紅肉及加工肉制品與結直腸癌風險關系的研究進展

張月姝,武俊瑞,李春強

(沈陽農業大學食品學院,遼寧沈陽 110866)

我國是肉類消費和生產大國,消費量約占全球消費總量的四分之一[1]。2000～2014年間,我國豬肉、牛羊肉和禽肉的人均消費量分別為17.86、2.40和6.79 kg/年,各占肉類消費總量的65.98%、9.33%和24.68%[2]。然而,隨著肉類消費的增加,關于食用肉類消費對人類健康的負面消息也日益增多。因此,消費者越來越關心肉類在健康和安全方面存在的問題。

2015年10月26日,國際癌癥研究機構(International Agency for Research on Cancer,IARC)針對加工肉制品和紅肉的致癌性作出調查,數據顯示,過多攝入紅肉會增加患癌癥的風險。Alisson-Silva等[3]對紅肉消費引起的結直腸癌、動脈粥樣硬化性心血管疾病、II型糖尿病以及其他炎癥進行了風險分析,結果表明在飽和脂肪、血紅素、微生物群等因素的共同干擾作用下,紅肉可作為媒介誘發癌癥發生。結直腸癌(carcinoma of colon and rectum,CRC)是世界范圍內第三大常見癌癥,結直腸癌的發病機制復雜,涉及腸道上皮粘膜細胞受損、基因突變及腸道菌群失衡等。有研究證明[4-6],食用紅肉及加工肉制品有引起結直腸癌的風險,但也有研究者持否定態度[7-8]。因此,有必要對紅肉及加工肉制品與結直腸癌之間的關系進行梳理。

本文就紅肉及加工肉制品與結直腸癌相關性所采用的研究方法及其局限性、以及與紅肉及加工肉制品相關的潛在結直腸癌致病因素進行了論述,以期揭示紅肉及加工肉制品是否存在誘發結直腸癌的風險。

1 研究紅肉及加工肉制品與結直腸癌相關性的方法

1.1 流行病學

流行病學是常用來研究人類疾病分布規律及影響因素的方法,包括觀察性研究、實驗性研究和理論性研究。研究者在運用這種方法來解釋肉類消費與結直腸癌之間的關系時,發現二者之間聯系存在不確定性,認為肉類攝入與結直腸癌風險之間的關系相對復雜,飲食模式、性別、環境及生活方式等其他因素可能在很大程度上影響結直腸癌的發病[9-10]。

分析流行病學是另一種將病因和健康狀況聯系起來的研究方法,隊列研究和病例對照研究都屬其列。研究者以這種方法進一步在特定群體中觀察紅肉及加工肉制品與結直腸癌發病率之間的關聯。Samha等[8，11]對比了加工肉制品和未加工紅肉對結直腸癌風險的關聯性,認為加工肉制品與結直腸癌風險成正相關,但幾乎沒有證據證明攝入未加工的紅肉會增加患結直腸癌的風險,考慮患癌風險與紅肉類型有關。Carr等[12]總結多例針對不同類型的紅肉與結直腸癌關系的流行病學研究,并進行系統評價和薈萃分析,發現牛肉消費與結直腸癌(RR=1.11,95% CI=1.01～1.22)風險增加相關;羔羊消費量的增加也與結直腸癌風險增加相關(RR=1.24,95% CI=1.08～1.44);豬肉與結直腸癌風險的關聯性極弱(RR=1.07,95% CI=0.90～1.27);并沒有觀察到禽肉消費與結直腸腺瘤或癌癥風險的關聯(RR=0.93,95% CI=0.74～1.17)。

然而,對于已經完成的流行病學研究,存在一些方法學問題。研究者基于流行病學研究結果進行的薈萃分析結合了來自世界各地不同地區的研究,有時還會模糊分類,將結腸癌和直腸癌或結直腸腺瘤混淆在一起。除此之外,這些研究還存在其他缺陷,比如各研究之間存在異質性,并且跨亞組分析的關聯模式不一致等。鑒于這些問題的存在,關于紅肉及加工肉制品對結直腸癌發病風險的爭論可能會繼續下去。

