胃腸道微生態(tài)與胃癌相關(guān)性及其診治作用研究進(jìn)展

付浩然 趙雪峰

河北醫(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院外三科,石家莊 050000

根據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)資料,2020年我國(guó)胃癌(gastric cancer,GC)病例新增47.9萬(wàn)例、死亡37.4萬(wàn)例,分別占全球胃癌發(fā)病和死亡人數(shù)的44.0%和48.6%[1]。了解GC潛在病因及發(fā)病機(jī)制,對(duì)防治GC具有重要意義。人體微生態(tài)系統(tǒng)對(duì)機(jī)體的健康和疾病都有影響,通過(guò)對(duì)人體微生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),可能為癌癥的預(yù)防提供新的靶點(diǎn),有助于我們有針對(duì)性地進(jìn)行一級(jí)預(yù)防;或是采取更有效的治療以改善消化道腫瘤患者癥狀,從而提高預(yù)后。人體微生態(tài)系統(tǒng)包括口腔、皮膚、泌尿系統(tǒng)、胃腸道4個(gè),其中胃腸道微生態(tài)是構(gòu)成及相互作用最為復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng),影響機(jī)體許多生理功能,如能量收集和儲(chǔ)存、免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以及解毒等。隨著人們對(duì)胃腸道微生態(tài)的認(rèn)識(shí),發(fā)現(xiàn)其在GC發(fā)生、發(fā)展、預(yù)防中發(fā)揮重要作用。幽門(mén)螺桿菌(helicobacter pylori,HP)作為最主要的胃內(nèi)菌群,被認(rèn)為是GC重要的高危因素。腸道菌群是胃腸道局部微環(huán)境形成的重要組成部分。本文現(xiàn)就胃腸道微生態(tài)在GC發(fā)生、發(fā)展中的作用及診斷、治療中的應(yīng)用展開(kāi)綜述。

1 胃腸道微生態(tài)功能及檢測(cè)方式

人類(lèi)共生微生物群落包括細(xì)菌、病毒、真菌和原生動(dòng)物在內(nèi)的100萬(wàn)億個(gè)微生物,這些菌群主要生活在人體上皮細(xì)胞表面,包括皮膚、消化道和呼吸道[2],其中胃腸道是人體內(nèi)細(xì)菌密度最高、種類(lèi)最多的地方。胃腸道微生物群在健康人體中處于一個(gè)相互依賴(lài)、相互制約的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),通過(guò)消化吸收、物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程來(lái)維持胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定,并與飲食、環(huán)境應(yīng)激源、生活方式、抗生素和其他藥物等因素密切相關(guān)[3]。當(dāng)菌群動(dòng)態(tài)被打破時(shí),將會(huì)導(dǎo)致微生態(tài)失調(diào),這與消化道腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。

研究[4]顯示,胃腸道微生態(tài)的失調(diào)不僅會(huì)使消化道功能紊亂,還與GC的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。傳統(tǒng)胃腸道菌群檢測(cè)依賴(lài)管腔內(nèi)容物的培養(yǎng)或黏膜的活檢,很容易受到外界因素的影響,并且難以發(fā)現(xiàn)不可培養(yǎng)的微生物。隨著微生物分子生態(tài)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及生物信息學(xué)的加速發(fā)展,可對(duì)復(fù)雜微生物種群進(jìn)行遺傳分析[5]。新一代基因組測(cè)序和生物信息學(xué)工具的發(fā)展,使人們對(duì)微生物-微生物和宿主-微生物相互作用的復(fù)雜關(guān)系有更深刻理解。16S rDNA序列分析為廣泛揭示人體相關(guān)的細(xì)菌種類(lèi)開(kāi)辟了一個(gè)新領(lǐng)域。未來(lái)的研究應(yīng)進(jìn)一步利用宏基因組學(xué)來(lái)揭示腸道菌群的潛在功能及其與特定疾病的相關(guān)性。

