腸道菌群對結直腸癌發(fā)生的研究狀況

劉 毅，杜 航，楊 遠,唐景玲，甄運寰

結直腸癌(CRC)是常見的癌癥之一，也是全球主要的健康負擔，2020年相關數據顯示，CRC發(fā)病率、病死率分別在全球惡性腫瘤中居于第三位、第二位[1]。西方發(fā)達國家為CRC高發(fā)地區(qū)，其發(fā)病率大約為發(fā)展中國家的3倍[2]。CRC是一種由多種因素共同作用導致的惡性腫瘤，誘因包括飲食、乙醇、腸道菌群等環(huán)境因素和家族性息肉病、遺傳性肥胖等遺傳因素，在這些因素中，遺傳因素在導致散發(fā)性CRC中的作用較弱，環(huán)境因素作用較大[3]。在環(huán)境因素中，腸道菌群受肥胖、西方飲食模式及乙醇等因素的影響，使其組成和豐富度均發(fā)生改變，這對CRC的發(fā)生和發(fā)展產生了不同程度的影響[4]。肥胖可能通過減少腸道中產生短鏈脂肪酸細菌的豐富度，從而降低短鏈脂肪酸的產量，從而增加患CRC的風險[5]。在美國，估計有5%的CRC患者是由于肥胖導致的[6]。西方飲食模式可以導致腸道菌群失衡、腸道黏膜屏障受損、腸壁通透性增加，使有毒細菌代謝物排泄到循環(huán)中，促進全身炎癥反應發(fā)生，最終使得CRC發(fā)生[7]。不僅如此，部分腸道菌群可以在腸道組織中通過誘導異常的免疫反應，使腸道上皮屏障功能削弱，同時產生致癌毒素再作用于腸道上皮細胞，導致細胞異常增殖，從而改變了腸道的局部免疫微環(huán)境，進一步發(fā)揮腸道菌群的致癌作用。產生的致癌毒素還會生成致癌代謝物、活性氧和其他自由基等，導致宿主細胞中的DNA損傷并引發(fā)突變，最終導致CRC的發(fā)生[8]。目前，一項有關早期CRC危險因素的薈萃分析表明，乙醇是CRC的危險因素之一，飲酒與早期CRC的發(fā)生有顯著的相關性(合并相對危險度為1.71；95%CI為1.62，1.80)[9]。相關報道指出，過度飲酒者體內柯林斯菌、普雷沃菌和銅綠假單胞菌可以使乙醛過多積累，直腸內乙醛水平高于最低誘變濃度，同時伴有腸道菌群的結構改變，最終促使直腸癌發(fā)生[4]。越來越多的證據表明，CRC的發(fā)生是由一種或多種腸道細菌參與，這些腸道細菌可不同程度影響CRC的發(fā)生。故闡明腸道菌群在CRC發(fā)生發(fā)展中的作用，對預防和治療CRC具有重要臨床和科研價值。

