腸道菌群在肝細(xì)胞癌中的作用及治療應(yīng)用的研究進(jìn)展

殷鼎威 綜述 井杰 審校

作者單位：1.中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九〇三醫(yī)院血液腫瘤科(杭州 310013);2.海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院實(shí)驗(yàn)診斷科

肝細(xì)胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是世界范圍內(nèi)最常見的原發(fā)性肝癌,發(fā)病率在所有惡性腫瘤中排名第六位,死亡率排在所有癌癥中的第三位[1]。近年來(lái),隨著高通量測(cè)序技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用,越來(lái)越多的研究表明,存在于宿主腸道中的微生物菌群,可通過(guò)自身成分、代謝物及移位等,參與宿主細(xì)胞的代謝、免疫等局部或全身性生理病理過(guò)程,促進(jìn)宿主癌癥的發(fā)生發(fā)展[2-4]。例如,胰腺導(dǎo)管癌動(dòng)物模型的腸道真菌可遷移至胰腺,并在胰腺內(nèi)增殖,影響胰腺癌的惡化進(jìn)展[5]。改變結(jié)直腸癌動(dòng)物模型的腸道菌群組成會(huì)影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展[6]。近期研究也表明,腸道菌群可通過(guò)菌群失衡、腸滲漏和微生物相關(guān)分子模式(Microbe-associated molecular patterns,MAMPs)及其代謝產(chǎn)物等方式,進(jìn)一步以影響肝臟炎癥、增強(qiáng)細(xì)胞增殖和抑制抗腫瘤免疫等機(jī)制來(lái)促進(jìn)HCC的發(fā)生發(fā)展[7]。本文將介紹腸道菌群與慢性肝病之間的聯(lián)系,重點(diǎn)闡述腸道菌群在HCC發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用機(jī)制,并探討基于腸道微生態(tài)理論的HCC治療策略。

1 腸道菌群與腸黏膜屏障

腸道菌群是指寄居在宿主小腸和大腸中的數(shù)十萬(wàn)億個(gè)共生細(xì)菌和其它微生物的統(tǒng)稱[8]。作為復(fù)雜而又動(dòng)態(tài)變化的微生物生態(tài)系統(tǒng),寄居在宿主的腸道菌群被認(rèn)為是一種特殊的“微生物器官”,通過(guò)菌群的總數(shù)和多樣性,以促進(jìn)食物消化、調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)和產(chǎn)生多種代謝物等方式來(lái)調(diào)節(jié)宿主代謝平衡[9-10]。當(dāng)腸道菌群的組成對(duì)宿主有益時(shí),菌群和宿主之間的關(guān)系稱為“共生”。相反,這種有益關(guān)系的破壞或菌群與宿主之間的不平衡稱為“菌群失衡”。菌群失衡常導(dǎo)致腸黏膜通透性增加,并削弱腸黏膜相關(guān)防御功能[11]。

腸黏膜屏障由粘液層、腸上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞組成,是腸道滲漏物及菌群代謝物進(jìn)入肝臟的第一道過(guò)濾器。已有研究發(fā)現(xiàn)多種因素會(huì)改變腸黏膜屏障通透性。例如,乙醇對(duì)上皮細(xì)胞具有毒性,可破壞腸上皮細(xì)胞間的緊密連接,致其通透性增強(qiáng)[12-13]。高脂肪飲食(High fat diets,HFDs)可直接或間接加劇腸黏膜屏障損傷。HFDs通過(guò)刺激小腸細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng),增加腸道菌群中腸黏膜屏障破壞物種的數(shù)量,增強(qiáng)腸黏膜炎癥反應(yīng)[14]。HFDs還可增強(qiáng)肝臟對(duì)膽固醇轉(zhuǎn)變?yōu)槟懼岬拇x,從而影響腸道菌群對(duì)膽汁酸的修飾,導(dǎo)致次級(jí)膽汁酸水平增加,如產(chǎn)生的脫氧膽酸(Deoxycholic acid,DCA)可通過(guò)增強(qiáng)活性氧生成誘導(dǎo)腸黏膜屏障通透性改變[14-15]。通過(guò)腸黏膜屏障后,腸道滲漏物及菌群代謝物可通過(guò)門靜脈轉(zhuǎn)移至肝臟。

