菌群代謝物在結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移中作用及機制研究進展

黃鑫源 張澍田

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院消化內(nèi)科 國家消化系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 北京市消化疾病中心 消化疾病癌前病變北京市重點實驗室，北京 100050)

結(jié)直腸癌(CRC)是全球最常見的癌癥之一，每年有超過185萬的新發(fā)病例和85萬死亡病例〔1～3〕，但就其發(fā)病率和死亡率而言在世界常見癌癥中位居第二〔4〕。CRC的發(fā)病多是散發(fā)性的，患者人群主要為老年人〔5〕。CRC起源于結(jié)直腸上皮細(xì)胞，病因尚不清楚，但是觸發(fā)疾病的因素有很多，如遺傳、飲食習(xí)慣和生活環(huán)境等〔6〕。根據(jù)流行病學(xué)調(diào)查，遺傳因素導(dǎo)致的疾病只是CRC病例的小部分，而飲食習(xí)慣和生活環(huán)境導(dǎo)致的CRC占據(jù)了大多數(shù)〔7〕，遷移到西方國家或采用西方生活方式的人群患CRC的風(fēng)險增加，表明了CRC是由宿主與環(huán)境相互作用導(dǎo)致的疾病〔8,9〕，并且病程較長，發(fā)展到癌癥階段往往需要數(shù)十年時間。許多研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物對人類健康影響重大，可以通過調(diào)節(jié)機體的免疫反應(yīng)、遺傳損傷和凋亡在宿主生理和疾病(如癌癥)中的作用〔8,10〕。宿主飲食影響腸道微生物群落及其代謝產(chǎn)物，使微生物及其代謝產(chǎn)物成為環(huán)境與宿主身體健康狀況的“橋梁”，如在受環(huán)境因素影響較大的CRC發(fā)生和發(fā)展中，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物發(fā)揮重要作用〔10～12〕。

人體的腸道菌群分布并不均勻，結(jié)腸和直腸是定植菌體最多的部位，菌群及其代謝產(chǎn)物在CRC的研究屬于較活躍的領(lǐng)域。并且越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物強烈影響宿主的免疫系統(tǒng)〔13,14〕。在菌群的代謝產(chǎn)物中，次生膽汁酸、乳酸、氧化三甲胺(TMAO)、N-亞硝基的化合物(NOC)、4-羥基苯乙酸(HO-PAA)和苯乙酸(PAA)等與CRC進展有關(guān)的代謝物相比，短鏈脂肪酸(丁酸、丙酸、乙酸和煙酸)等代謝物對宿主抵抗CRC具有保護作用〔15〕。人體的飲食或環(huán)境產(chǎn)生變化后，可能會導(dǎo)致機體與微生物之間的生態(tài)平衡失調(diào)，進而產(chǎn)生一些對機體有害的次級代謝產(chǎn)物而推動CRC的發(fā)展。相對于CRC發(fā)生的漫長過程而言，CRC的轉(zhuǎn)移比較迅速，確診時往往已是晚期。CRC轉(zhuǎn)移機制較復(fù)雜，目前尚沒有明確解釋，在菌群的代謝物中，一些可能在結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移中發(fā)揮潛在作用，比如NOC和乙醛等〔16〕，為CRC轉(zhuǎn)移的機制研究提供了新思路。因而本研究主要綜述微生物群代謝物在CRC轉(zhuǎn)移中的作用及機制，為CRC轉(zhuǎn)移診斷的治療提供支持。

