腸道菌群與結直腸癌的相關研究進展

余 莉，李 紅，王思平

(解放軍總醫院第二醫學中心國賓二科，北京 100853)

結直腸癌(colorectal cancer，CRC)是最常見的消化道惡性腫瘤之一。流行病學數據表明，全球范圍內，CRC在男性和女性中均為第三常見致死性癌癥[1]。在美國，2018年預計有140 250例新確診的CRC患者和50 630例相關死亡案例[2]。在中國，2015年有376 300例新確診的CRC患者和191 000 例相關死亡案例[3]。CRC的發生發展與遺傳、飲食結構、運動、肥胖及環境等因素有關。其中，環境因素對CRC的影響主要由微生物決定。近年來隨著分子生物學的發展，被譽為人類“第二基因組”的腸道菌群成為研究熱點，其不僅可以幫助宿主從食物中獲取營養及能量，還可以產生大量的生物活性信號分子以維持機體健康或導致疾病。研究顯示，腸道菌群結構和功能的改變與代謝性疾病、自身免疫性疾病、過敏性疾病、精神疾病、神經退行性疾病、炎性腸病、消化道腫瘤等的發生發展有密切聯系。無菌動物實驗、基因敲除動物實驗、二代測序技術、宏基因組學及代謝組學的應用，推進了CRC患者腸道微生物及代謝產物變化的檢測。越來越多的證據顯示，腸道微生態失衡在CRC的發生發展中具有重要作用[4-6]，因此了解腸道微生態失調與CRC的關系對CRC的防治具有重要意義。現就腸道菌群與CRC的相關研究進展予以綜述。

1 腸道菌群特點

人體具有巨大又復雜的微生物群落，它包括棲息在腸道內腔的各種微生物——細菌、病毒、真菌、古生菌、噬菌體和原生動物。在這些微生物中，細菌最為豐富。人體腸道大約有多余人體細胞總數 10倍的細菌，其中至少有1 000種不同的細菌，帶有多于人體基因組150倍的微生物基因[7]。腸道菌群的結構和功能在維持人體健康中具有重要作用。在正常生理情況下，腸道菌群對人體的影響包括：形成菌群屏障，避免機體受外來細菌感染；對宿主營養作用；參與機體物質代謝，主要為內源性蛋白質的代謝；防癌抑癌作用。對于健康機體，腸道微生物平衡主要表現為對病原微生物的控制，平衡一旦打破，病原微生物快速繁殖，容易出現腸道菌群失衡有關疾病，如結腸癌、炎性腸病、肥胖、過敏、糖尿病、自閉癥及心血管疾病等。

2 腸道菌群與CRC

2.1腸道細菌失調的致病機制

2.1.1炎癥反應 腸道菌群失調可誘發炎癥和慢性疾病。其在微生物生態失調和CRC之間作用的原理包括炎癥的誘發、病理性細菌黏附和腫瘤形成的誘導[8]。炎癥反應在CRC發病中發揮關鍵作用[9]。而細菌及其代謝物能夠通過屏障失調、上皮增殖、炎癥、DNA損傷、基因毒性等對結腸細胞有直接或間接的影響。Mangerich等[10]通過動物實驗揭示了細菌介導的炎癥與DNA損傷，活化的巨噬細胞和中性粒細胞浸潤導致細胞因子和趨化因子及一氧化氮、超氧化物和一些活性物質產生，使DNA和RNA損傷，最終導致CRC。誘導的炎癥也可以通過刺激細胞因子和趨化因子的產生促進細胞增殖和(或)抑制細胞凋亡來導致癌癥進展[11]。Zhang等[12]分析了漢人CRC發生各個階段的糞便菌群和血液炎性因子特征，鑒定出24個CRC相關菌種，并揭示了這些細菌與C反應蛋白和可溶性腫瘤壞死因子Ⅱ炎癥標志物的關聯，結果發現在癌變逐漸惡化過程中，菌群與炎癥可能參與促CRC微環境的形成。Arthur等[13]在動物模型中發現，腸道炎癥以微生物群為靶點，能促進表達聚酮合酶的大腸埃希菌的生長，而大腸埃希菌具有基因毒性潛力，其具有促進CRC的作用，同時炎癥為聚酮合酶細菌通過減少保護性黏液和抗菌肽的產生附著在結腸黏膜上創造機會，而這一過程能被非炎癥健康小鼠的自然屏障功能所阻止，提示炎癥可調節微生物組成，促進CRC的發展。Grivennikov等[14]的研究提示，早期CRC發展階段因腸道屏障破壞，非致病菌和(或)其產物浸潤腫瘤間質，并通過激活產生白細胞介素-23和白細胞介素-17的腫瘤相關髓系和免疫細胞驅動“腫瘤誘導炎癥”，促進CRC進展。

