胃內(nèi)微生態(tài)在胃癌發(fā)生發(fā)展過程中的作用機制

田 夢，武國兵，楊 錦，歐陽晶，常 虹，劉 敏，鄭 亞，陳兆峰

1蘭州大學第一臨床醫(yī)學院，蘭州 730000 蘭州大學第一醫(yī)院 2消化內(nèi)科 3甘肅省胃腸病重點實驗室，蘭州 730000

胃癌作為世界范圍內(nèi)一種發(fā)病率及死亡率均較高的癌癥[1]，其發(fā)病受眾多因素影響，如不良飲食習慣、吸煙/飲酒、家族遺傳等[2]。隨著幽門螺桿菌(Helicobacterpylori，HP)的發(fā)現(xiàn)及相關(guān)檢測技術(shù)的發(fā)展[3]，人們對胃內(nèi)菌屬的認知水平逐漸提高，胃內(nèi)微生物群已被證明與胃癌的發(fā)生發(fā)展相關(guān)[4]，其中腸型胃癌與HP感染關(guān)系密切。此類胃癌的發(fā)生發(fā)展遵循Correa級聯(lián)的多步驟過程，即從正常胃黏膜、淺表性胃炎、萎縮性胃炎、腸上皮化生、異型增生至胃癌的發(fā)展過程。但在HP陽性人群中，僅1%～2%的感染者罹患胃癌[5]，且HP豐度在Correa模型中呈下降趨勢[6]，故HP與胃癌的關(guān)系仍有待進一步探討。此外，胃內(nèi)非HP菌群在數(shù)量及種類方面也會隨病程進展而發(fā)生變化，如新的菌屬定植及原有菌群的增多或減少，可能通過誘導慢性炎癥、氧化應激、宿主免疫反應失調(diào)或?qū)⑽葛つぶ械牡衔镛D(zhuǎn)化為N-亞硝基化合物等多種途徑發(fā)揮致癌作用[6-8]。因此，HP與胃內(nèi)非HP微生物群落的變化可能促進了胃癌的發(fā)生發(fā)展。

1 人類健康胃部的微生物組成

胃內(nèi)微生態(tài)檢測技術(shù)的發(fā)展，特別是下一代測序技術(shù)的出現(xiàn)，顯著拓寬了人們對胃內(nèi)微生態(tài)研究的視野。一項對于消化道不同位置活躍菌群的研究發(fā)現(xiàn)，胃液中存在特定的瞬時微生物群落，與口腔和十二指腸部位的微生物群落密切相關(guān)，而與胃黏膜活檢組織中的微生物群落存在較大差異[3]。人類健康胃黏膜中的微生物群落包含豐富的門和屬，例如擬桿菌門、厚壁菌門、梭桿菌門、變形菌門、螺旋菌門、軟壁菌門和普雷沃特氏菌屬、鏈球菌屬、奈瑟氏菌屬、嗜血桿菌屬等[9]，可能在維持胃黏膜的正常生理結(jié)構(gòu)及功能方面發(fā)揮重要作用。

2 HP對胃微生物區(qū)系的影響

HP是目前人們最為熟知的一種胃內(nèi)細菌。雖然胃內(nèi)存在惡劣的低酸環(huán)境，但HP可依靠其分泌脲酶的能力和獨特的螺旋結(jié)構(gòu)定植于胃黏膜層，其引起的炎癥和損傷可持續(xù)破壞胃上皮結(jié)構(gòu)和功能，而在長期的體外培養(yǎng)及抗生素治療中，HP甚至會變形為球狀以利于其定植，這也是目前根除HP所面臨的主要挑戰(zhàn)[10]。 HP可分泌多種毒力因子和酶，特定毒力因子的表達促進了細菌與宿主的相互作用，例如細胞毒素相關(guān)抗原A、空泡化細胞毒素和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶等，這些物質(zhì)會導致細胞損傷并調(diào)節(jié)宿主的免疫反應，誘導免疫耐受，激活核因子-κB(nuclear factor-κB，NF-κB)途徑，引起NF-κB信號通路傳導異常和持續(xù)激活，最終導致DNA損傷、細胞極化和增殖異常[11]。此外，HP還可觸發(fā)細胞的自噬作用，誘導內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激通路并改變促炎介質(zhì)的調(diào)節(jié)功能[12]。上述炎癥相關(guān)因素可刺激癌基因(如KRAS突變)并抑制抑癌基因(如P53突變)[13]。HP感染還可誘導CD4+T細胞介導宿主對HP感染的免疫應答，胃癌中CD4+T細胞的豐度高于腫瘤周圍組織和正常組織，而CD8+T細胞則表現(xiàn)出相反的趨勢[14]。這些HP所具備的獨特生物學優(yōu)勢可使胃內(nèi)其他微生物種屬和數(shù)量發(fā)生改變，從而誘導炎癥相關(guān)癌癥。胃內(nèi)微生物群落對于宿主的免疫功能至關(guān)重要，同時，免疫微環(huán)境也會影響微生物群落的結(jié)構(gòu)。

