腸道菌群失調與結腸癌發生發展之間關系的研究進展

王 生，黃曉星，余鵬飛，徐小濤，王一飛，劉 莉，3，梅其炳，3

(1.中國醫藥工業研究總院，上海 200040;2.上海醫藥工業研究院創新藥物與制藥工藝國家重點實驗室，上海 200437;3.上海市生物物質成藥性評價專業技術服務中心，上海 200437;4.第四軍醫大學西京消化病醫院，陜西西安 710032)

隨著2007年NIH人類微生物組項目(Human Microbiome Project，HMP)和2008年歐盟“人類腸道元基因組計劃”(Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT)的啟動，腸道菌群在生命活動進程中的作用已經成為國際研究的熱點。腸道菌群穩態在促進宿主營養物質消化吸收、維持腸道正常生理功能、調節機體免疫以及拮抗病原微生物定植等方面有重要的生理意義［1］。一旦腸道內環境發生改變，腸道菌群平衡狀態被破壞，則引發消化系統疾病、內分泌系統疾病、心血管系統疾病、中樞神經系統疾病、類風濕性關節炎等。其中，結腸癌的發生、發展與腸道菌群失調之間的關系及其作用機制是我們課題組關注的主要問題。

流行病學調查發現，結直腸癌高發區與低發區人群腸道菌群組成方面有很大差異，不同飲食習慣的人群，腸道菌群構成截然不同，同樣地，患結直腸癌的危險性也不同，提示腸道菌群的變化與結直腸癌的發生、發展密切相關［2］。首先，在結腸部位腸道菌群分布密度最高，腸道菌群穩態一旦失衡，對于結腸疾病的發生具有非常重要的誘導作用。其次，腸道菌群失調引起腸道膽汁酸代謝紊亂、短鏈脂肪酸含量減少、腸黏膜免疫功能失調，促進結腸上皮增生和對致癌物的易感性增加;同時，膽汁酸在腸道細菌的作用下產生環戊烯菲的致癌代謝物，增加腸胺濃度，引起結腸癌的發生。目前，針對兩者之間關系的研究已經取得部分進展，但是，對腸道菌群失調的引發因素、腸道菌群失調引發結腸癌的分子機制尚無系統明確的認識。對于能否通過調節腸道菌群的失衡狀態達到防治結腸癌的目的，仍需要開展大量的研究工作。本文就近年來國內外有關這方面研究的熱點、關注的問題及發展的前景作一綜述，為結腸癌研究工作者及臨床醫生提供借鑒。

1 腸道菌群失調方式及引發因素

研究資料表明，腸道菌群失調包括腸道菌群種類、數量的改變，同時腸道菌群移位也是腸道菌群失調的重要方式。腸道菌群是一個龐大復雜的生態系統，在健康狀態下，益生菌和致病菌保持平衡狀態，但機體的內、外環境發生變化，益生菌通過基因轉移作用轉變為致病菌，導致益生菌種類(Tab 1)、數量減少，致病菌(Tab 2)則趁機大量繁殖，進而引發菌群失調。另一種方式則是腸道內細菌及其產物LPS透過腸道黏膜屏障轉移到腸道以外的組織器官甚至血液，進一步引發腸道菌群失調［3］。

Tab 1 Main probiotics in intestinal［4］

1.1 腸道菌群構成改變引發菌群失調 腸道菌群的穩態很大程度上依賴于腸道菌種類和數量的相對穩定，但是宿主年齡、飲食、抗生素類藥物、某些疾病狀態均會影響腸道菌群的構成，進而引發菌群失調。老齡階段，腸道菌群多樣性逐漸衰退，益生菌數量減少，可能與機體功能退化和老年病高發生率有一定的關系。除了年齡因素，飲食是決定腸道菌群多樣性的最重要因素之一，Hekmatdoost等［6］發現，高脂肪飼料喂養的小鼠，糞便中擬桿菌門數目增多，而益生菌數目減少。同時，有研究發現，高脂飲食可使大鼠腸道乳酸桿菌和雙歧桿菌明顯降低，擬桿菌門和梭菌屬菌落增多［7］。