2 腸道菌群與慢性肝臟疾病

慢性肝病如慢性乙型肝炎、酒精性肝病(Alcoholic liver disease,ALD)、非酒精性脂肪肝病(Nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)、非酒精性脂肪性肝炎(Nonalcoholic steatohepatitis,NASH)及肝硬化等是HCC發(fā)病的重要危險(xiǎn)因素[16]。既往研究表明,腸道菌群紊亂和腸道滲透性改變是慢性肝病晚期的共同特征[17-19]。腸道菌群失衡和腸通透性增加可促進(jìn)MAMPs及微生物有害代謝物,如脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)通過(guò)門靜脈流入肝竇,從而促發(fā)導(dǎo)致肝臟炎癥惡化的炎性級(jí)聯(lián)反應(yīng)[20]。比如,腸道菌群失衡和腸通透性增加造成ALD患者體內(nèi)LPS水平升高。LPS與Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)結(jié)合過(guò)度激活Kupffer細(xì)胞,繼而使機(jī)體產(chǎn)生大量炎癥細(xì)胞因子,導(dǎo)致ALD患者肝臟炎性改變并造成肝損傷[21-22]。對(duì)肥胖女性腸道菌群的分子表型特征研究表明,其腸道內(nèi)產(chǎn)LPS的菌群數(shù)量明顯增加[23]。此外,產(chǎn)LPS的菌群也被發(fā)現(xiàn)在NAFLD患者腸道中可持續(xù)富集[24]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了高脂肪飲食能夠增加小鼠腸道通透性,使其門靜脈內(nèi)LPS濃度增加,并通過(guò)肝細(xì)胞表面Toll樣受體介導(dǎo)肝臟炎癥,造成NAFLD患者持續(xù)性的肝損傷[25]。在慢性肝病發(fā)展過(guò)程中,腸黏膜屏障受損致使門靜脈和全身血液LPS水平升高,高水平LPS進(jìn)一步活化TLR4/TGF-β介導(dǎo)的肝星狀細(xì)胞(Hepatic stellate cell,HSC),并有助于其過(guò)度分泌和沉積膠原等細(xì)胞外基質(zhì)蛋白,導(dǎo)致肝硬化的發(fā)生[26]。

3 腸道菌群在HCC中的作用機(jī)制

3.1 腸滲漏及MAMPs-Toll樣受體促進(jìn)HCC的發(fā)生發(fā)展

慢性肝病和HCC發(fā)展的各個(gè)階段均存在腸滲漏現(xiàn)象[27],致使MAMPs從腸道漏出,通過(guò)門靜脈進(jìn)入肝臟,并通過(guò)肝細(xì)胞表面受體介導(dǎo)的信號(hào)通路促進(jìn)了HCC的發(fā)生發(fā)展。LPS是細(xì)菌細(xì)胞壁的重要組成部分。研究發(fā)現(xiàn)在致癌劑誘導(dǎo)的HCC小鼠模型循環(huán)血液內(nèi)可檢測(cè)到高水平的LPS,長(zhǎng)期應(yīng)用低毒劑量的LPS可顯著增加HCC腫瘤的體積和數(shù)量[28]。LPS由于腸道滲透性改變進(jìn)入到血液中,與肝細(xì)胞表面TLR4結(jié)合。TLR4存在于包括Kupffer細(xì)胞、HSC及內(nèi)皮細(xì)胞等在內(nèi)的多種類型肝細(xì)胞中。Dapito等[29]發(fā)現(xiàn)非骨髓來(lái)源的HSC和肝細(xì)胞是LPS的主要靶標(biāo),其通過(guò)與TLR4結(jié)合介導(dǎo)肝細(xì)胞再生,從而導(dǎo)致HSC的代償性增殖。LPS還可通過(guò)TLR4促進(jìn)肝分裂原上皮調(diào)節(jié)蛋白的表達(dá)增加,進(jìn)而促進(jìn)肝細(xì)胞增殖和抑制肝細(xì)胞凋亡。在HCC動(dòng)物模型中使用抗生素方案減少LPS,或?qū)Ω渭?xì)胞進(jìn)行TLR4基因敲除,可防止HCC過(guò)度增殖,證實(shí)了LPS-TLR4軸在HCC發(fā)生發(fā)展中的重要作用[28]。

