腸道菌群在炎癥相關腸癌中的研究進展

孔憲斌，王方園，彭瑩瑩，郭玉珠，孟靜巖△

最新全球癌癥統計報告指出，2018年全球新增1 810萬癌癥病例，結直腸癌（Colorectal carcinoma，CRC）發病率排名第4，死亡率排名第2［1］。在中國，CRC是常見的胃腸道惡性腫瘤，是5大常見癌癥之一［2］。腸道菌群和炎癥在CRC的發生發展中扮演著重要的角色［3］。腸道菌群在人體中起著促進免疫系統發育和新陳代謝的作用，腸道菌群結構的改變常引起微生態失調，這經常被認為是多種腸道疾病的重要發病環節，如炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）。慢性腸道炎癥特點是免疫細胞浸潤、水腫、上皮結構喪失［4］，這與炎癥相關腸癌（colitis associated cancer，CAC）關系密切。近年來對CAC的病理生理學的認識有了顯著的提高，但其病因尚不清楚。腸道菌群的改變不僅是促進炎癥的發生，而且還產生了有利于腫瘤細胞微環境的毒素，因此探索腸道菌群在CAC發展中的作用勢在必行。

1 腸道菌群與飲食的相關性

腸道菌群可影響營養物質的吸收和代謝，與人體生理功能、健康和疾病關系密切，不合理的飲食結構會造成腸道菌群結構失調，致病菌增加。

1.1 腸道菌群與高脂飲食 高脂飲食加速炎癥過程和改變腸道微生物組成。高脂飲食能夠使回腸和結腸炎性細胞浸潤，增加白細胞介素（IL）-6和腫瘤壞死因子（TNF）-α、誘導型一氧化氮合酶蛋白、細胞增殖標記物（Ki67）和β-連環蛋白（β-catenin）在結腸的表達，與腸道炎癥表型一致，腸道中毛螺菌科（Lachnospiraceae）/鏈球菌科（Streptococcaceae）結構的失調引起代謝紊亂，與CAC的發展有關［5］。高脂飲食能夠增加與肥胖相關細菌韋榮球菌科（Erysipelotrichaceae）豐度，降低產短鏈脂肪酸（SCFAs）相關細菌Lachnospiraceae的豐度［6］。與低脂飲食比較，高脂飲食模型中的SCFAs明顯減少［7］。SCFAs包括丁酸鹽、丙酸鹽等，擁有抗炎、抑制腫瘤細胞增殖的作用，起到腸道屏障功能［8］。丁酸鹽可在早期CAC發育階段干擾癌前細胞核因子（NF）-κB的激活，降低炎癥因子表達。產SCFAs微生物的變化和結腸癌密切相關［9］。在CAC患者中，產丁酸鹽菌，如鏈狀真桿菌（E.desmolans）的豐度將耗盡［10］，具有抗炎特性的唾液鏈球菌（S.salivarius）減少。作為腸道共生菌群的一部分，產SCFAs菌的減少也可能是由其他致病性微生物的增加引起的，比如具核梭桿菌（F.nucleatum）［3］。高脂飲食含有豐富的硫化物，CAC患者體內硫化氫明顯升高，同時患者結腸組織對硫化氫的解毒能力減弱；硫化氫誘導CAC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，同時抑制丁酸鹽利用、黏液合成和DNA甲基化［11］。

1.2 腸道菌群與酒精攝入 長期過量飲酒導致的腸道菌群失調，破壞腸道屏障，腸道內的毒性代謝產物釋放入血，對機體組織造成不利影響。小腸和結腸暴露于酒精3周后，具有抗炎活性的細菌耗盡，如厚壁菌門（Firmicutes），最終造成腸道損傷。用酒精喂養10周的大鼠顯示結腸中微生物群改變，并且用益生菌（Lactobacillus GG）或益生元預處理阻止了這些改變［12］。另有研究表明，喂食10個月酒精后大鼠腸道菌群中鏈球菌屬（Streptococcus）、瘤胃球菌屬（Ruminococcus）和糞球菌屬（Coprococcus）微生物屬豐度明顯增加，腸道菌群失調可引起SCFAs減少、腸黏膜免疫功能失調，對致癌物的易感性增加［13］。

