腸道微生態與大腸癌的關聯及其機制

摘 要 大腸癌是危害國人健康的高發腫瘤類型，其發病率和致死率在世界上均已在腫瘤中位居第三。近年來，腸道微生態的生理功能日益成為研究熱點，且微生態失衡已被證實是大腸癌的重要危險因素。本文就腸道微生態與大腸癌的發生、發展以及其在預測和預防大腸癌中的價值和作用等問題作一簡要述評。

關鍵詞 大腸癌 益生菌 微生態失衡

中圖分類號：R730.231.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1533（2016）19-0009-04

Gut microbiota and colorectal cancer — the interrelations and mechanisms

CHEN Jian*， ZHANG Huilu

（Department of Gastroenterology， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT Colorectal cancer （CRC） is one of the high incidence of tumor types endangering the health of our people and its morbidity and mortality have been ranked the third in the tumor in the world. Recently， physiological function of gut microflora has increasingly become a hot topic of research and furthermore the human gut microbial dysbiosis has been proved to be a risk factor for the initiation and development of CRC. We briefly summarize the relationship between gut microbiota and the initiation and development of CRC and its value and function in the prediction and prevention of CRC and so on in this article.

KEY WORDS colorectal cancer； probiotics； microbial dysbiosis

大腸癌是危害國人健康的高發腫瘤類型，其在世界范圍內的發病率和致死率均在腫瘤中位居第三，而國人大腸癌發病率的每年遞增速度為世界平均數的2倍[1]。有關研究表明，飲食西化、運動減少、肥胖、吸煙和遺傳因素等均與大腸癌的發生有密切的關聯[2]。近年來，腸道微生態的生理功能越來越受到重視，大量研究已證實腸道微生態失衡是大腸癌的重要危險因素[3-4]。本文就腸道微生態與大腸癌的關聯及所涉機制等問題作一簡要述評。

1 大腸癌是腸道菌群的相關性疾病

結腸中的菌群密度約為1×1012/ml，遠遠高于小腸中的菌群密度（約為1×102/ml），且結腸發生腫瘤的風險較小腸高約12倍。在無菌動物中很難誘導出大腸癌的模型，故有學者提出大腸癌可能為腸道菌群的相關性疾病[5]。過去十多年來，一系列對大腸癌動物模型及大腸癌患者的腸黏膜及糞菌菌群譜的分析均提示，腸道細菌與大腸癌間存在著關聯。

有學者選用敲除了T細胞受體基因和p53基因的小鼠作為結腸癌動物模型，自其7周齡開始分別給予正常飼養和無菌飼養，結果在4月齡時觀察到70%的正常飼養小鼠出現了結腸息肉，而無菌飼養小鼠均無明顯息肉形成，機制可能與無菌飼養小鼠不會發生與結腸癌相關的腸道炎癥有關[5]。

系列研究顯示，無論是自發形成還是化學誘發，無菌條件下的動物大腸癌發生率均較低。在化學誘導的結腸炎相關大腸癌模型及APCmin/+小鼠（會自發形成腸道多發腺瘤）模型中，無菌飼養小鼠的腫瘤相關基因突變率也顯著低于正常飼養的小鼠[6]。這些研究均提示，大腸癌的發生需有腸道微生物背景，腸道微生態系統的存在是大腸癌發生的必要條件[7]。

2 腸道微生態失衡與大腸癌的因果關系

腸道微生態失衡是指腸道菌群失衡或易位，其中腸道菌群失衡是指腸道原籍菌群譜發生了改變，益生菌總數減少，益生菌與致病菌總數的比例顯著下降；腸道菌群易位是指腸道細菌由原定位處向周圍轉移（如小腸細菌過度增殖），或腸道細菌由原位向腸黏膜深層乃至全身轉移。腸道微生態失衡會誘發大腸癌，而大腸癌的高危因素（如老齡、肥胖、高脂飲食、便秘和濫用抗生素等）也可導致腸道菌群譜改變。那么，腸道微生態失衡與大腸癌的因果關系到底如何呢？

健康人群腸道微生態系統內的菌群以厭氧菌為主，90%以上屬厚壁菌門、擬桿菌門，少數為變形菌門、梭菌門和放線菌門細菌[8]。不同菌門的細菌相互制約，維持著腸道微生態系統的穩定，共同參與宿主正常的消化、代謝和能量轉化過程，并可調節宿主腸黏膜屏障的防御功能，參與血管形成及腸道細胞成熟過程中的基因表達。