觀察性研究不能完全糾正所有混雜因素,也不可能在肉類消費和結直腸癌自身之間建立起因果關系。理想狀態下,流行病學中的隨機對照試驗方法對于調查因果關系具有更高的優勢[13]。然而實驗性研究的缺點在于它是一種需要人為干預的研究手段,人類的腫瘤發展可能需要10～20年,進行長期食物干預試驗成本很高,而且參與者可能在較長時間下不會按照規定攝入食物。人類研究的一個方向是將結直腸癌發病相關的生物標志物作為早期終點,因此,采用動物研究可以更方便地檢查這些肉類消費與癌癥是否存在因果關系。

1.2 動物實驗

數十年來,動物模型實驗已經被用以測試不同飲食及飲食衍生化合物對結直腸癌產生的影響。雖然可選擇不同的動物模型,但嚙齒動物是腫瘤生物研究中使用最多的動物。為了加快實驗結果,通過給予嚙齒動物致癌物或利用遺傳突變來增加易感性[14]。

APCMin小鼠是一種由于腺瘤性息肉病基因APC基因突變而增加易感性的嚙齒動物模型[15-16]。研究者利用APCMin小鼠在生物學上與人類結腸癌病理非常相似的這一特性[17]來研究飲食因素與APC基因突變的相互作用。然而,使用這種模型進行大量飲食衍生物的篩選任務量大且花費不菲。因此,研究者也可以選擇向動物模型注射結腸特異性致癌物質來進行化學致癌造模,常選用二甲基肼(dimethylhydrazine,DMH)或氧化偶氮甲烷(azoxymethane,AOM),因其具有器官選擇性好、致癌效果好、病理性與遺傳性改變與人類發散性結直腸癌相似的特點。經過致癌劑誘導的動物模型可以讓研究者在結直腸癌產生的早期階段,通過根據早期病變標志物——異常隱窩灶(aberrant crypt foci,ACF)和粘蛋白貧化灶(mucin depleted foci,MDF)的數量來觀察食物成分的致癌效果[18-19]。MDF和ACF的存在會改變APC功能,導致Wnt信號傳導途徑的活化和多種其他細胞過程的失調,最終導致癌癥。Santarelli等[20-21]在2010和2013年研究中,將加工肉制品給予經1,2-二甲基肼預處理的大鼠,以評估它們對結直腸癌發生的作用。試驗中不僅記錄MDF數量的變化,同時對糞便中的總NOCs和脂質過氧化產物含量進行測定,發現與對照日糧相比,腌制肉類日糧喂食的大鼠產生的MDF均增多,糞便中NOCs含量也高于對照日糧。研究結果可印證流行病學研究中加工肉類與結直腸癌風險相關的觀點。

不同的動物模型具有其各自的優缺點,根據不同的實驗方法選擇相應的動物模型將使研究事半功倍。癌癥的成因十分復雜,受環境因素影響較大。在研究結直腸癌的發病機制時,應該考慮到人類與動物模型的差異性,在將動物研究引入紅肉及加工肉制品對結直腸癌風險機制分析中時,應持謹慎的態度。

1.3 細胞培養實驗

動物實驗中將癌癥發生率或死亡率當做終點,但在動物還活著的時候很難追蹤到腫瘤進展。為了研究腫瘤生物學的潛在分子機制,建立了癌細胞系,例如永生化的小鼠成纖維細胞系[22]和人類HaCaT細胞系[23]等,常利用細胞增殖來體現化學預防劑對癌癥的預防作用[24]。當然,癌細胞系的建立也被應用于膳食因素對結直腸癌的誘發機制。

Liu等[25]研究發現血清瘦素促進人結腸癌細胞系HT29的生長,同時動物實驗表明高脂飲食會提高大鼠體內血清瘦素含量,這為高脂飲食對結腸癌發生的促進作用可能是由血清瘦素介導提供證據。Glei等[26]利用HT29-19A細胞系證明血紅蛋白和氯高鐵血紅素能顯著誘導DNA損傷。Bastide等[27]建立了體外細胞模型,經喂食含血紅素鐵飲食的大鼠糞便水處理過的細胞系含有比對照組更強的細胞毒性,這個結果與體內實驗結果吻合,彼此佐證了血紅素鐵在紅肉促進結直腸癌中的作用。Jiang等[28]研究了亞硝酸鹽對相同生長條件下不同結腸癌細胞系(SW116、SW480、HCT15、COLO205)的影響,發現隨著癌癥階段的變化和亞硝酸鹽濃度的變化所展示出的細胞增殖效果都是有區別的。