1 腸道菌群和CRC轉(zhuǎn)移

腸道中微生物數(shù)量比人體細(xì)胞數(shù)量多10倍，細(xì)菌編碼的基因總數(shù)是人類基因組的150倍〔17〕，這些菌群與機體的生態(tài)失衡，最先可能導(dǎo)致炎癥反應(yīng)，進而出現(xiàn)不典型增生，最后發(fā)展成為癌癥〔18〕。腸道菌群與CRC關(guān)系的發(fā)現(xiàn)得益于測序技術(shù)的發(fā)展，Kostic等〔19〕通過測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)厭氧細(xì)菌核梭桿菌在CRC中高表達，隨后研究發(fā)現(xiàn)腫瘤組織及糞便中細(xì)菌的多樣性減低，其中變形菌門、梭菌門和黏膠球形菌門在糞便樣本中增多，但是厚壁菌門和放線菌門明顯減少〔20,21〕。而在CRC組織中梭桿菌屬、胃鏈球菌屬、卟啉單胞菌屬、普雷沃菌屬、細(xì)小桿菌屬、擬桿菌屬和孿生球菌屬顯著富集〔22〕，而氏菌屬、梭菌屬、糞桿菌屬和雙歧桿菌屬則顯著減少〔21〕。這種腸道菌群多樣性的減低導(dǎo)致菌群環(huán)境惡化，刺激腸道上皮細(xì)胞激活核轉(zhuǎn)錄因子(NF)-κB通路驅(qū)動炎癥反應(yīng)〔23〕。研究報道稱炎癥和腸道菌群是通過雙向關(guān)系緊密聯(lián)系的，一方面白細(xì)胞介素(IL)-33可以激活B細(xì)胞產(chǎn)生免疫球蛋白(Ig)A，維持腸道微生物群的穩(wěn)態(tài)，另一方面腸道菌群的重塑可以激活I(lǐng)L-1α的釋放，誘導(dǎo)結(jié)腸炎和炎癥相關(guān)腫瘤的形成〔24,25〕，這種由菌群失調(diào)導(dǎo)致的長期慢性輕度炎癥伴隨著衰老的進程是老年CRC發(fā)生的主要原因。

CRC的轉(zhuǎn)移主要是癌細(xì)胞表型發(fā)生改變進而導(dǎo)致癌細(xì)胞獲得侵襲性，這種表型的改變主要是上皮-間質(zhì)的轉(zhuǎn)化(EMT)〔26〕，EMT是一種進化上比較保守的發(fā)育過程，通過增強移動性、侵襲性和對凋亡刺激的抵抗，賦予癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移特性。多種激酶介導(dǎo)的信號通路參與EMT和轉(zhuǎn)移，其中一些是由細(xì)菌感染啟動的，比如IL-10缺失的小鼠模型中，屎腸球菌可以通過轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)β-1/Smad信號通路打破上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，造成EMT 導(dǎo)致結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移〔27〕。不僅如此，也有研究曾報道腸道微生物可以刺激組織蛋白酶K分泌Toll樣受體(TLR)4依賴性的M2巨噬細(xì)胞極化，促進CRC的腫瘤轉(zhuǎn)移〔28〕。具核梭菌則可以通過長鏈非編碼RNA(lncRNA)EVADR〔29〕或激活NF-κB途徑的感染上調(diào)角蛋白(KRT)7〔30〕促進結(jié)腸癌的轉(zhuǎn)移。

2 菌群代謝物和CRC轉(zhuǎn)移的機制

腸道細(xì)菌不僅可以直接與細(xì)胞相互作用參與宿主的生物學(xué)功能，還可以通過腸道菌群合成大量的代謝物或生物活性化合物參與疾病或正常生理的發(fā)生。腸道菌群代謝物組成主要包括揮發(fā)性小分子、脂類、蛋白質(zhì)和多肽、糖類、次級膽汁產(chǎn)物或萜類、生物胺、低聚糖、糖脂、有機酸和氨基酸等〔9,31〕，這些代謝物可以導(dǎo)致機體持續(xù)處于炎癥狀態(tài)。目前已有研究報道腸道微生物代謝物和結(jié)直腸腫瘤的轉(zhuǎn)移相關(guān)，如一些有害微生物衍生代謝物：TMAO、硫化氫(H2S)、NOCs等，這些代謝物一旦通過黏膜屏障可直接作用于腸上皮或間質(zhì)細(xì)胞的免疫應(yīng)答，觸發(fā)腫瘤壞死因子(TNF)、IL-17等促炎癥信號而促進CRC的進展〔9,15,32,33〕。也有研究通過動物模型驗證了腸道菌群代謝物促進基因毒性因子釋放，干擾宿主免疫系統(tǒng)而影響CRC的進展〔34,35〕。不僅如此，菌群代謝物更容易通過黏膜移位，調(diào)節(jié)癌癥耐受性和進展。也有研究表明，結(jié)腸癌的發(fā)生和轉(zhuǎn)移不僅與有害代謝物的增高有關(guān)，還可能與一些有益的菌群代謝物如丁酸鹽、短鏈脂肪酸、次級膽汁酸、多胺、吲哚、甲胺、多酚、維生素等相關(guān)〔15,32,36〕，研究證明其可抵抗CRC。這些保護性菌群代謝物的減低也是導(dǎo)致CRC發(fā)生和發(fā)展的重要因素。