Tab 2 Main pathogenic bacteria in intestinal［5］

某些疾病狀態與腸道菌構成的改變關系十分緊密。Turnbaugh等［8］對肥胖和正常的同異卵雙胞胎腸道微生物宏基因組測序發現，肥胖個體中厚壁菌門比例明顯上升，而擬桿菌門則明顯降低。Larsen等［9］發現，糖尿病患者腸道中的厚壁菌門和梭菌的比例要比正常人高得多，β-變形菌綱的比例也明顯升高，而雙歧桿菌和乳酸桿菌的數量減少，并與血糖濃度相關。除了疾病因素引發菌群失調，Edlund等［10］發現，青霉素類藥物可以引起具青霉素抗性的腸桿菌過度生長，而頭孢類藥物則會減少腸桿菌的數目，造成腸球菌的生長旺盛。

1.2 通過腸道細菌移位引發菌群失調 正常狀態下，腸道菌群分布在消化道內，但是在腸道黏膜組織損傷情況下，黏膜上皮細胞的通透性增加，會引起細菌移位的發生，最終導致腸道菌群失調。各種創傷、大出血、心源性或感染性休克發生時，機體為保護心、腦等重要臟器，血液重新分布，腸黏膜及黏膜下層血流減少，黏膜上皮細胞壞死，為細菌移位創造了條件。此外有研究報道［11］，腸黏液中分泌型免疫球蛋白sIg A減少是導致細菌移位發生的重要原因。大量動物實驗發現［12］，多種細胞因子如C干擾素(INF-C)、白介素4(IL-4)、腫瘤壞死因子A(TNF-A)、血小板活化因子(PAF)、氧自由基等均能增加實驗動物腸上皮細胞的通透性，促進腸道菌移位。

2 腸道菌群失調與結腸癌的發生發展密切相關

諸多研究證實，結腸癌人群與健康人群腸道微生物構成存在差異，表現出明顯菌群穩態失衡。Scanlan等［13］對結直腸癌和腺瘤性息肉病患者腸道菌群構成進行分析，結果發現，結直腸癌及腺瘤性息肉病患者腸道菌群多樣性和優勢菌群降低，但柔嫩梭菌和球形梭菌明顯增加。Sobhani等發現，結直腸癌人群中腸道擬桿菌門和普里沃菌屬較健康對照組增多。同時有研究表明，腸道菌群組成在腸息肉和結腸癌病人惡性轉化發生之前和早期已經發生改變，提示腸道菌群結構組成的改變可能對結腸癌的發生有促進作用。目前，已知的可能與結直腸腫瘤有關的腸道菌株主要有擬桿菌屬的某些種(如脆弱擬桿菌、多酸擬桿菌、檸檬酸桿菌、肝螺桿菌)、牛鏈球菌、敗血梭菌、丁酸梭菌、大腸埃希菌的某些種、鏈球菌屬如唾液鏈球菌、血鏈球菌和糞腸球菌等。

結腸癌發生、發展過程中涉及眾多環節，目前對其機制尚無清楚的認識。結直腸癌被認為是多因素疾病，涉及到遺傳、免疫、環境因素、飲食和生活習慣，所有這些因素與腸道菌群相互作用，改變腸道菌群的結構組成和功能，誘發腫瘤的形成和增殖。動物實驗證實，腸道菌群失調是誘發結腸癌的關鍵因素。研究發現，無菌動物結腸炎和結腸癌的發生率明顯降低甚至不發生，但是一旦將失調的腸道菌群移植到無菌動物體內，這些動物免疫功能就會降低，結腸炎和結腸癌的發病率也會隨之明顯上升［14］。這些研究進一步印證腸道菌群改變會促進結腸癌的發生。腸道菌群介導結腸癌的發生、發展與菌群生態失調激活的下游信號分子密切相關，此外，腸道菌群代謝活性的改變也是引發結腸癌重要的方式。