2.1.2細菌代謝產物的改變 腸道菌群可發酵膳食產生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸是一種營養物質，包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等，其中乙酸鹽及丙酸鹽參與大多數真核細胞中的能量合成，丁酸是短鏈脂肪酸家族中最重要的成員之一，是結腸細胞有利的能量來源，且其通過細胞代謝、菌群穩態、抗增殖、免疫調節和基因/表觀遺傳調控具有抗炎和抗腫瘤的特性。研究表明，丁酸能夠促進結腸細胞凋亡，通過阻礙組蛋白脫乙酰酶調控基因表達調節腸道屏障完整性、降低腸道通透性，以及通過環腺苷酸依賴機制激活腸道糖異生影響葡萄糖及能量的穩態[15-16]。因此，產生丁酸的細菌包括厚壁菌門的成員，如柔嫩梭菌群，其減少有促進CRC的可能。有學者通過小鼠和細胞實驗發現，短鏈脂肪酸可經G蛋白偶聯受體43激活輔助性T細胞1中的信號轉導及轉錄激活因子3通路，使轉錄因子B淋巴細胞誘導成熟蛋白1表達上調，促進輔助性T細胞1生成白細胞介素-10，緩解小鼠結腸炎；而G蛋白偶聯受體43基因敲除菌群抗原特異性輔助性T細胞1，可在Rag基因敲除受體小鼠中引起更嚴重的炎癥，揭示了短鏈脂肪酸對維持腸道穩態、抑制過度炎癥反應的作用[17]。

腸道菌群的代謝產物對CRC的發生、發展具有重要推動作用。產腸毒素性脆弱擬桿菌產生脆弱擬桿菌毒素，這是一種能通過激活Wnt/β聯蛋白信號通路和核因子κB促進細胞過度增殖和炎癥的毒素[18]。Sears和Pardoll[19]提出了基于脆弱擬桿菌的Alpha-bug模型，某些特定腸道固有菌作為“Alpha-bug”一直存在于腸上皮細胞，它們通過直接或間接方式使腸上皮細胞發生基因突變，并將其他有益菌擠掉，導致多種共同致病菌更容易出現，從而引發CRC。近年來研究顯示，脆弱擬桿菌毒素對結腸上皮細胞中白細胞介素-17受體、核因子κB和信號轉導及轉錄激活因子3的促癌、多步驟炎癥級聯反應有影響，其能誘導從結腸上皮細胞到黏膜輔助性T細胞17的促癌信號轉導，導致遠端結腸上皮細胞選擇性的激活核因子κB，促使骨髓細胞依賴的遠端結腸腫瘤化[20]。具核梭桿菌的病毒因子，如Fap2、脂多糖和細胞壁提取物已被鑒定出，且它們可能有力調節正常的結腸上皮細胞到腫瘤細胞的進化過程[21]。Colibactin是一種基因毒素，在產生 Colibactin大腸埃希菌的CRC小鼠模型中，與Colibactin合成相關的硼酸化合物可抑制絲氨酸酶活性，抑制小鼠的細胞增殖和大腸埃希菌素誘導的腫瘤發生[22]。研究表明，靶向Colibactin的產生可以控制該毒素的基因毒性和前驅效應[23]。空腸彎曲桿菌可產生細胞膨脹致死毒素，從而引起細胞及腸道類器官的DNA損傷應答，促進小鼠CRC的發生，并改變小鼠結腸中的基因表達及腸道菌群[24]。