目前研究表明，HP在HP陽性人群胃內(nèi)微生態(tài)中占據(jù)主導地位，占比高達40%～95%[3，6]。HP陽性人群微生物區(qū)系的多樣性顯著低于HP陰性人群[3]，二者胃微生物區(qū)系存在明顯分離，優(yōu)勢菌種的相對豐度存在顯著差異[15]，表明HP具備抑制胃內(nèi)其他微生物生存和繁殖的能力。值得注意的是，HP感染可能為部分微生物創(chuàng)造適宜的生存條件。Miftahussurur等[16]研究表明，與HP陰性人群相比，HP陽性人群中變形菌門、螺旋菌門和梭桿菌門的相對豐度增加，而放線菌門、擬桿菌門和厚壁菌門的相對豐度下降，這些改變被證明與白細胞介素(interleukin，IL)-6和IL-8的增加密切相關(guān)[17]，表明HP感染引起的胃內(nèi)微生態(tài)組成變化與炎癥反應及免疫調(diào)節(jié)有關(guān)。在HP陽性人群中，有促炎作用的普雷沃氏菌也顯著富集[18]。應用質(zhì)子泵抑制劑(proton pump inhibitor，PPI)聯(lián)合抗生素對HP陽性人群進行根除治療的結(jié)果表明，根除治療成功的人群具有與健康受試者相似的胃內(nèi)微生物區(qū)系[19]；長期隨訪數(shù)據(jù)也表明，在根除HP 1年后，細菌多樣性增加，不同分類菌屬的豐度顯著上升，胃內(nèi)微環(huán)境趨于穩(wěn)定[20]。以上研究提示，HP感染會導致胃內(nèi)微生物穩(wěn)態(tài)失衡，早期根除HP對于疾病預防與管理至關(guān)重要。

HP感染對胃內(nèi)微生物區(qū)系產(chǎn)生的影響是顯著的，但并非均是競爭抑制，對部分菌屬也可能起到協(xié)同促進作用，此外，胃內(nèi)非HP微生物區(qū)系也可能影響HP的生存。因此，究竟是HP感染促進了致病微生物的繁殖，還是胃內(nèi)非HP微生物對HP的定植具有促進作用目前尚不清楚，HP與胃內(nèi)其他微生物區(qū)系的關(guān)系有待進一步研究探索。

3 胃內(nèi)微生態(tài)在胃癌發(fā)生發(fā)展過程中的作用機制

3.1 胃內(nèi)微生態(tài)與萎縮性胃炎

萎縮性胃炎的發(fā)生主要是由于HP的長期持續(xù)感染導致胃黏膜發(fā)生慢性炎癥反應，泌酸細胞被破壞從而胃內(nèi)PH值升高，導致胃內(nèi)微生物穩(wěn)態(tài)進一步失調(diào)，HP水平較前有所下降及非HP菌群定植[21]。在此階段，HP和慢性炎癥同時作用促進活性氮氧化合物的生成，致使DNA損傷，誘導胃上皮細胞凋亡和自噬，從而導致胃內(nèi)微環(huán)境進一步惡化。Parsons等[22]發(fā)現(xiàn)，在HP誘導的萎縮性胃炎中，除HP過度富集外，彎曲菌屬、普雷沃氏菌屬、嗜血桿菌屬和韋榮球菌屬的豐度也明顯升高，這些菌屬導致琥珀酸脫氫酶表達減少、葡萄糖6-磷酸脫氫酶和D-乳酸脫氫酶表達增多，這使得胃黏膜細胞氧化還原水平失衡及相關(guān)代謝物質(zhì)轉(zhuǎn)運紊亂，從而促進萎縮性胃炎發(fā)展；延胡索酸還原酶在萎縮性胃炎患者胃黏膜中表達也增加[22]，該酶在HP的定植中可能發(fā)揮重要作用。研究表明，萎縮性胃炎患者胃酸分泌減少，導致胃內(nèi)一些與亞硝化作用相關(guān)的細菌豐度增加[23]，這可能與HP感染所致的胃內(nèi)微環(huán)境改變有關(guān)。此外，萎縮性胃炎患者胃黏膜中還存在乳酸菌等產(chǎn)酸菌的過度聚集，以及口腔和下消化道等部位常駐菌群(如鏈球菌屬、奈瑟菌屬和克雷伯桿菌屬)的“異位”[24-25]，奈瑟菌屬已被證實能產(chǎn)生大量乙醇脫氫酶[26]，從而干擾人體內(nèi)的乙醇代謝，對胃黏膜造成持續(xù)損害。