2 腸道菌群對腸黏膜的影響

腸道微生物群落對腸黏膜的健康有著深遠的影響，腸道菌群在形成黏膜先天性和適應性免疫反應中起著重要作用。

2.1 腸道菌群與黏膜屏障相關性 結腸黏液層是宿主體內平衡的天然防御屏障，杯狀細胞產生的黏蛋白2（MUC2）是人體和小鼠黏液層的主要結構基礎，MUC2主要由O-聚糖（O-Glycans）組成，腸黏膜黏蛋白型O-糖基化受損會導致結腸黏液屏障破裂，使細菌迅速破壞黏液層。隨后，微生物肝螺桿菌（Helicobacter hepaticus）介導的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）依賴炎癥小體的激活，引起結腸增厚、增生和炎性浸潤，細菌介導的結腸炎癥促進了CAC的發生［14］。擬桿菌門和變形菌門在70歲以上的人群中普遍存在，菌群結構突變會引起保護性黏液層的改變，導致黏膜免疫系統的改變，上皮屏障的完整性喪失，蠕動和營養吸收的改變［15］。

2.2 不當治療對腸黏膜損傷 艱難梭狀芽胞桿菌通常在健康成人胃腸道（GIT）中存在的比例較少。不恰當的治療會引起微生物種群的劇烈變化，如廣泛使用抗生素導致的生態失調，會刺激耐藥菌株的生長和艱難梭菌感染的發生，引起結腸黏膜潰瘍等。發炎的上皮細胞和受損的黏膜組織受其他機會性病原體的侵襲，例如產氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens）、金 黃 色 葡 萄 球 菌（Staphylococcus aureus）等。這可導致細菌過度生長，誘導結直腸癌發生［16］。GIT中大部分細菌屬于Firmicutes和擬桿菌門（Bacteroidetes），而變形門菌（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、藍細菌門（Cyanobacteria）的細菌較少。炎癥的上皮細胞和受損的黏膜組織使GIT更易感染艱難梭菌和其他條件致病菌，從而導致結直腸癌的發生［17］。

2.3 菌群異位對腸黏膜損傷 臨床研究中發現口腔牙周病細菌F.nucleatum促進了腫瘤的發生。在腸癌患者中，F.nucleatum以及病原菌巴斯德氏菌（P.stomatis）、口腔擬桿菌（P.oris）、侵肺桿菌（D.pneumosintes）明顯增加。侵襲性的細菌麻疹鏈球菌（G.morbillorum）的增加與牙髓感染有關。其能夠破壞上皮屏障，產生的代謝產物能改變微環境，促進了后定殖微生物如卟啉單胞菌（Porphyromonas spp.）相關炎癥。這些病原體可以通過釋放肽和蛋白質來干擾信號通路，改變通透性，促進結腸癌的發生［9］。

2.4 腸道菌群通過氧化應激對腸黏膜損傷 活性氧和氮物種（RONS）氧化持續地損傷和誘導DNA突變是誘發CAC的因素。高脂飲食下，腸道細菌通過7a-脫羥基作用，代謝出次級膽汁酸，能產生活性氧（ROS）自由基造成局部炎癥，導致DNA斷裂，誘導ROS的產生［18］。由于ROS和活性氧中間體（RNI）的產生和積累而導致結腸黏膜的氧化應激。在促炎細胞因子的刺激下，炎癥細胞產生ROS和RNI，其反過來又募集額外的炎癥細胞，產生自我促進的致病環，以致氧化應激參與癌癥發生［19］。

3 腸道菌群在炎癥機制中的研究

炎癥和腫瘤之間存在著緊密的聯系，腸道菌群與炎癥的發生關系密切，CAC的發病機制主要是由相關信號通路的改變以及炎癥因子的表達失調而引起的。

3.1 炎癥小體與腸道菌群研究 核苷酸結合寡聚化結構域NOD樣受體（NLR）調節多種生物過程，例如炎癥反應、細胞增殖和死亡，以及腸道微生物群，NLR蛋白作為腸道炎癥和CAC的驅動因素。

3.1.1 炎癥小體NLRC/X亞族 NOD樣受體家族3（NLRC3）可以通過抑制細胞骨髓細胞癌基因（CMYC）和磷脂酰肌醇3激酶-絲氨酸/蘇氨酸激酶（PI3K-AKT）下游靶點轉錄因子3a（FoxO3a）和叉頭框蛋白1（FoxO1）并誘導細胞凋亡來抑制CAC的發展［20］。核苷酸結合寡聚化結構域蛋白2（NOD2）介導微生態失調，損害結腸上皮完整性，并產生腸促炎環境，在增強上皮異常增生中起關鍵作用［28］。研究表明，NOD2的缺乏引起普通擬桿菌（Bacteroides vulgatus）擴增，出現杯狀細胞功能障礙，上皮內淋巴細胞生產過剩的干擾素-γ（IFN-γ）并增加炎癥反應［21］。