1 腸道菌群與菌群失調

微生物在人類出生時就存在于胃腸道、呼吸道、生殖道等自然腔隙中。其中，消化道是微生物種類最為繁多、作用最為復雜的一個器官。在結直腸內，大約含有3×1013個細菌，就數量而言，細菌要遠超于其他類型的微生物，占據腸道微生物的絕大部分[10]。腸道菌群主要以厭氧菌為主，其中包含500～1000個菌種[11]。然而，在不同的生物個體之間，腸道菌群的組成及豐富度卻存在很大差異。根據腸道菌群和人體之間的關系，將腸道菌群分成3種類型：①有益菌群，如乳酸桿菌、雙歧桿菌等；②有害菌群，如屎腸球菌等；③機會致病菌，如大腸桿菌等[12]。這些菌群在腸道中形成動態(tài)平衡，當有害的腸道菌群產生細菌毒素和致癌代謝物過多積累，而有益菌群產生對人體有益的代謝物減少時，就會打破原有的動態(tài)平衡，導致腸道菌群失調，使腸黏膜屏障功能受損，促進了細胞的異常增殖，這可能導致CRC的發(fā)生。與健康人群相比，CRC患者的腸道菌群伴有不同程度的菌群失調，有益菌群的多樣性和豐富度均降低，而機會致病菌群的多樣性和豐富度均出現(xiàn)增多[13]。當腸道菌群失調時，機體可以通過“乘客-驅動”模型和“毒性”腸道菌群模型來促使CRC的發(fā)生。TJALSMA等[14]首次提出“乘客-驅動”模型。該模型將CRC的致病菌群分為兩類。首先是“乘客菌群”，即產生遺傳毒性物質來破壞上皮細胞DNA的菌群；其次是“驅動菌群”，其介導了腫瘤環(huán)境的變化，進而導致了“乘客菌群”失衡，在這兩種菌群的共同作用下，最終致CRC發(fā)生。SEARS和PARDOLL[15]基于產腸毒素的脆弱擬桿菌在ApcMin/+小鼠中具有致癌作用，提出“毒性”腸道菌群模型，認為這些“毒性”細菌不僅可分泌一些毒性蛋白引起腸上皮癌變，而且還可重塑細菌群落，誘導腸道黏膜免疫反應異常，使腸上皮癌變細胞清除障礙，從而增強致癌作用，最終促使CRC發(fā)生。

2 腸道菌群在CRC發(fā)生中的作用

2.1腸道菌群及代謝產物 現(xiàn)已有大量研究表明，CRC的發(fā)生、發(fā)展和腸道菌群失調之間有一定的相關性，而菌群失調受多種環(huán)境因素的影響。腸道內雙歧桿菌受高脂飲食的影響，豐富度逐漸降低，這將使腸道產生黏液的速度受限，黏液形成的透明黏液層就難以抵抗有害菌群的入侵，導致有害細菌與腸上皮直接接觸，引發(fā)不利的宿主反應，如炎癥反應，使得自發(fā)性CRC的發(fā)生[16-17]。與正常飲食相比，高脂飲食可以使盲腸和結腸中的具核梭桿菌的豐富度提高[18]，而具核梭桿菌在腫瘤細胞-血管內皮細胞模型中可以誘導一種新的模式識別受體α蛋白激酶-1(ALPK-1)激活核因子-κB(NF-κB)通路，導致細胞間黏附分子-1(ICAM-1)表達上調，從而增強CRC細胞的黏附能力，促進CRC細胞與內皮細胞黏附，使CRC細胞發(fā)生外滲和遠處轉移[19]。與此同時，這種模式識別受體激活NF-κB通路還可以調節(jié)miR-1322/CCL20的表達，誘導M2巨噬細胞極化，促進CRC細胞轉移，從而增加了轉移灶的數量，然而當CCL20敲除后，具核梭桿菌誘導的CRC肺轉移卻出現(xiàn)轉移灶顯著減少的現(xiàn)象[20]。HAN[21]發(fā)現(xiàn)具核梭桿菌在癌組織中的檢出率明顯高于正常組織，這種機會性病原體是促進腫瘤發(fā)生的相關細菌，它可以附著、入侵多種宿主細胞，如上皮細胞、內皮細胞和成纖維細胞，從而發(fā)揮它的細菌毒力和致病力。在腫瘤組織中，具核梭桿菌可以促進高糖代謝，為腫瘤發(fā)生提供能量[22]，通過TLR4/MYD88/NF-κB通路，上調miR-21基因的表達，這對CRC細胞的增殖和腫瘤的發(fā)展具有促進作用[23]，除此之外，這種細菌還可以刺激CRC細胞產生miR-1246/92b-3p/27a-3p外泌體，通過靶向GSk3β基因激活Wnt/β-catenin通路，最終誘導CRC轉移[24]。在CRC肝轉移患者中，通過檢測CRC肝轉移標本中的DNA及肝轉移組織中的CD8+ T淋巴細胞、CD33細胞和CD163細胞，具核梭桿菌陽性與陰性CRC肝轉移標本比較，前者CD8+ T淋巴細胞的密度顯著降低、髓源性抑制細胞的密度增高[25]，證實了具核梭桿菌與CRC的發(fā)生具有高度相關性。部分腸道菌群不僅可以產生膳食纖維、蛋白質和多肽，還可以合成、調節(jié)和降解大量生物活性代謝物，而部分代謝物對CRC的發(fā)生具有促進作用[26]。具核梭桿菌中的一種毒力因子(FadA黏附素)可以激活E-cadherin/β-catenin通路，使細胞周期檢測點激酶2(Chk2)表達增加，引發(fā)DNA損傷，從而促使CRC的發(fā)生和發(fā)展[27]。YANG等[28]研究發(fā)現(xiàn)，溶血磷脂酰膽堿、溶血磷脂酸可以降低人結腸癌細胞和人克隆結腸腺癌細胞中E-鈣粘蛋白和閉合蛋白的表達，使結腸細胞異常增殖并損害腸道屏障功能，進一步促進腸道腫瘤的發(fā)生。不僅如此，在高脂飲食的作用下，使ApcMin/+小鼠腸道內細菌的豐富度降低，條件致病菌增多時，糞便中脫氧膽酸的水平會明顯增高，而脫氧膽酸卻可以激活血管內皮生長因子受體-2(VEGFR-2),從而誘導腫瘤細胞上皮-間充質轉化，進一步促進血管生成擬態(tài)的形成，最終促使腸道腫瘤的發(fā)生[29]。