萎縮性胃炎患者胃內(nèi)與致炎及亞硝化作用相關(guān)的菌群豐度增加，表明隨著萎縮性胃炎的發(fā)生，除HP外，更多的微生物致力于萎縮性胃炎發(fā)展及后續(xù)癌前病變的發(fā)生，但由于其代謝和所分泌毒力因子的多樣性，具體作用機制有待進一步研究加以驗證。

3.2 胃內(nèi)微生態(tài)與腸上皮化生及異型增生

根據(jù)Correa級聯(lián)反應，若不及時正確治療，萎縮性胃炎會進展為腸上皮化生甚至異型增生，但HP的豐度在逐步降低[27]，這與傳統(tǒng)觀念中HP的致病作用不同，萎縮性胃炎發(fā)生可能導致其他菌群過度增殖，對HP產(chǎn)生競爭性抑制作用，導致HP消退。因此，HP在重度萎縮性胃炎及后續(xù)癌前病變發(fā)展過程中的作用可能很小。此外，隨著腸上皮化生及異型增生發(fā)生，胃內(nèi)微生物多樣性進一步降低[28]。腸上皮化生組和異型增生組與對照組相比存在顯著的微生物失調(diào)，孿生球菌和鏈球菌的豐度在萎縮性胃炎發(fā)展至腸上皮化生及異型增生中呈現(xiàn)遞增的趨勢[29]，在Correa級聯(lián)反應中持續(xù)增高，其可能在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮重要作用。鏈球菌是一種定植于消化道的條件致病菌[30]，腸上皮化生及異型增生發(fā)生可能形成了有利于鏈球菌繁殖的微環(huán)境，使其能夠發(fā)揮誘導氧化應激、炎癥反應等作用。有研究表明，糞便中鏈球菌監(jiān)測可作為早期胃癌非侵入性篩查手段，具有較高的靈敏度和準確度[31]，因此，對糞便微生物成分進行分析可能有助于準確判斷胃黏膜所處的病變階段以及早期癌癥監(jiān)測。此外，Zhang等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，從腸上皮化生及異型增生到胃癌的發(fā)展過程中，某些致病微生物并不遵循絕對的遞增或遞減規(guī)律，如Romboutsia、Fusicatenibacter、Prevotellaceae-Ga6A1-group等細菌，在異型增生組顯著富集，卻在胃癌組豐度顯著降低，這表明同種菌屬可能僅在某個特定的疾病階段發(fā)揮作用。不同胃癌癌前病變階段可能為不同的菌群提供適宜的生存條件，如較高的pH值環(huán)境，較低水平的胃蛋白酶等。

在Correa級聯(lián)反應中，胃內(nèi)微生態(tài)存在動態(tài)演變，即HP豐度降低及致病微生物顯著富集，但每個癌前病變階段對應的主要致病菌屬尚不清楚，有待進一步探索。解決此類問題或許可為早期胃癌的監(jiān)測提供更多準確信息。

3.3 胃內(nèi)微生態(tài)與胃癌

胃癌在全球有著較高的發(fā)病率和死亡率[1]，成功根除HP可顯著降低胃癌的發(fā)生風險[32]，然而僅約1%～2%的HP陽性患者罹患胃癌[5]。一項大型隊列研究結(jié)果表明，從慢性非萎縮性胃炎到低級別上皮樣瘤變，HP的感染率隨著病理級別的上升而升高，而胃癌階段HP的感染率則是降低的[33]，表明HP已不是胃癌階段主要的危險因素，胃內(nèi)非HP微生物可能在胃癌的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮更重要的作用。

相較于胃癌癌前病變，胃癌患者胃內(nèi)微生物多樣性進一步降低，部分致病菌屬進一步富集，因此胃癌患者具有更嚴重的微生物區(qū)系失調(diào)[4]。奈瑟菌在萎縮性胃炎患者中豐度增加，而在胃癌患者中豐度大幅降低[25]，這表明在胃癌階段，胃內(nèi)環(huán)境可能不適于奈瑟菌定植。也有研究表明，與對照組相比，胃癌患者胃黏膜微生物顯著失調(diào)(21個細菌類群高度富集，10個細菌類群顯著減少)，微生物網(wǎng)絡分析表明，它們之間的相互作用強度隨著疾病進展而增強[34]。胃癌患者胃內(nèi)微生物的多樣性和豐度均明顯降低，其可被視為一種疾病特征[4]，可能在維持胃黏膜的慢性炎癥方面發(fā)揮重要作用，從而促進胃癌的發(fā)展。