事實上,癌細胞系的來源和分化程度不同,在體外細胞模型的建立中所顯示的敏感性也不同[29]。其次,細胞培養技術不同,所揭示的癌癥發展機制也有所不同。目前常用的細胞培養技術分為二維(2D)細胞培養技術和三維(3D)細胞培養技術。2D細胞培養技術所得到的細胞,在形態學、細胞-細胞和細胞-基質接觸方面通常與真實情況不同,無法完全模擬體內生存環境,這限制了它們預測化合物對腫瘤發生的真實作用的能力[30]。3D細胞培養技術的出現縮小了細胞培養模型和動物模型之間的差距[31],其優勢在于可以提供更多增殖空間和基因信息,有利于細胞間的信號傳遞,并允許觀察腫瘤細胞的變化,可用作癌癥發展的預測因子[32-33]。

總之,與動物實驗相比,細胞培養實驗有效縮短了時間,且給細胞提供更大生長空間,因此更適于篩選大量化合物并研究癌癥發展的潛在機制。然而,不同組織間的相互作用不能在細胞培養中進行研究,如腫瘤發展或死亡率這類與癌癥有關的終點也不能直接被觀察到。因此,目前體外細胞培養模型僅用于輔助體內實驗來確定食物攝入對健康影響。

2 與紅肉及加工肉制品相關的潛在結直腸癌致病因素

2.1 紅肉及加工肉制品中潛在的結直腸癌致病因素

2.1.1 脂肪 大量研究表明,高脂飲食會促進結直腸癌的發生,且只有來源于紅肉的膳食脂肪對結直腸癌有促進作用,而除紅肉以外其他來源(包括乳制品、家禽和植物油)的膳食脂肪不會增加結直腸癌的風險[34]。

三種機制可以解釋高脂飲食促進結直腸癌的發生。首先,結直腸癌的發生與高脂飲食引起的炎性因子表達有關。O’Neill等[35]研究表明,高脂飲食會引起小鼠肥胖以及胰島素抵抗,且提高了與肥胖和胰島素抵抗相關的c-Jun N-端激酶的活性和單核細胞趨化蛋白1的表達;Liu等[36]通過建立高脂飲食誘導的肥胖小鼠模型,發現飲食誘導的肥胖使結腸中炎性細胞因子和腫瘤壞死因子(TNF-α)的表達增加;Day等[37]發現在高脂飲食誘導腸道腫瘤小鼠模型中,巨噬細胞標志物EMR-1的表達增加了2.2倍(p<0.05),CD11c增加了1.9倍(p<0.05),炎癥因子IL-12的mRNA表達顯著增加了7.8倍(p<0.05),MCP-1增加1.8倍(p=0.06),IL-6增加1.5倍(p=0.1),TNF-α增加1.7倍(p<0.05)。其次,高脂飲食引起的膽汁酸分泌也參與到致癌機制當中[38]。過多的膽汁酸對結腸上皮細胞具有毒害作用,可引起不可修復的DNA氧化損傷、炎癥以及結腸上皮細胞過度增殖和凋亡等[39-40]。最后,高脂飲食的攝入也會導致結腸腔內的游離脂肪酸含量增多,同樣會損傷結腸上皮細胞并促其增殖[41],從而促進結直腸癌的發生。

然而,Parnaud等[7]在AOM誘導的結腸癌大鼠模型中,發現高脂飲食雖然可以增加大鼠體重,但并不改變糞水中鐵、膽汁酸以及糞便中總脂肪酸的含量,也不能促進ACF增長,故高脂飲食和結直腸癌的發生無相關性。

由于目前關于脂肪攝入與結直腸癌風險相關性的結論不一,懷疑脂肪與結直腸癌之間的關系還應該考慮到能量的影響。Itano等[42]研究了不同熱量攝入對結腸癌小鼠模型中腸道腫瘤生長的影響,證實了高卡路里飲食會促進腫瘤發生;在同樣卡路里攝入時,高脂飲食會增加腫瘤數量;而同樣高脂飲食情況下,不同卡路里攝入的腫瘤多樣性差異不是很大。

