腸道菌群代謝產(chǎn)物在腫瘤中的研究進展

陶明陽, 許宜行, 梁 悅, 朱思源, 嚴雪冰

(揚州大學附屬醫(yī)院 腫瘤科, 揚州大學, 江蘇 揚州, 225000)

研究[1-3]表明腸道菌群在惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用。腸道菌群通過與宿主作用來調(diào)節(jié)腫瘤生長及轉(zhuǎn)移，并影響放化療、免疫治療等治療效果[4]。最新研究[5]表明腸道菌群不僅可以與腫瘤細胞直接作用，而且可以通過產(chǎn)生代謝產(chǎn)物間接發(fā)揮抑癌或促癌效應。腸道菌群代謝產(chǎn)物如脂多糖、膽汁酸、硫化氫、短鏈脂肪酸等通過多種分子機制促進或抑制腫瘤的惡性進展。本研究對腸道菌群代謝產(chǎn)物在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用機制進行綜述，以期為腫瘤的個體化診療提供新的診斷標記物及治療靶點。

1 腸道菌群與腫瘤

近年來，隨著測序技術的飛速發(fā)展，越來越多的腸道細菌被證實參與多種腫瘤的發(fā)生與發(fā)展。具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum, Fn)感染結(jié)直腸癌(CRC)產(chǎn)生外泌體，進而通過miR-1246/92b-3p/27a-3p和趨化因子16促進CRC轉(zhuǎn)移[6]。作者團隊前期通過代謝組學及無菌小鼠模型[7]發(fā)現(xiàn)Fn感染激活Toll樣受體4(TLR4)信號通路上調(diào)細胞色素P450單氧酶表達水平，進而促進CRC細胞代謝產(chǎn)生12, 13-EpOME，最終誘導腫瘤細胞發(fā)生上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)。Fn還可以通過抑制腫瘤浸潤性T細胞積聚促進乳腺癌的生長及轉(zhuǎn)移，而抗生素干預則可拮抗Fn介導的促癌效應[8]。在前列腺癌中, Rikenellaceae、Alistipes和Lachnospira等細菌富集于高風險患者的腸道菌群中，并且相關菌群組合診斷高風險前列腺癌的效能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)前列腺癌特異抗原檢測[9]。在接受放化療的宮頸癌患者中，卟啉單胞菌屬與治療后短期生存獲益相關，而大腸志賀氏桿菌和腸桿菌科則與治療后長期生存獲益相關[10]。作者團隊前期對比分析CRC患者術前、術后及化療期間腸道菌群變化，發(fā)現(xiàn)CapeOx化療方案可引起腸道益生菌豐度減少、致病菌豐度增加，提示干預腸道菌群在術后輔助化療中的潛在應用前景[11]。

近年來，免疫檢查點抑制劑(ICI)在腫瘤治療中的地位愈加重要，腸道菌群則是影響其抗腫瘤效果及毒副反應的關鍵因素之一[12]。雙歧桿菌可激活成熟樹突狀細胞，進而增強抗程序性死亡受體1(PD-1)治療的效果，而脆弱擬桿菌和伯克霍爾德氏菌目則與抗細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4(CTLA-4)治療獲益相關[13]。此外，產(chǎn)丁酸鹽細菌能夠通過促進白細胞介素-10分泌、誘導調(diào)節(jié)性T細胞分化和保護屏障功能等途徑抑制ICI相關腸炎的發(fā)生發(fā)展[14]。由此可見，腸道菌群在腫瘤領域具有重要的研究及轉(zhuǎn)化價值，對其促癌或抑癌機制深入探索將有助于新型精準抗腫瘤策略的建立。然而，目前多數(shù)基礎研究僅聚焦于腸道菌群與腫瘤細胞的直接互作，卻忽視其代謝產(chǎn)物的潛在作用。因此，對腸道菌群代謝產(chǎn)物的深入研究不僅能夠進一步豐富腸道菌群促癌/抑癌理論體系，同時也能為拮抗致病菌群介導的腫瘤發(fā)生發(fā)展提供新的干預靶點。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物與腫瘤

2.1 脂多糖(LPS)

LPS由脂質(zhì)和多糖構(gòu)成，是革蘭氏陰性腸道細菌主要代謝產(chǎn)物之一。在臨床研究中，研究者[15]利用16S rRNA測序發(fā)現(xiàn)產(chǎn)LPS細菌更易富集于胰腺癌患者的腸道中，并推測其致癌機制可能是LPS通過激活核因子Kβ信號通路促進慢性炎癥及氧化損傷。研究者[16]利用相同檢測手段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)LPS細菌(例如腸球菌)也富集于肝硬化相關肝細胞癌患者的腸道菌群中，并推測腸道菌群來源LPS可激活TLR4信號通路，進而營造適合腫瘤發(fā)生發(fā)展的肝臟微環(huán)境。在早期結(jié)直腸癌中，患者血清LPS水平與Fn及腸桿菌豐度呈正相關，提示Fn、腸桿菌可能通過LPS促進早期腸上皮細胞惡性轉(zhuǎn)變[17]。在機制研究中，菌群來源的LPS可以促進單核細胞樣巨噬細胞積聚并刺激其產(chǎn)生白細胞介素-1β，進而誘導T淋巴輔助細胞產(chǎn)生白細胞介素-17A，最終介導腸炎向腸癌惡性轉(zhuǎn)化[18]。在抗生素預處理的小鼠腸癌模型中，大腸桿菌干預不僅能促進腸道腫瘤生長及增加肝轉(zhuǎn)移灶數(shù)量，而且會誘導LPS分泌，提示LPS可能在大腸桿菌介導的腸癌發(fā)展過程中扮演著重要角色[19]。因此，腸道菌群來源的LPS在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用，對其檢測有望成為新型早期腫瘤非侵襲篩查或診斷手段，同時如何精準拮抗其介導的促癌效應有待于更多的基礎研究來探索。