3.1.2 炎癥小體NLRP亞族 NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3（NLRP3）炎癥小體參與了結腸炎的發生。金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等通過病原相關分子模式（PAMP）激活，誘導IL-1β及IL-18的釋放及細胞焦亡［22］。NLRP6缺陷小鼠引起的結腸炎以普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）為主導［23］。NLRP6可以通過調節艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的豐度來抑制結腸炎的發展［24］。NLRP12缺乏引起微生物菌落多樣性降低，增加了促炎菌株Erysipelotrichaceae并伴隨益生菌Lachnospiraceae的減少，誘導促炎細胞因子產生和NF-κB、細胞外調節蛋白激酶（ERK）和信號轉導與轉錄激活因子3（STAT3）的激活，增加結腸炎癥和腫瘤發生的敏感性，NLRP12可能成為調節腸道菌群抑制腸道炎癥和腫瘤的治療靶點［25］。

3.2 腸道菌群與炎癥因子

3.2.1 促炎癥因子 在小鼠模型中，用大腸桿菌進行腸道定植導致結腸炎癥，能夠誘導CAC發生［26］。促炎細胞因子IL-6通過激活酪氨酸激酶（JAK）/STAT信號通路促進增殖和抑制細胞凋亡。體外人結腸癌細胞增殖的IL-6依賴性增強，主要受轉錄因子STAT3的過度磷酸化影響，CAC中的腸上皮細胞中IL-6和STAT3的表達顯著升高［27］。促炎細胞因子IL-1和TNF-α也顯著增強環氧化酶-2（COX-2）的產生，COX-2是干擾細胞增殖的誘導型酶，影響血管生成起源和細胞凋亡。COX-2 mRNA水平升高與黏膜炎癥、CAC密切相關［28］。

3.2.2 保護性因子 IL-10是一種有效的抗炎細胞因子，可抑制NF-κB信號，并能夠增加腸道細菌多樣性［29］。真菌是腸道菌群的重要組成部分，能夠干擾IL-18的成熟，促進CAC的易感性。IL-18可通過腸道CD8+T細胞的生成來促進上皮細胞屏障的修復和IFN-γ的生成，降低腫瘤負荷［30］。IL-22能夠調節抗菌肽的表達，對于維持上皮細胞屏障的完整性以及上皮細胞修復至關重要，IL-22不足會引起共生菌Prevotellaceae的生態失調和異常擴張［31］。

4 腸道菌群在CAC診斷中的研究

微生物群失衡與CAC相關，因此通過檢測腸道菌群的變化，可能對CAC的診斷起到重要指導意義。在CAC患者中，梭桿菌屬（Fusobacterium）豐度增加，Bacteroidetes和Firmicutes減少。CAC的發生與腸道微生物群失衡有密切關系，可通過基因測序對腸道菌群進行分析，觀察菌群結構的特異性改變有助于指導CAC的診斷［32］。

胃腸道中丁酸鹽產生菌的顯著減少可能導致微生物組成的失衡，比如Firmicutes和Actinobacteria。丁酸鹽的產生可以保護腸道不受CAC的影響，通過降低DNA氧化損傷，激發已經受損的細胞上的DNA細胞凋亡，抑制腫瘤細胞的生長，降低協同致癌酶的活性［33］。因此丁酸鹽產生菌的測定對CAC的診斷有重要意義。

臨床研究提示大腸中雙歧桿菌（Bifidobacterium）是檢測大腸癌患者的重要指標。結腸癌患者雙歧桿菌優勢頻段消失，熱休克蛋白（HSP）70增加，Caspase-3表達明顯下降，且Caspase-3與腸道菌群密切相關［34-35］。另有臨床研究表明，CAC的發生與腸道菌群中脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）、Streptococcus、Fusobacterium和消化鏈球菌（Peptostreptococcus）的比例增加有關；結腸癌高風險患者中的解沒食子酸鏈球菌（Streptococcus gallolyticus）、Peptostreptococcus、敗毒梭菌（Clostridium septicum）、Clostridium perfringens豐度明顯增加［36］。因此，臨床醫師可通過評估結腸癌腫瘤部位的菌群種類進行綜合診斷。

研究表明腸道微生物引起的菌血癥與CAC的發生密切相關，因腸道菌群失調以及腸道屏障功能障礙，導致腸道微生物進入血液，其引起的菌血癥促進CAC的發生。牛鏈球菌（S.bovis）是腸道正常菌群的一部分，研究表明S.bovis菌血癥與惡性結腸病變具有關聯性，這有希望促使開發一種可靠的晚期結腸病變篩查方法［37］。