綜上所述,脂肪和能量攝入雖然都有促進腫瘤發生的作用,但脂肪更可能是紅肉及加工肉制品引發結直腸癌的因素之一。

2.1.2 亞硝酸鹽和N-亞硝基化合物(NOCs) 硝酸鹽和亞硝酸鹽一直用于肉制品保鮮,可抑制致病微生物的生長,在一定程度上控制肉制品的氧化和酸敗,改善肉制品的色澤,提高消費者的購買欲。一般來說,大部分食物中的硝酸鹽和亞硝酸鹽在早期會被人體上消化道吸收,唾液、尿液和糞便中也含有被排出的亞硝酸鹽。過多的亞硝酸鹽會與肉中蛋白質等物質分解產生的胺類物質發生硝化反應,生成包括亞硝胺和亞硝酰胺在內的NOCs[43]。高溫或煙熏等加工手段也會促進加工肉制品中NOCs的形成[44]。大量研究表明,生成的NOCs會增加結直腸癌的發病率。膳食中的硝酸鹽和亞硝酸鹽在人體內是否轉化成致癌性NOCs取決于飲食和環境因素,包括食物、胃酸度、微生物菌群和食糜平均通過時間等[45]。例如,對于食用大量紅肉的人來說,亞硝酸鹽通過血紅素蛋白的催化容易在結腸中發生內源性亞硝化,增加罹患結直腸癌的風險。Lewin等[46]研究發現,血紅素含量較高的紅肉及加工肉制品的攝入與NOCs的內源性形成及糞便排泄顯示出劑量-效應關系,對于白肉則沒有這種關系。

攝入紅肉和肉制品產生的NOCs可通過多種機制增加結直腸癌發病率。蔡魯峰等[47]研究表明,NOCs會引起DNA烷基化,生成DNA加成物,這種物質具有極大的細胞毒性,易引起癌癥的發生。Van等[48]建立體外消化模型,發現經亞硝酸鹽固化的紅肉過度煮熟后,在結腸消化物中發現含有更高濃度的DNA加合物——O6-羧基-甲基鳥嘌呤,說明紅肉攝入在消化過程中提高結直腸癌變風險。除此之外,Hebels等[49]證實了NOCs在結直腸癌發展中的作用與其遺傳毒性相關的基因表達修飾相關,用紅肉進行人為干預研究之后,結腸活檢材料中也發現了類似的基因表達變化[5]。這些結果都支持了紅肉中亞硝酸鹽在結直腸癌發生中的潛在作用。

2.1.3 血紅素 血紅素是由卟啉大雜環組成的一種化合物,其有機環中心為一個亞鐵離子。血紅素存在于肌肉肌紅蛋白、紅細胞血紅蛋白和細胞色素中。血腸和肝臟中的血紅素特別豐富,其次是紅肉及加工肉制品,禽類只含有少量血紅素。最近的兩項前瞻性研究發現高血紅素鐵攝入量與結直腸癌風險增高有關:Bastide等[50]利用Cox比例風險模型對法國女性健康進行了隊列研究,結果表明血紅素鐵對結直腸癌的危險比(HR)為1.36(95%CI=1.13～1.65);Qiao等[51]采用前瞻性分析指出血紅素鐵攝入對結直腸癌的相對風險(RR)為1.14(95% CI=1.04～1.24)。Pierre等[52]通過動物實驗佐證了這個觀點,他們用含不同濃度血紅素的肉類喂食經AOM處理的大鼠,結果發現只有含血紅素的飲食促進了腸道內MDF的形成,但所有肉類食物都促進了ACF的形成。

四種機制可能解釋血紅素促進癌變:(a)血紅素在結腸腔內被代謝成具有細胞毒性的促進因子[53];(b)血紅素鐵在蛋白氧化中起到高度催化且刺激活性氧形成的作用[54]。活性氧參與DNA損傷中,并且具有破壞結腸上皮細胞正常細胞增殖的能力,當損傷未被修復時導致癌癥風險增加;(c)血紅素誘導食物和腸道中脂肪的過氧化作用,產生的脂過氧化物(如丙二醛)會促進小鼠粘膜中的細胞增殖,從而促進結直腸癌發生[55];(d)血紅素催化內源性亞硝酸化[56],這增加了如上所述的NOCs的形成。所以通常認為血紅素可能與腸道癌癥的發展有關,其作用機制可能是單獨作用于結腸或誘導其他因素以提高致癌風險。