2.2 膽汁酸

研究[20]表明腸道菌群可通過將肝臟產(chǎn)生的初級膽汁酸代謝為次級膽汁酸，進而參與慢性疾病及惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展。國內(nèi)學者[21]發(fā)現(xiàn)CRC患者較正常體檢人群血液中總膽汁酸及次級膽汁酸含量顯著升高，并且還發(fā)現(xiàn)上述CRC患者腫瘤組織中細菌結(jié)構(gòu)較癌旁正常組織顯著改變，提示腸道菌群可能通過影響膽汁酸代謝促進CRC發(fā)生發(fā)展。在腸炎相關性腫瘤(CAC)小鼠模型中，含膽鹽水解酶的腸道菌群豐度減少，膽汁酸代謝受到抑制而積聚于腸上皮細胞，誘導炎癥反應及加重屏障損傷，最終促進CAC的發(fā)生發(fā)展[22]。在肝癌中，腸道菌群介導的次級膽汁酸代謝不僅能夠抑制自然殺傷T細胞介導的抗腫瘤免疫反應，而且能促進多種促炎因子及促癌分子(如白細胞介素-6和趨化因子1等)的分泌[23]。機制研究[24]還表明腸道菌群可能通過調(diào)控法尼酯X受體(FXR)和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1影響膽汁酸代謝，最終改變肝臟代謝環(huán)境并促進肝癌發(fā)生。

高脂飲食是誘發(fā)CRC的重要風險因素之一，研究[25]表明高脂飲食可以改變腸道菌群結(jié)構(gòu)，進而刺激其介導的次級膽汁酸(如石膽酸和脫氧膽酸)產(chǎn)生，激活致癌Wnt信號通路并最終誘導正常腸上皮細胞惡性轉(zhuǎn)變。利用APC-Min突變小鼠模型，研究者[26]還發(fā)現(xiàn)腸道菌群介導的膽汁酸代謝與腸道腺瘤發(fā)生密切相關，提示糞便膽汁酸檢測可作為非侵襲診斷方法用于結(jié)直腸癌風險人群的篩查。利用相同的動物模型，研究者[27]進一步發(fā)現(xiàn)游離脂肪酸受體2(FFAR2)缺失可通過影響腸道菌群結(jié)構(gòu)而調(diào)節(jié)膽汁酸代謝及脂肪酸氧化，最終加快結(jié)腸腺瘤的形成。此外，最新研究[28]發(fā)現(xiàn)糞菌移植(FMT)可通過恢復腸道菌群多樣性調(diào)控膽汁酸代謝，進而抑制CRC進展或增強ICI藥物的臨床效果。由此可見，腸道菌群介導的膽汁酸代謝在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，靶向該代謝途徑中關鍵調(diào)控分子或腸道細菌有望為個體化抗腫瘤治療提供新思路。

2.3 硫化氫(H2S)

H2S主要由腸道中硫酸還原菌代謝食物中的硫酸產(chǎn)生，其在結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展中所扮演的角色目前尚未明確[29]。例如，研究者[30]發(fā)現(xiàn)腸道菌群代謝的H2S可能通過介導慢性炎癥和DNA損傷促進結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展。另一方面，研究者[31]卻發(fā)現(xiàn)H2S能夠調(diào)控瞬時感受器電位香草酸受體1表達，進而激活細胞內(nèi)鈣離子信號，最終抑制轉(zhuǎn)移性結(jié)直腸癌細胞的增殖。在惡性膠質(zhì)瘤中，高脂飲食可以通過減少H2S合成增強腫瘤干細胞表型，進而增強腫瘤細胞的增殖及化療抵抗能力[32]。研究[33]發(fā)現(xiàn)H2S能夠通過多種經(jīng)典信號通路如磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)、核因子κB(NF-κB)及絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)等抑制胰腺癌細胞的增殖、侵襲及轉(zhuǎn)移。但在乳腺癌中, H2S則被認為可促進腫瘤發(fā)生發(fā)展，且其合成的關鍵酶——胱硫醚-β-合成酶的拮抗劑能夠顯著抑制體內(nèi)外培養(yǎng)的乳腺癌細胞的增殖能力[34]。目前研究[33]認為低含量H2S可能發(fā)揮促癌作用，而高含量H2S則發(fā)揮抑癌作用。因此，一方面需要更多的機制研究來明確H2S在不同腫瘤中所扮演的角色，另一方面能否通過調(diào)節(jié)腸道菌群介導的H2S代謝來增強其抗腫瘤效應也是今后值得關注的研究方向。