5 腸道菌群在CAC治療中的作用

5.1 對抗炎癥反應 腸道菌群的脂多糖（LPS）可以增強C26結腸癌細胞系的轉移潛能。阿司匹林能抑制C26細胞Toll樣受體4（TLR4）表達并導致NF-κB的下調，有效降低癌細胞的體內外轉移能力［38］。另有研究表明低劑量光動力療法能夠增加類桿菌科（Bacteroidaceae）豐度，并明顯降低結腸黏膜TNF-α、IL-12、IFN-γ的mRNA表達水平，減少黏膜炎癥反應［39］。維生素C能夠降低Bacteroidetes/Firmicutes的相對豐度，升高乳球菌屬（Lactococcus）的豐度，抑制促炎癥介質和細胞因子COX-2、TNF-α、IL-1β、IL-6的mRNA表達水平，抑制結腸縮短，減少組織學損傷［40］。

5.2 保護黏膜屏障 目前已有針對黏膜屏障功能調節的治療藥物應用于臨床，如SCFA、益生菌等，補充益生菌可改變菌群結構，調節炎癥反應，保護黏膜屏障，預防CAC［41］。口服益生菌嗜酸乳桿菌、鼠李糖乳桿菌和雙歧桿菌后，腸道中的乳酸桿菌、雙歧桿菌、同種異體桿菌等豐度增加，并伴隨著結腸炎癥指數下降，結腸中TNF-α表達減少、IL-10表達增加［42］。

5.3 腸道菌群協同增敏效應 研究發現針對免疫抑制通路相關分子的免疫治療，其療效受到特定腸道菌群的顯著影響，擬桿菌屬（Bacteroides）可顯著影響細胞毒T淋巴細胞相關抗原4（CTLA-4）阻斷劑的抗腫瘤療效［43］。Akkermansia muciniphila能夠增加細胞表面趨化因子受體9（CCR9）+家族趨化因子受體3（CXCR3）+CD4+T淋巴細胞向小鼠腫瘤床的募集，以IL-12依賴性方式促進程序性細胞死亡蛋白-1（PD-1）阻滯劑的功效［44］。Bifidobacterium可提高小鼠的腫瘤特異性T細胞反應和腫瘤內CD8+T細胞的積累，并可增強程序性細胞死亡蛋白-1配體（PDL1）單克隆抗體的抗腫瘤療效［45］。

5.4 中藥對腸道菌群影響 甘草中提取的黃酮類化合物異甘草酸（ISL）具有抗腫瘤作用。大劑量ISL干預后，ISL降低了機會致病菌，如埃希氏菌屬（Escherichia）和腸球菌屬（Enterococcus）的豐度，增加了益生菌豐度，特別是丁酸鹽產生菌Ruminococcus等［46］。另有研究表明，姜黃素對結腸炎或結腸癌發生的有益作用與維持更多樣化的結腸微生物生態有關，能夠增加乳酸菌（Lactobacillales）的相對豐度，減少紅蝽菌目（Coriobacterales）秩序，降低結腸質量/長度比，生存率增加［47］。

6 腸道菌群在CAC研究中的不足

腸道菌群與CAC的關系是當前研究的熱點。腸道菌群和炎癥在CAC的發生發展中扮演著重要的角色，盡管研究結果并不完全一致。慢性炎癥與CAC發展之間關系的確切機制尚不明確。益生菌等常被認為是調節腸道菌群的方法，但益生菌防治CAC的具體作用機制，益生菌的種類、安全性、最佳濃度等仍需要進一步研究。飲食結構可通過調節腸道微生物結構，從而影響結直腸癌的發生發展。有研究指出，高纖維飲食只是通過促進胃腸道蠕動、增加大便次數和減少糞便中氨的水平來降低結直腸癌的發生風險，而不引起腸道菌群和SCFAs水平的改變［48］。可見，飲食結構如何影響結直腸癌的發生發展過程仍值得探討。

臨床研究提示大腸中Bifidobacterium是檢測大腸癌患者的重要指標，但預測結直腸癌患者中，Bifidobacterium的確切種類仍需細化。臨床研究中雖然在納入標準上沒有納入飲用酸奶和使用抗生素的患者，但仍不能排除飲食等環境因素以及與微生物群相關的一切因素。隨著試驗的科研設計以及檢測技術的發展，利用腸道菌群對CAC進行識別診斷、預后標記以及個性化治療將呈現出更廣闊的應用前景。