3 腸道菌群失調引起結腸癌發生發展的機制

腸道菌群失調和結腸癌形成及惡化過程之間的關系已經引起國內外研究者的廣泛關注，對于腸道菌群失調介導結腸癌的發生有了一定的認識。目前認為，導致結直腸腫瘤發生、發展的機制主要有以下二個方面:①腸道微生物紊亂使腸道黏膜促炎癥反應信號傳導機制異常，導致腸道黏膜上皮損傷加劇，最終出現瘤形成和惡變;②某些腸道微生物在參與營養物質代謝過程中的產物對腸道上皮細胞具有毒性作用，受損腸道黏膜上皮的不完全修復可導致其致瘤性化。

3.1 炎性微環境介導的炎性通路的活化促進結腸癌的發生發展 國內外研究者對于腸道菌群失調介導結腸癌發生的機制研究，發現菌群失調狀態下，炎性微環境發揮非常重要的作用。研究表明［15］，很多消化系統腫瘤誘發于慢性炎癥條件下，如果去除感染性的致病菌，同時輔以抗炎藥物治療，可以預防炎癥癌變。腸道菌群失調介導的慢性和低炎癥狀態容易刺激腫瘤的形成，主要與免疫細胞及其產生的細胞因子有關。微環境中的免疫細胞及其產生的細胞因子、生長因子激活相關的信號通路，如Wnt、Notch、TGF-β等，影響結腸黏膜上皮細胞的自我更新;激活轉錄因子NF-κB和STAT3，影響結腸組織修復和免疫穩態;激活通路MAPK和 Akt/PKB，影響結腸細胞的有絲分裂和生存［16］。

此外，研究發現菌群失調會釋放大量的細菌毒素，誘發結腸炎等炎性腸病，腸道屏障功能的損傷會引起非致病性細菌的轉位，進而影響免疫系統穩態，使其向致癌相關的免疫反應轉變，進而誘導結腸癌的發生［17］。細菌毒素與模式識別受體特異性結合，如Toll樣受體(TLRs)和Nod樣受體(Nod-like receptors)，激活相應的信號通路，引起趨化因子、炎性因子和抗菌肽的表達，促進腫瘤細胞增殖、抑制腫瘤細胞凋亡、抑制抗腫瘤免疫反應、促進腫瘤細胞的侵襲轉移、腫瘤血管新生等惡性生物學行為，進一步促進結腸癌的惡化［18］。

3.2 腸道菌群失調引起細菌代謝能力改變可以誘導結腸癌的發生 腸道菌群失調后，某些細菌代謝能力發生改變，使代謝產物與正常穩態相比大不相同，研究資料表明，結腸癌的發生與細菌代謝水平的改變密切相關。研究發現，結腸癌和腸息肉患者纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酸鹽、酪氨酸水平比健康對照組明顯升高，而甲胺水平低于健康對照［19］。Chan等［20］發現，脂質、葡萄糖、聚乙二醇脂在結腸癌黏膜層水平低于正常結腸黏膜組織，然而，含膽堿化合物、牛磺酸、鯊肌醇、甘氨酸、乳酸鹽、磷酸氨基乙醇和磷酸膽堿在結腸癌黏膜中水平升高。

腸道菌群失調后，代謝能力的改變歸因于腸道厭氧菌產生一系列的代謝酶，這些酶作用于不同的底物，如膽汁酸、脂肪酸等，產生致癌物質，進而引發結腸癌。綜述近3年國內外相關綜述，細菌代謝產生的致癌毒物主要包括硫化氫、活性氧族ROS、次級膽汁酸等。研究發現，結腸癌患者體內硫化氫含量明顯高于健康者，同時，結腸癌患者結腸組織對硫化氫的解毒能力減弱。硫化氫誘導結腸癌的形成主要通過誘導DNA損傷、自由基釋放、結腸黏膜炎癥、結腸黏膜過度增生，同時抑制細胞色素氧化酶、丁酸鹽利用、黏液合成和DNA甲基化［21］。其次，活性氧族氧化損傷持續地誘導DNA突變是誘發結腸癌最重要的因素之一，同時，ROS可以誘導結腸癌的侵襲和增殖［22］。然后高水平的糞便膽汁酸已經被證實與人類結腸癌高發人群密切相關。腸道菌可以產生次級膽汁酸，尤其是高脂飲食的條件下，梭菌屬通過7a脫羥基作用，產生次級膽汁酸，次級膽汁酸影響有絲分裂過程，誘導DNA損傷，并且可以誘導ROS的產生，增加結腸癌的發生風險［23］。