2 胃腸道微生態(tài)與胃癌相關(guān)性及作用機(jī)制

每年全球新確診的GC病例中,有79%是由HP引起的[6]。有研究通過(guò)基因測(cè)序發(fā)現(xiàn),人類(lèi)腸道微生物群在生理狀態(tài)下以厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、變形菌門(mén)和疣微菌門(mén)為主,其中厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)約占腸道微生物群的90%[7];如厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)菌群比例失調(diào),可增加GC的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[8]。GC的發(fā)生還與胃內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)和功能的變化相關(guān),從非萎縮性胃炎到腸上皮化生再到GC,胃內(nèi)菌群菌種多樣性和豐富程度顯著降低,例如厚壁菌門(mén)中的鏈球菌、擬桿菌門(mén)中的卟啉單胞菌及普氏菌、變形菌門(mén)中的奈瑟菌及嗜血桿菌的數(shù)量明顯減少,而變形菌門(mén)中的肺炎克雷伯菌、鮑曼不動(dòng)桿菌以及厚壁菌門(mén)中的腸球菌、乳桿菌等卻大量增加[9-10]。菌群紊亂導(dǎo)致消化系統(tǒng)免疫防御功能被破壞,菌群代謝物刺激胃腸道黏膜,最終導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生,其中具體機(jī)制目前仍不明確。未來(lái)需要開(kāi)展更多關(guān)于菌群分布與宿主癌變之間關(guān)系的研究,詳細(xì)了解胃腸道微生物群組成變化對(duì)機(jī)體的影響將有助于制定癌癥預(yù)防策略。

胃內(nèi)菌群失調(diào)可通過(guò)產(chǎn)生促腫瘤代謝物、損傷DNA、抑制抗腫瘤免疫、激活致癌信號(hào)通路等途徑促進(jìn)GC的發(fā)生發(fā)展。胃微生物群與包括癌癥在內(nèi)的許多上消化道疾病密切相關(guān),細(xì)菌釋放的遺傳毒素和促腫瘤代謝物會(huì)促進(jìn)癌癥的發(fā)生。HP是胃癌發(fā)生的主要危險(xiǎn)因素之一[8],HP可以改變胃內(nèi)微環(huán)境而導(dǎo)致GC發(fā)生,胃內(nèi)微環(huán)境的改變與毒力因子、細(xì)菌和宿主基因型、地理和環(huán)境因素有關(guān)。國(guó)際癌癥微生物群聯(lián)盟發(fā)布了一份共識(shí)聲明[11],描述了健康胃腸道微生物群的4個(gè)關(guān)鍵特征,包括與宿主協(xié)同發(fā)揮免疫功能、代謝互惠、對(duì)干擾的恢復(fù)力和適應(yīng)能力、腫瘤抑制。