2.2腸道菌群與炎癥相關性CRC 結直腸內存有許多保護性因素來維持腸道內環(huán)境的平衡和穩(wěn)定，一旦這些保護性因素在體內、體外因素的作用下失去保護性作用，那么腸道內環(huán)境就會失去原有的平衡，慢性炎癥就很有可能因此而產生[30]。部分學者研究認為，在腸道菌群的作用下，腸道慢性炎癥與以下幾種特殊的誘導方式有關：①腸道菌群通過合成并分泌細胞毒性生物分子或代謝物；②黏附于腸黏膜上皮細胞；③經轉移進入機體；④通過結合和(或)激活Toll樣受體調節(jié)T淋巴細胞，并激活免疫反應[31]。慢性炎癥性腸病患者和正常人群比較，患CRC的概率會有所升高，這種現(xiàn)象提示CRC的發(fā)生可能與腸道慢性炎癥存在緊密聯(lián)系。腸道菌群通過介導結直腸產生慢性炎癥，招募大量炎性細胞，釋放眾多炎性因子，如白細胞介素-6(IL-6)、IL-17、IL-22、IL-23、前列腺素E2(PGE2)及腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等，調控NF-κB、轉錄激活因子3(STAT3)等多種信號通路，促進CRC的發(fā)生[32]。例如在ApcMin/+小鼠模型中，表達脆弱芽孢桿菌毒素的脆弱類桿菌誘導IL-17分泌增多和信號轉導及STAT3信號通路的激活，并通過激活遠端結腸上皮細胞中的NF-κB來促進遠端結腸癌的發(fā)生[33]。同時，腸道菌群代謝產生的PGE2、IL-6及TNF-α等炎性因子也參與了CRC的發(fā)生[34]。除此之外，某些細菌如具核梭桿菌，通過激活NF-κB通路并在ApcMin/+小鼠腸道中招募腫瘤浸潤性免疫細胞來誘導促炎環(huán)境的形成，從而導致CRC的發(fā)生[35]。厭氧假單胞菌也可以在ApcMin/+小鼠中廣泛誘導促炎細胞因子的表達，進而招募一系列腫瘤浸潤性免疫細胞，特別是髓系衍生抑制性細胞、腫瘤相關性巨噬細胞和腫瘤相關性中性粒細胞，進一步促進了腫瘤的發(fā)生[36]。當CRC組織表面屏障功能喪失時，癌細胞間緊密連接，使共生細菌的降解產物進入腫瘤間質，從而導致髓系細胞進入腫瘤微環(huán)境，而且共生細菌本身可侵入腫瘤組織，誘導腫瘤浸潤性髓系細胞產生炎性細胞因子，促進CRC發(fā)生[37]。