3.2 菌群失衡及其代謝產(chǎn)物對(duì)HCC發(fā)生發(fā)展的作用

宏基因組測(cè)序揭示了慢性肝病和HCC患者腸道菌群的變化,表現(xiàn)為有害菌的增多,有益菌的減少[30-31]。比如在肝硬化患者中,表現(xiàn)為腸桿菌科及奈瑟菌科等有害菌增加,而乳桿菌、雙歧桿菌等有益菌卻顯著減少[32]。腸道菌群失衡可通過(guò)腸道菌群的有害代謝產(chǎn)物來(lái)影響HCC[33]。在NASH誘導(dǎo)的HCC中[27],腸道革蘭氏陽(yáng)性菌尤其是梭菌屬數(shù)量增加,導(dǎo)致血液中的細(xì)菌代謝物DCA合成增多。DCA主要是通過(guò)腸肝循環(huán)引起HSC中的促進(jìn)衰老相關(guān)的分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype,SASP)的產(chǎn)生,進(jìn)而在肝臟中分泌各種炎癥和促腫瘤因子,促進(jìn)NASH相關(guān)的HCC發(fā)展。在抑制細(xì)菌的7-α羥化酶后,膽汁酸代謝(7-α位脫羥基)為DCA受到限制,DCA血清水平降低,NASH相關(guān)的HCC的惡性進(jìn)展得到了緩解。進(jìn)一步研究表明,DCA主要通過(guò)激活mTOR信號(hào)通路誘導(dǎo)NASH相關(guān)的HCC發(fā)展[34]。除DCA外,腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)物如短鏈脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)不僅能夠?yàn)槟c上皮細(xì)胞提供能量來(lái)源,而且可以改變腸黏膜通透性,導(dǎo)致腸道有害滲漏增多,從而促進(jìn)HCC的發(fā)展[35]。

3.3 腸道菌群調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境影響HCC的發(fā)生發(fā)展

腸道菌群會(huì)影響腫瘤微環(huán)境,進(jìn)而促進(jìn)HCC的發(fā)展。Ma等[36]發(fā)現(xiàn)腸道菌群是抗腫瘤免疫的重要調(diào)節(jié)者,其使用膽汁酸作為信使來(lái)調(diào)節(jié)肝竇內(nèi)皮細(xì)胞上趨化因子CXCL16[Chemokine(C-X-C motif)Ligand 16,CXCL16]水平,從而控制趨化因子CXCL16依賴的肝自然殺傷T細(xì)胞(Natural killer T cells,NKT)積聚,積聚的NKT細(xì)胞具有激活的表型并抑制肝腫瘤的生長(zhǎng)。因此,通過(guò)抗生素治療去除革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌(含有將初級(jí)膽汁酸向次級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)化的細(xì)菌),相應(yīng)的次級(jí)膽汁酸減少和初級(jí)膽汁酸增加,有效誘導(dǎo)了肝臟NKT細(xì)胞積累,導(dǎo)致肝細(xì)胞抗腫瘤免疫增強(qiáng)及肝腫瘤生長(zhǎng)減緩[36]。進(jìn)行膽汁酸代謝細(xì)菌定植或補(bǔ)充次膽汁酸也可逆轉(zhuǎn)NKT細(xì)胞的積聚,改變腸道共生細(xì)菌對(duì)肝腫瘤生長(zhǎng)的抑制[36]。此外,腸道菌群失調(diào)也會(huì)刺激腸上皮細(xì)胞特別是簇細(xì)胞分泌大量的白介素25(Intedeukin-25,IL-25)。IL-25能夠活化肝臟M2型巨噬細(xì)胞并分泌趨化因子CXCL10[Chemokine(C-X-C motif)Ligand 10,CXCL10],激活上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化途徑,促進(jìn)HCC的形成、侵襲和遷移[37]。