胃內(nèi)微生物環(huán)境中不同的營養(yǎng)組分會導致胃微生物區(qū)系的多樣性和組成發(fā)生變化。腫瘤周圍和腫瘤微生物環(huán)境中的細菌豐度降低[35]，可能與腫瘤周圍環(huán)境改變有關(guān)，例如特定的腺組織缺失、胃酸分泌減少、胃內(nèi)pH值升高等可幫助建立一個適合腫瘤生長的微環(huán)境，通過炎癥通路的持續(xù)激活、促進亞硝酸鹽的產(chǎn)生和致癌N-亞硝基化合物的積累促進惡性轉(zhuǎn)化[36]。與萎縮性胃炎相比，胃癌微生物區(qū)系顯著增加了硝酸還原酶和亞硝酸鹽還原酶的表達，胃內(nèi)低酸環(huán)境有利于與亞硝化作用有關(guān)的細菌定植[6]。該結(jié)論在其他研究中得到了印證：胃癌患者行胃大部切除前硝酸還原酶、亞硝酸鹽還原酶等與亞硝化作用有關(guān)的酶含量豐富，而在術(shù)后明顯減少[7]。因此，胃癌微生物群具有產(chǎn)生致癌N-亞硝基化合物的潛力，且隨著疾病進展，與該致病作用有關(guān)的微生物豐度將不斷增高，這或許為監(jiān)測胃癌嚴重程度提供了新的思路。此外，胃癌微生物區(qū)系中還富含梭狀菌屬和嗜酸乳桿菌屬[37]。目前臨床使用乳酸菌作為益生菌在根除HP感染及改善抗生素不良反應中取得了顯著成果[38]，但值得注意的是，高密度的乳酸菌不僅可產(chǎn)生大量乳酸還可誘導糖酵解以增加能量供應，這可能會增強炎癥反應并促進腫瘤細胞增殖。關(guān)于乳酸菌的生物學研究還表明，其在促進血管生成、腫瘤轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)免疫反應等方面發(fā)揮重要作用[39]。Huang等[40]也證實胃癌患者癌組織中嗜酸桿菌及調(diào)節(jié)性T細胞數(shù)目顯著增加，這表明腫瘤微環(huán)境中胃微生物區(qū)系與免疫系統(tǒng)相互作用失衡可能促進胃癌的發(fā)生。此外，在胃癌發(fā)展過程中，核苷酸、氨基酸以及無機離子轉(zhuǎn)運和代謝等活動在腫瘤微生物區(qū)系中過度活躍[35]，這可能與腫瘤細胞增殖、轉(zhuǎn)移、異常信號分子表達以及腫瘤細胞生存所需微環(huán)境的構(gòu)建密切相關(guān)。

在胃癌的發(fā)展過程中，鏈球菌、乳桿菌及與亞硝化作用有關(guān)的細菌呈現(xiàn)遞增趨勢，HP在胃癌發(fā)展前期改變了胃內(nèi)微環(huán)境，為非HP微生物發(fā)揮致病作用提供了條件，同時在腫瘤微環(huán)境中優(yōu)先支持某些具有致癌作用且與癌細胞生長及擴散相關(guān)的微生物的定植。

4 小結(jié)與展望

綜上所述，HP感染是胃癌發(fā)生發(fā)展中的始發(fā)因素，之后呈現(xiàn)下降趨勢，鏈球菌、乳桿菌等非HP微生物逐漸發(fā)揮作用，因此根除HP預防胃癌的關(guān)鍵時期為萎縮性胃炎早期。對胃內(nèi)相關(guān)微生物區(qū)系改變的分析有助于確定疾病發(fā)生的階段及嚴重程度，并可幫助找到與胃癌有關(guān)的新的標志物，這對于制訂預防、診斷和治療胃癌新策略具有重要意義。由于胃內(nèi)微生物群的多樣性及其檢測的復雜性，尚需針對特定人群開展大樣本研究以深入了解微生物區(qū)系在胃腫瘤發(fā)展中的演變過程及相關(guān)機制。

作者貢獻：田夢、武國兵、楊錦、歐陽晶、常虹負責文獻檢索和論文撰寫；劉敏、鄭亞、陳兆峰負責論文修訂。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突