2.1 細(xì)菌遺傳毒素

HP是唯一獲國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)(International Agency for Research on Cancer,IARC)認(rèn)定為一類(lèi)致癌物的細(xì)菌。細(xì)菌和宿主遺傳因素會(huì)對(duì)HP感染誘導(dǎo)的慢性炎癥、胃黏膜腸上皮化生和胃腫瘤的發(fā)生產(chǎn)生影響[12]。HP主要通過(guò)2個(gè)毒性因子即細(xì)胞毒素相關(guān)基因A(cytotoxin-associated gene A,CagA)和空泡細(xì)胞毒素A(vacuolating cytotoxin A,VacA)來(lái)影響胃內(nèi)菌群的組成,從而引起癌變。CagA是一種特異性蛋白,通過(guò)產(chǎn)生尿素酶進(jìn)入胃黏膜。尿素酶是一種與嗜中性代謝物反應(yīng)的酶,催化尿素轉(zhuǎn)化為氨,從而中和胃酸。CagA通過(guò)將IV型分泌蛋白遞送到上皮細(xì)胞質(zhì)中,然后CagA被酪氨酸激酶磷酸化,與SHP2結(jié)合并激活Ras-Erk通路,使下游細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)失調(diào),促進(jìn)細(xì)胞增殖,破壞上皮屏障并拆除細(xì)胞骨架[13];也通過(guò)抑制腫瘤蛋白P53減少上皮細(xì)胞凋亡[14]。HP可導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子上游啟動(dòng)子區(qū)的超甲基化,降解P53蛋白酶體,促進(jìn)基因突變,從而加速GC的發(fā)生[15]。VacA誘導(dǎo)宿主細(xì)胞形成空泡,最終破壞細(xì)胞膜完整性。HP黏附于具有外膜蛋白的上皮細(xì)胞并觸發(fā)白介素-6(interleukin-6,IL-6)、IL-8、IL-1β、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的釋放,NF-κB的活化促進(jìn)細(xì)胞因子釋放并抑制細(xì)胞凋亡。HP還與DNA甲基化、組蛋白變化和活性氧(reactive oxygen species,ROS)誘導(dǎo)的DNA雙鏈斷裂有關(guān)[13];HP表達(dá)VacA,可通過(guò)抑制T細(xì)胞活化和誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞來(lái)抑制宿主免疫,從而促進(jìn)癌變[16]。

2.2 代謝產(chǎn)物

胃腸道微生物群代謝產(chǎn)物對(duì)消化道腫瘤的發(fā)生與發(fā)展有重要影響[17]。腸道菌群和宿主細(xì)胞產(chǎn)生的多胺類(lèi)物質(zhì)可影響機(jī)體的各種生理功能,如翻譯功能、抗氧化應(yīng)激、基因調(diào)節(jié)以及細(xì)胞分化和增殖[18]。有研究稱(chēng)乳酸菌產(chǎn)生的乳酸鹽是癌細(xì)胞的主要能量來(lái)源[19],乳酸鹽具有促癌形成作用,如促進(jìn)腫瘤血管生成和轉(zhuǎn)移[20]。一項(xiàng)基于小鼠模型的研究表明,脫氧膽酸可通過(guò)損傷食管黏膜DNA進(jìn)而促進(jìn)Barrett食管和食管腺癌的發(fā)展[21]。胃腸道微生物群代謝產(chǎn)物除了會(huì)促進(jìn)胃腸道腫瘤外,同時(shí)還有抑制腫瘤發(fā)生發(fā)展的作用。部分菌群產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)如丁酸等,SCFAs可以維持微生物群穩(wěn)態(tài)和腸道屏障完整性,并抑制炎癥和癌癥[22]。為此,我們可以開(kāi)展更多以胃腸道微生物群或其代謝物為藥物治療靶點(diǎn)的研究。

2.3 免疫調(diào)節(jié)

腸道菌群可與宿主免疫系統(tǒng)相互作用,調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫功能。HP毒力因子參與宿主免疫應(yīng)答[23],激活Th1/Th17細(xì)胞應(yīng)答有助于細(xì)胞介導(dǎo)HP感染[24],并刺激TNF-α、IL-17和γ-干擾素(interferon-γ,IFN-γ)等炎癥介質(zhì)的釋放。先天免疫是一種快速免疫應(yīng)答,以非特異性方式識(shí)別保守的微生物結(jié)構(gòu),通常通過(guò)宿主細(xì)胞上表達(dá)的模式識(shí)別受體,包括Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體[25],來(lái)激活宿主免疫調(diào)節(jié)功能。適應(yīng)性免疫對(duì)B細(xì)胞和T細(xì)胞遇到的病原體類(lèi)型具有特異性,并隨后產(chǎn)生記憶細(xì)胞[26]。胃腸道微生物群在T細(xì)胞分化中發(fā)揮重要作用,有證據(jù)表明菌群產(chǎn)生丁酸鹽,可通過(guò)與G蛋白偶聯(lián)受體43相互作用,誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞產(chǎn)生IL-10,抑制組蛋白脫乙酰酶活性而實(shí)現(xiàn)抗腫瘤作用[27]。我們可以通過(guò)研究胃腸道微生物群作用于消化道腫瘤的機(jī)制,根據(jù)其遺傳特性和代謝物作用,發(fā)現(xiàn)抑癌信號(hào)通路,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于腫瘤的發(fā)生和預(yù)防。其他腸道細(xì)菌,如口腔消化鏈球菌、咽峽炎鏈球菌、微小單胞菌,在胃中定植也會(huì)影響GC的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[28],其在胃內(nèi)定植已被證明可促進(jìn)HP相關(guān)胃癌發(fā)生,目前詳細(xì)的菌群免疫調(diào)節(jié)機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