4 調節腸道菌群可以預防治療結腸癌

流行病學調查和基礎研究資料表明，益生菌具有抗腫瘤效應，主要與調節腸道菌群、增強機體免疫能力、直接抑制腫瘤相關分子有關。有研究者認為，人類自身基因組相對穩定，而共生微生物的基因組則更為靈活，可以通過定向調節腸道菌群基因組，達到預防治療的作用。體內研究發現，益生菌有良好的抗腫瘤效應，大鼠給予長雙歧桿菌后，結腸的癌前病變(隱窩異常病灶)降低 25% ～50%［24］。另一項對37名結腸癌患者和43名多發性結腸息肉切除患者使用合生元、乳桿菌LGG和雙歧桿菌 BB12的研究，發現患者糞便中保加利亞桿菌和乳酸菌增多，而產氣莢膜梭菌卻明顯減少，降低了患者外周血單核細胞和活化的輔助性T細胞IL-2的分泌，增加了結腸癌患者IFN-γ的分泌［25］。體外研究亦發現益生菌能夠影響結腸癌細胞的增殖、凋亡和黏附等惡性生物學行為，乳酸菌衍生的聚磷酸酯可以誘導結腸癌細胞凋亡，聚酵素芽孢桿菌能夠黏附在結腸腺癌細胞表面，劑量依賴性地抑制結腸癌細胞的增殖，青春雙歧桿菌可以抑制HT-29、SW480、Caco2三種結腸癌細胞的增殖，改變細胞形態［26］。

諾貝爾獎獲得者Lederberg形容人體是一個由人體自身細胞與微生物細胞共同構成的“超生物體”，同時，有部分研究者提出人類自身基因組相對穩定，而腸道微生物基因組則相對靈活，可以通過食物及藥物進行定向調節，改變腸道菌群的結構組成及代謝，以影響宿主的自身代謝，達到預防治療的作用［27］。由此可見，腸道菌群對人類健康的重要性和其在診斷治療疾病方面的潛在巨大的研究價值已經被廣大研究者接受和認同。

惡性腫瘤的發生、發展與腸道菌群失調之間有著非常緊密的聯系，研究發現，腫瘤組織中細菌的濃度遠遠高于正常組織，細菌可以特異性的在腫瘤病灶部位聚集定植。腫瘤缺氧微環境為厭氧菌的生長提供良好的條件，同時腫瘤組織異常的血管和組織間隙高壓限制免疫成分(粒細胞、抗體、血清補體等)隨血流進入，保護細菌逃避機體的免疫殺傷，成為細菌的免疫避難所［28］。由此可見，腫瘤組織特殊的微環境組成將導致大量的細菌生長，而過度增殖的細菌可以通過與腫瘤細胞競爭性爭奪營養從而抑制腫瘤的生長，同時細菌某些特殊的代謝產物可以直接抑制腫瘤細胞的增殖和誘導腫瘤細胞凋亡，或許可以通過調節腸道菌群達到治療惡性腫瘤的目的。Coley等的研究發現印證這一觀點，Coley發現感染急性鏈球菌的肉瘤患者的腫塊縮小，從而開啟了運用細菌或細菌提取物治療腫瘤的歷史。伴隨著生活水平的提高，肥胖引發腸道菌群失調，繼而誘使結腸癌的高發生率亟需預防和治療的方法，因此，基于調節腸道菌群探索結腸癌治療的方法和作用機制是我們課題組關注的主要問題，希望通過這一探索研究為基于腸道菌群的藥物開發和臨床結腸癌的治療提供一定的理論參考。

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