤(CRC、胃癌、食管癌等)的主要危險(xiǎn)因素[56]。 此外,動(dòng)物和人類(lèi)研究發(fā)現(xiàn)促癌性腸道菌群可能通過(guò)多種潛在機(jī)制(包括誘導(dǎo)炎癥反應(yīng))促進(jìn)CRC 的發(fā)展[57]。 有研究顯示,在慢性腸道炎癥狀態(tài)下,腸道菌群改變可促進(jìn)肝癌進(jìn)展[58]。 根據(jù)以上相關(guān)研究,本綜述推測(cè)由CMC 和P80 導(dǎo)致的腸道炎癥和腸道菌群的紊亂可能會(huì)促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展。

3.3 CMC 和P80 改變腸上皮細(xì)胞增殖/凋亡水平

在野生型小鼠中, CMC 和P80 攝入后,CyclinD1、CyclinD2 和Ki67 編碼基因的表達(dá)顯著失調(diào),而在CAC 小鼠模型中,這些基因的表達(dá)進(jìn)一步失調(diào)。 但在無(wú)菌小鼠中,這些基因的表達(dá)都未改變[5]。 值得注意的是,將小鼠(用CMC 和P80 喂養(yǎng)12 周的野生型小鼠)的糞便懸液經(jīng)灌胃給予正常的無(wú)菌小鼠,發(fā)現(xiàn)CyclinD1 和CyclinD2 編碼基因的表達(dá)發(fā)生改變[5]。 這表明CMC 和P80 誘導(dǎo)的腸道菌群組成改變?cè)诖龠M(jìn)癌變中起著中心和直接的作用。以上這些結(jié)果表明,CMC 和P80 以微生物依賴(lài)的方式改變腸上皮細(xì)胞的增殖/凋亡水平,進(jìn)而促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展。

根據(jù)最近的研究顯示,在CAC 小鼠模型中,CMC 和P80 的攝入會(huì)增加腫瘤的大小和數(shù)量,促進(jìn)CRC 的發(fā)展。 同時(shí),在野生型小鼠中,CMC 和P80攝入后會(huì)增加Ki67 和TUNEL 陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量。 而在CAC 小鼠模型中,CMC 和P80 會(huì)進(jìn)一步顯著增加這兩種陽(yáng)性細(xì)胞的數(shù)量[5]。 這表明在炎癥狀態(tài)下,CMC 和P80 的攝入更易擾亂腸上皮細(xì)胞的增殖/凋亡平衡,從而增加細(xì)胞的更新,為腫瘤的發(fā)生創(chuàng)造一個(gè)合適的環(huán)境。

維持慢性增殖的能力是癌細(xì)胞最基本的特性之一,某些抗癌藥物(如洛鉑)可能是通過(guò)抑制細(xì)胞增殖以及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡而作為一種抗結(jié)腸癌的藥物[59]。 而CMC 和P80 促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖,擾亂了腸上皮細(xì)胞增殖/凋亡水平,可能對(duì)CRC 的發(fā)生發(fā)展有一定影響。

4 小結(jié)與展望

本課題組前期研究表明,食品添加劑中的三氯蔗糖會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)和腸道屏障受損,并加劇腸道炎癥以及促進(jìn)結(jié)腸腫瘤的發(fā)生[60]。 結(jié)合以上研究,本綜述推測(cè)膳食乳化劑CMC 和P80 可能通過(guò)導(dǎo)致腸道菌群失調(diào),改變腸道菌群代謝產(chǎn)物水平或通過(guò)破壞腸道屏障,增加細(xì)菌入侵,從而導(dǎo)致腸道炎癥和/或改變腸上皮細(xì)胞增殖/凋亡水平,促進(jìn)CRC 的發(fā)生發(fā)展。 但CMC 和P80 驅(qū)動(dòng)腸道炎癥和CRC 的關(guān)鍵細(xì)菌種類(lèi)尚不明確以及改變腸道菌群導(dǎo)致炎癥和CRC 的確切機(jī)制也尚不清楚,這都值得進(jìn)一步深入探索。 我們或許可以通過(guò)宏基因組分析和糞菌移植的方法來(lái)尋找CMC 和P80 影響CRC的關(guān)鍵細(xì)菌,從該細(xì)菌的特點(diǎn)出發(fā)去研究其促進(jìn)CRC 發(fā)生發(fā)展的機(jī)制等。 此外,我們平時(shí)需要注意健康飲食,營(yíng)造一個(gè)良好的腸道環(huán)境以減少腸道相關(guān)疾病的發(fā)生,期望將來(lái)可能通過(guò)飲食指導(dǎo)以達(dá)到預(yù)防CRC 的發(fā)生或降低CRC 的發(fā)病率。