4 腸道菌群作為HCC治療靶點(diǎn)的應(yīng)用前景

4.1 抗生素

抗生素治療主要是通過(guò)減少腸道內(nèi)細(xì)菌總數(shù),減少細(xì)菌易位,從而抑制來(lái)自腸滲漏引起促炎信號(hào)的激活。比如,晚期肝硬化患者長(zhǎng)期口服諾氟沙星能有效減少患者小腸細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)和細(xì)菌易位,降低自發(fā)性細(xì)菌性腹膜炎和肝腎綜合征1年再發(fā)生的概率,提高患者生存率[38]。Gangarapu等[39]發(fā)現(xiàn)NAFLD尤其是NASH患者短期給藥利福昔明,可抑制患者內(nèi)毒素促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。有研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)氨芐西林、新霉素、甲硝唑和萬(wàn)古霉素組成的口服抗生素組合持續(xù)滅菌腸道,可有效減少DEN/CCl4誘導(dǎo)小鼠HCC腫瘤的數(shù)量和體積[29]。然而,大部分研究結(jié)果并不能直接轉(zhuǎn)化為患者的治療方案,因?yàn)殚L(zhǎng)期聯(lián)合抗生素(如新霉素等腎毒性藥物)治療對(duì)患者有害,尤其是腸道內(nèi)的共生菌群可能由于長(zhǎng)期用藥被消耗殆盡。此外,抗生素預(yù)防和治療HCC可能是長(zhǎng)期、甚至終生過(guò)程。在HCC患者中如何使用安全性高的抗生素還有待臨床實(shí)驗(yàn)研究。

4.2 TLR4拮抗劑

腸道菌群刺激肝細(xì)胞表面的TLR4活化、促進(jìn)HCC發(fā)展是慢性肝損傷、炎癥和纖維化的長(zhǎng)期結(jié)果。TLR4途徑在慢性肝病和HCC發(fā)生過(guò)程中作為腸道菌群通過(guò)腸-肝軸促進(jìn)HCC發(fā)展的中介物起著關(guān)鍵作用,運(yùn)用TLR4的拮抗劑可以為治療HCC提供新策略[28]。目前,已開發(fā)多種TLR4拮抗劑[40],包括結(jié)合LPS類、拮抗CD14—LPS結(jié)合的相互作用類、拮抗LPS—MD2—TLR4相互作用類、直接靶向TLR4類、抑制TLR4活性類等。到目前為止,這些藥物均未在慢性肝病及HCC患者的臨床實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行過(guò)測(cè)試。主要是由于長(zhǎng)期抑制TLR4可能導(dǎo)致免疫抑制,造成慢性肝病及HCC患者的免疫功能嚴(yán)重受損。因此,需要對(duì)TLR4拮抗劑的安全性進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估,然后才能開展其對(duì)預(yù)防和治療慢性肝病及HCC長(zhǎng)期療效的研究。

4.3 益生菌

益生菌對(duì)腸道菌群的調(diào)控可能為治療或預(yù)防HCC發(fā)展提供一種新的途徑。使用益生菌有助于恢復(fù)腸道菌群組成、改善腸道屏障功能,從而減輕腸道-肝臟炎癥和抑制HCC發(fā)展[41]。Li等[42]發(fā)現(xiàn)HCC小鼠給予益生菌喂養(yǎng),顯著減緩了HCC的進(jìn)展,同時(shí)腫瘤的體積和重量均減少了40%。在DEN誘導(dǎo)的小鼠HCC發(fā)生過(guò)程中,食用高劑量的益生菌混合物可重塑腸道菌群的特定區(qū)域,抑制革蘭氏陰性菌的生長(zhǎng),進(jìn)而改善腸道屏障完整性及減輕腸道炎癥,改善慢性肝臟炎癥和抑制腫瘤生長(zhǎng)[43]。Elshaer等[44]發(fā)現(xiàn)硫代乙酰胺誘導(dǎo)Wistar大鼠發(fā)生肝硬化是通過(guò)激活TLR4/CXCL9/PREX-2通路。早期給予植物乳桿菌干預(yù),可以顯著抑制大鼠肝細(xì)胞TLR4、CXCL9和PREX-2表達(dá),從而預(yù)防肝硬化向HCC進(jìn)展?？偟膩?lái)說(shuō),盡管益生菌在動(dòng)物模型中的治療效果良好,但仍需設(shè)計(jì)良好、大規(guī)模和強(qiáng)有力的臨床研究來(lái)支持益生菌可用于治療人類慢性肝病及HCC。