3 調(diào)節(jié)胃腸道微生態(tài)對(duì)胃癌的治療及預(yù)防

部分腸道菌群失調(diào)會(huì)促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展,然而,部分菌群在腫瘤治療、預(yù)防中發(fā)揮重要作用,包括化療、免疫治療、放療[29]和圍手術(shù)期治療,這有利于患者消化道功能恢復(fù),減少應(yīng)激帶來(lái)的創(chuàng)傷,減輕患者痛苦。

3.1 胃腸道微生態(tài)對(duì)胃癌的治療

研究[30]表明,有益的腸道菌群可增強(qiáng)化療療效,降低耐藥性,減少不良反應(yīng);通過(guò)益生菌補(bǔ)充劑調(diào)節(jié)微生物組群,可減少小鼠和人類(lèi)的化療毒性和隨后的不良反應(yīng)事件。丁酸鹽可通過(guò)激活I(lǐng)L-12信號(hào)通路和促進(jìn)CD8+T細(xì)胞應(yīng)答來(lái)調(diào)節(jié)抗腫瘤細(xì)胞毒性,從而促進(jìn)奧沙利鉑的療效[31]。這些研究表明腸道菌群可能會(huì)對(duì)癌癥化療的療效和毒性產(chǎn)生一定的影響。

腸道菌群調(diào)節(jié)放療反應(yīng)的機(jī)制尚不清楚,菌群本身對(duì)腸道組織的放射敏感性有一定調(diào)節(jié)作用。攝入益生菌可抑制輻射誘導(dǎo)的細(xì)胞損傷,促進(jìn)造血和腸道損傷修復(fù),從而幫助宿主抵抗輻射誘導(dǎo)的損傷和死亡[32]。深入了解放射治療的非靶向機(jī)制和細(xì)菌的調(diào)控機(jī)制,對(duì)于提高放射治療的有效性、減少腫瘤放射治療的不良結(jié)局、優(yōu)化放射治療患者的治療方案具有不可估量的價(jià)值,可為減輕放射性損傷和降低放射治療的不良反應(yīng)提供潛在的治療靶點(diǎn)。

目前的研究已經(jīng)證實(shí),腸道菌群具有調(diào)節(jié)免疫檢查點(diǎn)抑制劑(immune checkpoint inhibitors,ICIs)治療反應(yīng)的潛力,這意味著靶向腸道菌群對(duì)于ICIs治療至關(guān)重要。在免疫治療中,胃腸道微生物群對(duì)ICIs的療效和毒性的影響也得到了很大程度的探索[33]。細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4,CTLA-4)、程序性死亡受體1(programmed death receptor 1,PD-1)或程序性死亡配體1(programmed death ligand 1,PD-L1)可有效增強(qiáng)各種癌癥中的抗腫瘤T細(xì)胞活性。研究表明,無(wú)菌小鼠口服多形擬桿菌或脆弱擬桿菌可增強(qiáng)CTLA-4特異性治療性抗體的抗癌效果[34],口服雙歧桿菌可增強(qiáng)CD274特異性治療性抗體的抗癌效果[35]。目前我們需要開(kāi)展更多的前瞻性研究以確定特定的細(xì)菌種類(lèi),與抗PD-1/PD-L1抗體聯(lián)合作用可使腫瘤治療效果顯著增加。