2.3腸道菌群與乙醇相關性CRC 飲酒是現(xiàn)代社會一種常見的生活習慣。但是，部分流行病學研究表明，即使是少量飲酒也會增加CRC的發(fā)生風險。在腸道中，乙醇與腸道菌群間的相互作用可能會產生致癌物質，從而導致CRC的發(fā)生。結腸中的某些細菌如腸桿菌科細菌，同時具有乙醇脫氫酶(ADH)和乙醛脫氫酶(ALDH)的活性，其中它們的ADH活性往往高于ALDH活性，這將導致此類細菌對乙醇進行生物代謝時會產生大量的乙醛[38]。不僅如此，結腸中的一些厭氧菌如瘤胃球菌，也會將乙醇代謝為乙醛[39]，在腸道黏膜受損的情況下，具有誘變活性的乙醛促進了CRC的發(fā)生[40]。除此之外，乙醛也能引起DNA損傷、改變端粒長度和誘導活性氧產生，從而促使CRC的發(fā)生[41]。

3 腸道菌群與CRC早期診斷

生物標志物是診斷腫瘤的一個重要指標。相關數據顯示，局限性CRC的5年存活率為90%，而轉移性CRC的5年存活率僅為14%[42]，所以CRC的早期診斷需要準確的生物標志物進行診斷，有利于后續(xù)治療。腸道菌群作為一種新型生物標志物，對CRC的早期診斷具有非常重要的作用。GUO等[43]研究表明，具核梭桿菌在CRC的早期診斷方面具有不可替代的作用。該研究指出，具核梭桿菌與雙歧桿菌的比值在CRC早期診斷方面具有很高的敏感度和特異度(分別為84.6%和92.3%)，當具核梭桿菌與雙歧桿菌的比值和具核梭桿菌與布氏桿菌的比值聯(lián)合用于診斷CRC時，其診斷價值有很大提高(曲線下面積為0.943)，從而證實了具核梭桿菌與布氏桿菌和雙歧桿菌的比值可提高CRC早期診斷的特異度，二者聯(lián)合應用篩查早期CRC具有較好的診斷價值。還有研究發(fā)現(xiàn)，CRC患者具核梭桿菌水平較高，這表明具核梭桿菌對CRC的早期診斷具有積極作用[44]。此外，分析糞便樣本中的基因變化可以準確反映腸道菌群狀況，這可能為CRC的早期診斷提供重要線索[45]。

4 展望

腸道菌群是一把雙刃劍，它既可以介導CRC的發(fā)生，同時又對CRC的治療具有不可替代的作用。糞菌移植(FMT)是一種新興的生物療法，這種治療方法將健康人群的糞便移植到患有胃腸道疾病患者的下消化道中，特別是在復發(fā)性艱難梭菌感染、炎性腸病、腸易激綜合征等方面具有良好的治療效果[46]。JAN等[47]在難治性梭狀芽孢桿菌感染患者中分析了FMT前后結腸活檢標本中IL-25水平，發(fā)現(xiàn)將一種復雜的微生物混合物移植給難治性梭狀芽孢桿菌感染患者后，這些患者結腸微生物的α多樣性和結腸組織中IL-25水平均有所升高，同時患者復發(fā)率降低，表明FMT可以抑制組織炎癥，對結直腸炎性病變的治療具有積極作用。但是，這種方法用于CRC治療的相關研究非常有限，而且安全性、倫理性、可接受性、患者的個體差異都是不可忽略的問題。或許在未來的研究中，隨著CRC基因組學、代謝組學和免疫學的不斷突破，可能會將這些學科與腸道菌群更好地結合在一起，把我們帶入CRC研究的新領域。在不久的將來，腸道菌群很可能會成為對抗CRC的新型治療方向。