與健康者或癌旁正常組織相比，大腸癌患者的癌組織或糞便中的菌群總數及種類均有很大的改變[9-10]。例如，大腸癌患者糞便菌群中的雙歧桿菌、乳酸桿菌和產丁酸鹽菌種等所占比例顯著降低，而大腸埃希菌、乳球菌屬、具核梭桿菌和脆弱擬桿菌所占比例則顯著增加[11]。此外，包括腸球菌、大腸埃希菌、克雷伯菌屬、鏈球菌和消化鏈球菌在內的11種細菌在大腸癌患者腸道中的數量顯著增加，而屬羅氏菌屬和毛螺旋菌科的5種產丁酸鹽菌種數量卻顯著降低[11]。國內趙立平團隊在使用二甲基肼誘發大鼠大腸癌的過程中發現，在大鼠健康腸黏膜向癌前病變（黏膜異常隱窩病灶）及癌變的轉化過程中，大鼠腸道菌群發生了一系列的動態變化[12]。他們此后又對大腸癌患者和健康者的腸道菌群進行了整體分析，結果發現一種與脆弱擬桿菌相似的細菌在大腸癌患者腸道中的數量顯著增加，而與普通擬桿菌和單形類桿菌相似的細菌則在健康者腸道中的數量較多[13]。最近Ohigashi等[14]還發現，產丁酸鹽細菌數量的顯著降低和條件致病菌數量的顯著增加可能是大腸癌患者腸道菌群譜改變的主要特點。非腺瘤性結腸息肉、結腸腺瘤性息肉和結腸癌患者的糞便菌群譜均有顯著改變，且隨著病程進展，他們腸道內的pH提高、短鏈脂肪酸含量下降，此種變化并非結腸癌的繼發改變，而是結腸癌變的始動因素。

3 腸道微生態失衡誘發大腸癌的機制

一系列的研究均提示，大腸癌主要由致病菌的代謝物對宿主細胞的致畸、致突變作用以及誘發腸腔內的慢性炎癥和炎癌轉化所致[15]。

為闡釋腸道細菌與大腸癌的關聯，學者們重點關注了梭菌屬、產聚酮肽基因毒素大腸埃希菌和產毒脆弱擬桿菌3種細菌，這3種細菌在腫瘤小鼠模型中均有促癌效應[16]。研究者發現，在使用氧化偶氮甲烷及葡聚糖硫酸鈉化學誘導慢性結腸炎小鼠模型的癌變過程中會出現一系列的腸道菌群譜改變，如鏈球菌屬、倉鼠乳酸菌、擬桿菌屬和卵形擬桿菌的數量顯著增加，同時p65、p53、環氧合酶-2、過氧化物酶體增殖物激活受體-γ和β-連環蛋白等炎癥相關蛋白表達上調，說明炎癥反應是促癌的必要條件[17]。

產丁酸鹽細菌數量的顯著降低和條件致病菌數量的顯著增加是大腸癌患者腸道菌群譜改變的主要特點。丁酸鹽是腸黏膜上皮細胞更新所需的最重要的能量來源，同時其還具有調節免疫、減輕慢性炎癥的作用。產丁酸鹽益生菌數量的減少會使腸內丁酸鹽含量降低，從而使患者出現腸黏膜上皮細胞代謝障礙、黏膜屏障功能減退、體內慢性炎癥水平提高，繼而發生免疫紊亂。此外，條件致病菌數量的增加會使腸道內免疫毒素和致癌物質的產生量增加。這些免疫毒素可通過受損的黏膜屏障進入腸道細胞，從而損傷腸道細胞的DNA，引起其突變；也可激活炎性相關的下游信號通路而導致炎癥及癌變，同時還可增加與炎癥反應相關的炎性因子釋放量并加速上述過程[17-18]。

Sinha等[19]應用多元回歸分析法分析、比較了大腸癌患者和健康對照者干燥糞便中的530種代謝物和220種微生物的含量，結果發現大腸癌的獨立危險因素包括梭狀芽胞桿菌、毛螺旋桿菌、對氨基苯甲酸和共軛亞油酸含量的降低以及梭菌屬、卟啉單胞菌屬、羥基苯甲醛和棕櫚酰鞘磷脂含量的提高。棕櫚酰鞘磷脂可影響細胞脫落；共軛亞油酸可影響炎癥；對氨基苯甲酸可影響固有免疫。梭菌屬、卟啉單胞菌屬的代謝物在大腸癌發生中的歸因度分別達29%和34%。棕櫚酰鞘磷脂含量的提高與腸桿菌、放線菌和厚壁菌的豐度上升有關。大腸癌患者糞便中腸桿菌和放線菌的代謝物（棕櫚酰鞘磷脂）含量顯著提高；梭菌屬、卟啉單胞菌屬的代謝物（羥基苯甲醛）也與大腸癌的發生直接相關，而梭狀芽胞桿菌、毛螺旋桿菌的代謝物（對氨基苯甲酸和共軛亞油酸）則可能與大腸癌的發生呈負相關性。該研究的意義在于開始揭開了神秘的大腸癌相關微生物及其代謝物龐大網絡的冰山一角。

4 益生菌干預能預防大腸癌的發生

腸道微生態、腸黏膜屏障和人體免疫系統三者息息相關，它們之間的失衡與許多疾病的發生有密切的關聯，包括癌癥[20]。腸道微生態失衡會提高結腸癌的發生幾率，那么益生菌干預能否預防結腸癌的發生呢？