4.4 糞便菌群移植(Fecal microbiota transplantation,FMT)

FMT是一種將從正常供體獲得的糞便溶液移植到受體腸道的過(guò)程,以直接改變受體腸道的菌群組成,并調(diào)節(jié)受體的健康或治療某種疾病[45]。FMT已用于治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌十二指腸感染,實(shí)現(xiàn)了比標(biāo)準(zhǔn)抗生素治療更好的臨床改善效果[46-47]。目前,FMT已被證明在通過(guò)免疫檢查點(diǎn)抑制劑療法治療的癌癥類型如結(jié)直腸癌、非小細(xì)胞肺癌及黑色素瘤等具有良好療效[48-49]。同樣的,FMT增強(qiáng)了免疫檢查點(diǎn)抑制劑的抗腫瘤作用,為HCC的預(yù)防與治療提供了潛在策略。盡管FMT具有抗腫瘤的應(yīng)用前景,但這一過(guò)程由于整個(gè)腸道菌群與治療菌群一起轉(zhuǎn)移而缺乏有效控制。因此,仔細(xì)評(píng)估捐贈(zèng)者的健康及控制其腸道菌群特異性組成至關(guān)重要。此外,仍需大量的臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)支持這一療法應(yīng)用的有效性和安全性。

5 小結(jié)與展望

腸道菌群在HCC中的作用機(jī)制研究主要集中在三個(gè)方面。一方面,在慢性肝病進(jìn)展過(guò)程中,腸黏膜屏障破壞及腸道菌群生態(tài)失衡造成了腸滲漏增加。腸道滲漏物如LPS會(huì)通過(guò)MAMPs-TLR軸激活炎癥性的肝細(xì)胞表面TLR4,進(jìn)而促進(jìn)肝細(xì)胞增殖及抑制肝細(xì)胞凋亡導(dǎo)致HCC的發(fā)生發(fā)展;另一方面,腸道菌群失衡產(chǎn)生的一些毒性代謝產(chǎn)物如DCA及SCFAs等也可增加HCC發(fā)生發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn);最后,腸道菌群通過(guò)調(diào)節(jié)多種信號(hào)分子,影響肝細(xì)胞的腫瘤微環(huán)境,進(jìn)而促進(jìn)HCC的發(fā)展。這些致癌機(jī)制的研究提示可通過(guò)靶向腸道菌群,如使用抗生素、TLR拮抗劑及益生菌等,為HCC的治療提供新的策略。目前,腸道菌群與HCC關(guān)系的研究仍有亟待解決的問(wèn)題。研究人員仍然缺乏對(duì)不同菌群在HCC發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的個(gè)體效應(yīng)及其對(duì)疾病進(jìn)展的具體貢獻(xiàn)的詳細(xì)了解,包括不同菌群如何調(diào)節(jié)腸黏膜通透性、通過(guò)衍生物直接影響肝臟炎癥及腫瘤微環(huán)境等。其次,基于腸道菌群的HCC治療策略大部分都應(yīng)用于動(dòng)物模型,缺乏相關(guān)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的研究以支持其可有效應(yīng)用于人體的臨床治療。未來(lái),針對(duì)不同菌群的功能分析、機(jī)制研究、相關(guān)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究是將基于腸道微生態(tài)理論的HCC治療策略從臨床前模型轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用的關(guān)鍵,最終設(shè)計(jì)針對(duì)疾病不同階段腸道菌群特定的治療方法,以治療慢性肝病,減緩肝硬化和抑制HCC的發(fā)生發(fā)展。