3.2 胃腸道微生態(tài)對(duì)胃癌的預(yù)防

消化道手術(shù)已被證明會(huì)影響腸道菌群的組成。消化道手術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生術(shù)后并發(fā)癥,如食管空腸Roux-en-Y吻合術(shù)后患者發(fā)生營(yíng)養(yǎng)不良、微量元素缺乏和傾倒綜合征的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[36],也會(huì)增加消化道手術(shù)后吻合口瘺的風(fēng)險(xiǎn)。腸道益生菌可調(diào)節(jié)胃腸道微生物群的穩(wěn)態(tài),維持腸道屏障和免疫狀態(tài),有利于術(shù)后恢復(fù)及改善預(yù)后[37],胃腸道微生物群穩(wěn)定可以增強(qiáng)療效,降低耐藥性和副作用。

目前人們正在積極探索新的抗菌化合物,研究發(fā)現(xiàn)多酚具有抗HP和抗腫瘤活性,可用于癌癥防治藥物的研發(fā)[38]。多酚類(lèi)化合物可以增加腸道菌群的豐富度,降低致癌菌HP的活性,調(diào)節(jié)HP等其他菌群來(lái)維持腸道微環(huán)境的穩(wěn)態(tài),抑制GC的發(fā)生。微生物群可以通過(guò)改變所用藥物的藥代動(dòng)力學(xué),從而改變其吸收、分布和代謝,影響治療效果[39]。益生菌及其代謝產(chǎn)物可改善宿主微生態(tài)平衡,它們治療胃腸道疾病的作用逐漸被關(guān)注。益生菌和益生元具有減少細(xì)菌遺傳毒性、促進(jìn)腫瘤代謝以及抑制致癌信號(hào)通路等功能,從而使腸道菌群的平衡得到恢復(fù)。未來(lái)或許可以開(kāi)發(fā)一種提高腫瘤免疫治療安全性的益生菌,包括以PD-L1和CTLA-4為靶點(diǎn)的免疫治療,使其促進(jìn)免疫應(yīng)答,最終導(dǎo)致腫瘤消退[40]。在感染HP的患者中,菌群的多樣性低于健康人群,使用抗生素可使GC風(fēng)險(xiǎn)降低75%,并成功清除消化道中的HP[41]。在根除HP后,其他菌群也在癌前病變的發(fā)展中持續(xù)發(fā)揮抑癌作用,這些菌群可能作為預(yù)防GC的治療靶點(diǎn)[42]。

4 結(jié)語(yǔ)

腸道菌群在營(yíng)養(yǎng)、腸上皮細(xì)胞增殖和分化、病原體保護(hù)、免疫調(diào)節(jié)和代謝等方面為宿主提供益處,在腫瘤發(fā)生、發(fā)展中的作用也不容忽視,但其具體機(jī)制尚未明確。腸道菌群具有多樣性和復(fù)雜性,隨著新的核苷酸測(cè)序技術(shù)和生物信息學(xué)工具的發(fā)展,腸道菌群可作為潛在的生物標(biāo)志物和癌癥治療反應(yīng)預(yù)測(cè)因子。調(diào)節(jié)菌群穩(wěn)態(tài)可作為消化道腫瘤綜合治療的一部分,為放療、化療、免疫靶向治療以及圍手術(shù)期治療提供有益環(huán)境。了解菌群制劑在消化道重建后的作用,可為預(yù)防術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生提供新的機(jī)會(huì)。有必要探索和更深入地了解胃腸道微生物群與宿主反應(yīng)相關(guān)聯(lián)的潛在機(jī)制,開(kāi)展更多以腸道菌群或其代謝物為靶點(diǎn)的抗癌藥物研究,進(jìn)行藥物基因組學(xué)分析,為腸道菌群在胃癌治療和潛在預(yù)防方面的應(yīng)用提供新的思路,有助于消化道腫瘤的個(gè)體化、精準(zhǔn)化治療。