益生菌制劑對腸道的保健作用包括[21-22]：益生菌制劑中的活菌（如雙歧桿菌屬、乳桿菌屬）可緊密黏附于腸黏膜上皮細胞，形成空間占位，阻止致病菌的黏附；磷酸化緊密連接蛋白可調節腸道通透性，改善腸黏膜屏障功能；誘導腸黏膜上皮細胞分泌黏蛋白，抑制致病菌對腸黏膜上皮細胞的黏附和易位；分泌細菌素類和短鏈脂肪酸等物質，抑制致病菌生長繁殖；刺激巨噬細胞和淋巴細胞等分泌抗炎細胞因子。

有研究提示，益生菌在預防消化道炎癥和腫瘤方面具有重要的作用[23]。原發性肝癌是致死率高居第二的惡性腫瘤類型，其患者的預后很差。有研究者應用小鼠肝癌移植瘤模型研究了一種名為Prohep的新型益生菌制劑對腫瘤治療的影響，結果發現相較于普通飲食組小鼠，飼喂Prohep小鼠的腫瘤重量和體積均約減少了40%[24]，所涉機制包括益生菌代謝物通過腸、肝間的串話來下調促炎免疫反應，包括下調腸道及外周血遷移的T輔助細胞-17及其分泌的白介素-17，進而削弱腫瘤血管形成能力、抑制腫瘤生長。Zhang等[25]研究發現，在使用二乙基亞硝胺誘導大鼠肝癌過程中如再使用青霉素誘發大鼠腸道微生態失衡，使之腸黏膜屏障被破壞、腸道菌群譜紊亂（乳酸菌屬、雙歧桿菌屬和腸球菌屬數量顯著減少）、血中內毒素水平升高，肝癌的發生率顯著提高。但如在誘癌過程中加用相應的益生菌制劑，則能顯著減少大鼠的肝癌發生率。鑒于目前尚無有效的大腸癌化學預防方法，研究益生菌制劑在預防大腸癌發生方面的作用及機制意義重大。有研究顯示，益生菌制劑VSL#3可通過抑制細胞增殖及增強谷胱甘肽S-轉移酶的解毒功能而防止家族性腺瘤性息肉患者息肉的發生[26]。長期攝入酸奶制品可顯著降低大腸癌的發生風險；良性大腸腫瘤切除術后再長期攝入干酪乳桿菌制劑也可延緩癌變發生的進程。

研究人腸道菌群功能的常用方法是將人的單一或混合腸道菌種移植至無菌小鼠腸道，然后在小鼠中觀察這些細菌的作用。不過，要在腸道外模擬腸道內環境是非常困難的。最近，Shah等[27]通過微流控芯片成功地將腸黏膜上皮細胞與鼠李糖乳桿菌共培養，并記錄下細胞在共培養后的一系列蛋白轉錄變化，為今后更進一步地模擬及研究益生菌與大腸癌的關聯奠定了基礎。

盡管腸道菌群失衡不是大腸癌發生的唯一因素，但越來越多的證據證明菌群失衡是其發生的始動原因[28-29]。因此，讓大腸癌或癌前病變患者恢復并維持良好的腸道微生態內環境肯定對抵抗癌癥或恢復健康有積極的作用。

5 通過腫瘤相關菌群檢測可預測大腸癌的發生

最近，許多研究試圖闡明腸道菌群的具體功能及其與大腸癌發生之間的關聯。但研究發現腫瘤-宿主存在異質性，如結腸近端和遠端腫瘤患者的腸道菌群譜間存在差異，糞便菌群譜與黏膜菌群譜間也有差異[30-31]。

Flemer等[16]研究發現，與大腸癌相關和非相關的腸道菌群譜不同，在細菌簇和黏膜基因表達譜方面也有差異。該文提出可依據細菌共生網絡的豐富性將大腸癌患者分成4種類型，類似于以前的“腸道生態系統”概念。此外，基于黏膜相關細菌共生群水平的高低，可對大腸癌患者進行風險分層。大腸癌相關菌群的異質性可被開發用作篩查大腸癌高危個體的工具，但還需進行進一步的縱向研究來評估其作為生物標志物預測大腸癌的價值。

在國外，人們對結腸鏡檢查等常規大腸癌篩查方法的依從性不高，主要原因是該檢查花費昂貴且具侵入性，因此糞便隱血試驗仍是傳統的篩查大腸癌的簡便手段。有研究者應用16S rRNA基因測序法檢測腸道菌群譜的相對細菌豐度，同時聯合糞便隱血試驗來檢測結腸的病變[32]。結果顯示，應用基于菌群譜的隨機Forest模型共檢測到91.7%的癌癥和45.5%的腺瘤患者，而單用糞便隱血試驗只檢測到75.0%的癌癥和15.7%的腺瘤患者。若在應用腸道菌群譜預測大腸癌時能再結合其他危險因素如年齡、種族和體質指數，可進一步提高預測的準確度。

6 小結

毋庸置疑，腸道菌群失衡是大腸癌發生的重要條件，細菌的代謝物及其誘發的炎癥反應是炎癌轉變的重要誘因。不過，腸道細菌在大腸癌發生、發展過程中的具體作用機制仍待繼續深入的探索。大腸癌相關細菌共生群的研究對大腸癌的早期診斷意義重大。益生菌制劑可調節腸道菌群的內環境穩定，未來有望在大腸癌的預防方面發揮獨特的作用[33]。

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