2.4 短鏈脂肪酸(SCFAs)

既往研究[35]表明腸道菌群代謝產(chǎn)生的SCFAs(主要為乙酸、丙酸和丁酸)不僅參與維持細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，在腫瘤發(fā)生發(fā)展中也發(fā)揮著重要作用。在CRC中，SCFAs可能通過以下3種途徑發(fā)揮抑癌效應: ① SCFAs可通過表觀遺傳機制(如乙?；虳NA去甲基化)誘導腫瘤細胞凋亡; ② SCFAs及其受體可影響調(diào)節(jié)性T細胞、樹突狀細胞及巨噬細胞在內(nèi)的多種免疫細胞激活宿主抗腫瘤免疫反應; ③ SCFAs通過調(diào)控經(jīng)典腫瘤信號通路[如PI3K和信號傳導及轉(zhuǎn)錄激活因子(STAT)或microRNA(如miR-92a)]抑制腫瘤細胞的惡性潛能[36-37]。此外，研究[38]發(fā)現(xiàn)丁酸作為組蛋白脫乙酰基酶抑制劑可增強叉頭蛋白家族O3(FOXO3)轉(zhuǎn)錄活性，進而抑制干細胞的增殖并阻止正常腸上皮細胞的惡性轉(zhuǎn)化。在肺癌中，菌群代謝產(chǎn)生的丙酸能夠通過上調(diào)P21表達水平及下調(diào)生存素表達水平誘導體外培養(yǎng)的腫瘤細胞發(fā)生凋亡[39]。研究[40]還發(fā)現(xiàn)補充益生菌可以增加腸道內(nèi)產(chǎn)丁酸細菌的豐度，而循環(huán)丁酸含量增多可上調(diào)肺內(nèi)皮細胞中趨化因子(CC基序)配體20的表達水平并招募輔助性T細胞17至肺來抑制黑色素瘤肺轉(zhuǎn)移的發(fā)生。

研究者[41]從健康人群糞便中分離出大腸桿菌KUB-36并發(fā)現(xiàn)其可代謝產(chǎn)生乙酸為主的多種SCFAs，進一步功能試驗表明KUB-36代謝產(chǎn)物對正常乳腺細胞株MCF10A具有低細胞毒性，但對結(jié)腸癌細胞株HT-29及乳腺癌細胞株MCF7具有高細胞毒性，提示KUB-36可能通過產(chǎn)生SCFAs發(fā)揮抑癌效應。但在前列腺癌中，多種產(chǎn)SCFA細菌(如Rikenellaceae和Clostridiales)能夠通過SCFAs激活胰島素樣生長因子1(IGF-1)/胰島素樣生長因子1受體(IGF-1R)信號軸，進而激活下游PI3K及MAPK信號并最終促進腫瘤生長能力，提示菌群代謝產(chǎn)生的SCFAs也可能發(fā)揮促癌作用[42]。靶向PD-1的免疫治療已成為目前晚期腫瘤治療的重要手段，研究[43]在小鼠腸癌模型中發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可將膳食纖維代謝為丁酸，進而促進T細胞浸潤并增強抗PD-1藥物的抑癌效果。SCFAs也可以誘導T細胞分化，因而在血液及糞便組織中檢測其水平可有助于識別能從腫瘤免疫治療中長期獲益的潛在人群[44]。然而，也有臨床研究[45]發(fā)現(xiàn)血液中丁酸及丙酸濃度與抗CTLA-4藥物臨床效果呈負相關，進一步機制研究提示丁酸可能拮抗CTLA-4藥物介導的腫瘤特異T細胞及記憶T細胞積聚以及樹突狀細胞中CD80/CD86表達上調(diào)。因此, SCFAs在腫瘤進展及抗腫瘤治療中所發(fā)揮的作用仍需要更多的臨床驗證及體內(nèi)外試驗來明確，同時篩選出關鍵SCFAs及關聯(lián)腸道菌群對于后續(xù)轉(zhuǎn)化研究也尤為重要。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，腸道菌群通過其代謝產(chǎn)物不僅參與了多種惡性腫瘤的發(fā)生發(fā)展，而且影響了抗腫瘤治療的臨床效果。因此，腸道菌群來源的代謝產(chǎn)物有望成為腫瘤新型診斷標記物及治療靶點。目前仍存在許多問題: 首先，腸道菌群代謝產(chǎn)物在不同腫瘤中的臨床價值及生物學作用仍需更多的研究來明確; 其次，如何篩選檢測腫瘤相關的核心代謝產(chǎn)物并界定其閾值范圍顯得尤為關鍵; 最后，是否可以通過干預腸道菌群(如抗生素、益生菌及FMT等)影響代謝產(chǎn)物的促癌或抑癌作用也是未來值得探索的方向。相信隨著宏基因組學和代謝組學研究的不斷深入，靶向腸道菌群代謝產(chǎn)物有望成為未來腫瘤精準診療策略的新方向。