菌群代謝物與CRC轉(zhuǎn)移的關(guān)系已經(jīng)有多項研究報道〔28,37,38〕，但是相關(guān)轉(zhuǎn)移機制目前尚不清楚。CRC轉(zhuǎn)移中常見的短鏈脂肪酸包括醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，丁酸可進入腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞核，作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑，阻斷腫瘤細(xì)胞的增殖〔39〕。丁酸鈉可以降低小鼠肝臟IL-10的分泌，增加IL-17的分泌而改善宿主的免疫應(yīng)答，降低結(jié)腸癌的肝轉(zhuǎn)移〔40〕。植物乳酸菌代謝物YYC-3可以通過抑制血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)/基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)信號通路抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移〔41〕，此外Norouzi等〔42〕報道乳酸鏈球菌的代謝物乳鏈菌肽，可以通過減弱抑制結(jié)腸癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移基因MMP2和癌胚抗原(CEA)的表達而抑制結(jié)腸癌轉(zhuǎn)移。在CRC組織中有大量的脂多糖(LPS)，通過阻斷腫瘤內(nèi)的LPS，顯著緩解了免疫抑制的微環(huán)境，促進細(xì)胞程序性死亡-配體(PD-L)1單體抗體治療CRC效果，減弱了CRC的肝轉(zhuǎn)移〔43,44〕。?；撬嵋詣┝恳蕾嚨姆绞秸{(diào)節(jié)EMT相關(guān)基因的表達水平，還可以通過抑制細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK)/核糖體S6激酶(RSK)信號通路減輕低?；撬嵴T導(dǎo)的CRC的肝轉(zhuǎn)移〔45〕。有研究表明去氧膽酸(DCA)能加速CRC細(xì)胞的增殖和轉(zhuǎn)移，但是具體機制尚不清楚〔46〕。這些代謝物與CRC轉(zhuǎn)移之間關(guān)系的研究為代謝、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和腫瘤病理生理學(xué)之間的相互作用提供了證據(jù)，也為CRC轉(zhuǎn)移的早期診斷和治療提供了新思路。

綜上，CRC是一種病因、發(fā)病機制和轉(zhuǎn)移機制都比較復(fù)雜的老年相關(guān)性疾病，腸道菌群與CRC的發(fā)生和發(fā)展都有著密切聯(lián)系。當(dāng)宿主腸道菌群失調(diào)后，腸道益生菌減低而致病菌增多，腸道菌群多樣性減低而導(dǎo)致刺激腸道出現(xiàn)炎癥。菌群代謝產(chǎn)物TMAO、次級膽汁酸、H2S和NOCs作為重要的信號分子，介導(dǎo)微生物與宿主之間的交互作用，在CRC發(fā)生過程中發(fā)揮著重要作用。另外，丁酸鈉、YYC-3、乳鏈菌肽和LPS在CRC的轉(zhuǎn)移中有重要意義，但是這些代謝物與CRC相互作用的深入分子機制及代謝物之間的直接協(xié)同作用仍有待闡明。還有一些有爭議的研究，比如部分有害代謝物雖然同時具有抗癌和促腫瘤的特性，但這取決于許多因素如腔內(nèi)濃度、結(jié)腸停滯的持續(xù)時間、與其他代謝物的相互作用及腫瘤的發(fā)展階段等。目前關(guān)于某些代謝物對CRC確切影響的證據(jù)有限，因此闡明腸道微生物來源代謝物和結(jié)腸之間的確切機制對于理解代謝物在人類CRC發(fā)生和轉(zhuǎn)移中的作用至關(guān)重要，對于菌群代謝物的研究有助于CRC診斷和治療的新策略。