2.2 中介因素——腸道細菌

腸道細菌是關聯食物和腸道健康之間的重要媒介[57],腸道細菌介導的飲食因素在結腸癌的發展和抑制中發揮作用[58]。一些研究證明,腸道菌群結構的改變會形成有毒或健康的腸道環境[59],認為腸道微生物群及其代謝物與飲食性肥胖和結直腸癌有關[60-61]。因此,人類腸道微生物群逐漸成為結直腸癌的一種篩查工具[62],可以通過腸道菌群結構的改變來觀察腸道健康情況。在對大腸癌患者的糞便進行分析時發現,對腸道健康有益的雙歧桿菌和乳酸桿菌數量明顯減少,而擬桿菌,糞腸球菌、大腸埃希菌和酵母菌等更多潛在有害的細菌數量增加[63],這些致病細菌被認為可能破壞腸道屏障功能,引發炎癥和癌癥[64]。

腸道細菌與紅肉及加工肉之間的關系可以通過以下途徑來闡述。紅肉及加工肉進入腸道中時,細菌培養消化物的活動開始,時間越長越有可能產生有害物質,經腸道微生物發酵后產生氨氣、胺類、酚類、硫化氫等[65]。低濃度氨氣在腸道內的存在可誘發結腸癌;胺類經細菌酶轉化成NOCs后會改變細胞DNA的組成;紅肉及加工肉屬于高硫飲食,在腸道內由硫酸鹽還原細菌轉化為硫化氫,造成結腸上皮細胞的DNA氧化損傷,具有引發細胞凋亡、誘發炎癥的危險[66]。此外,紅肉中的脂肪含量也被認為是結直腸癌的風險因素[67],高脂飲食攝入量與硫化氫和繼發性膽汁酸產生菌的豐度增加相關。繼發性膽汁酸產生菌的增多使得結腸原發性膽汁酸轉化為更具有細胞毒性、致突變性和抗凋亡的繼發性膽汁酸的可能性升高[68-69],而產硫酸鹽細菌則在高脂飲食的激發下產生具有毒害性的硫化氫。可見,腸道菌群可能會通過多種途徑參與到紅肉及加工肉制品對結直腸癌發展中來。

3 前景與展望

雖然紅肉及加工肉制品中脂肪、亞硝酸鹽和血紅素等不利因素具有引發腸道細胞毒性、基因突變以及危害腸道健康的可能性,且人體腸道細菌也會作為中介因素參與其中。但目前的研究結果不足以明確證明紅肉及加工肉制品能夠引起結直腸癌。一方面說明研究者需要作進一步的研究,了解不同類型的肉類及加工肉制品之間的具體差異,另一方面也說明了膳食對人類健康的影響機制非常復雜。此外,紅肉及加工肉制品引起結直腸癌的不確定性,也與研究方法存在缺陷有關。目前常用的研究方法有流行病學、動物實驗和細胞培養實驗。這三種方法均存在一定缺陷:流行病學方法可控性較差,干擾因素多;而動物模型終究與人體有一定差異;細胞培養不能直接觀察到癌癥終點，因此采用不同研究方法所得的數據存在不一致的情況。將流行病學與生物標志物、炎癥標志物、腸道微生物群、遺傳易感性、環境因素以及個體差異等相關信息相結合,全面分析紅肉及加工肉制品對結直腸癌風險的影響,將更有利于研究者得出可信度更高的結論。同時,研究者應根據試驗假設開發新的試驗方法,以期獲得更準確的數據和結論。這也啟發我們在未來的研究中,可通過動物飼養、育種改變肉類成分，研究肉制品加工新方法(如添加抗性淀粉、多酚等植物化學物質或增高鈣含量等)來改善腸道損傷,為今后倡導健康飲食和防治結直腸癌提供新思路。