腸道細菌其他代謝產物(次生膽汁酸、脫氧膽酸、石膽酸)也被證明與CRC的發展有關[25]，腸道厭氧菌可以將殘留在腸道內的膽汁酸分解轉化為脫氧膽酸和石膽酸，兩者可以通過產生自由基而導致DNA損傷，增加CRC的發生風險[26]。脆弱擬桿菌和產氣莢膜梭菌產生的β葡萄糖醛酸酶活性高，此酶參與外源性有毒物質的生物轉化，活性升高延長了有毒物質在體內的存留時間，導致腸內致癌物水平升高[27]。細菌的代謝產物硫化氫通過誘導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，從而誘導CRC[28]。

2.1.3特定細菌的影響 既往研究發現，CRC患者腸道菌群的豐度及結構發生改變，某些菌群比例失調[29-30]。進一步研究顯示，特定的細菌(產腸毒素性大腸埃希菌、脆弱擬桿菌、具核梭桿菌和普羅威斯菌屬)可能會促使結腸直腸癌變，且球狀梭菌類和柔嫩梭菌類等產丁酸細菌的顯著減少也會促使癌變[31-32]。

Kostic等[33]首先發現在CRC組織中具核梭桿菌增多，其在CRC中通過熒光原位雜交技術可被觀察到，且在CRC的轉移瘤中被鑒定出來。Rubinstein等[34-35]證明，具核梭桿菌能夠附著和入侵結腸上皮細胞，并通過FadA促進癌癥的發生，FadA能夠結合上皮鈣黏素，上調膜聯蛋白A1的表達，激活β聯蛋白信號，能有差異地調控炎癥和致癌反應，并促進CRC細胞增殖。Tsoi等[36]報道，厭氧消化鏈球菌不僅在CRC患者糞樣中顯著增加，也在CRC病變的活體組織切片中顯著增加。另外該研究還發現，在去除腸道菌群的氧化偶氮甲烷誘發CRC的小鼠模型中，用管飼法灌入厭氧消化鏈球菌，厭氧消化鏈球菌會增加結腸的發育不良。同時，厭氧消化鏈球菌與Toll樣受體2和Toll樣受體4相互作用，不僅升高了活性氧類物質水平，還促進了膽固醇合成和結腸細胞的細胞增殖。含有生物合成基因島聚酮合酶的大腸埃希菌可產生細菌毒素Colibactin，其有促進CRC的風險，進一步研究發現，用非靶向DNA加合物組學，在與聚酮合酶的大腸埃希菌共培養的上皮細胞中，鑒定出2種特異性富集的DNA腺嘌呤烷基化加合物，推測是不穩定的Cobibactin-DNA交聯結構的分解衍生物[37]。這種加合物通過動物實驗得到證實，給無菌小鼠定植聚酮合酶大腸埃希菌，在結腸上皮細胞中檢測出這種DNA加合物，其能損傷DNA結構，是促進CRC的潛在分子機制。

以上研究表明，腸道菌群結構和功能的改變，通過作用于腸黏膜破壞上皮細胞的直接方式或參與宿主食物代謝、產生致癌性代謝物的間接方式影響CRC的發生發展。

2.2腸道真菌可能的致病機制 在CRC的發病機制中，腸道細菌的作用已被廣泛研究。近期文獻報道，腸道真菌在CRC致病中的作用也不可忽視[38]。成人腸道真菌主要由囊菌門(70%)和擔子菌門(30%)中的10個屬組成，腸道真菌通過識別Toll樣受體、C型凝集素受體、半乳糖凝集素3、NOD樣受體及NKp30影響宿主免疫系統，對炎性腸病、腸易激綜合征、CRC等有直接或間接的影響[38]。胱天蛋白酶募集域蛋白9(caspase recruitment domain-containing protein 9，CARD9)是髓樣細胞表達CARD的接頭蛋白，能通過真菌表面受體激活核因子κB通路，在抗真菌中具有重要作用。Wang等[39]研究發現，在氧化偶氮甲烷和葡聚糖硫酸鈉小鼠模型中，接頭蛋白CARD9缺失的小鼠更易患結腸炎相關的結腸癌，真菌失調可誘導髓系來源抑制細胞積累，促進結腸癌發生。缺乏CARD9的巨噬細胞殺滅真菌的能力受損，導致小鼠腸道真菌增多、真菌群組成改變，而熱帶念珠菌的富集可將小鼠骨髓細胞誘導為髓系來源抑制細胞，對CD8+和CD4+T細胞有強力抑制作用，從而促進結腸癌。而用氟康唑進行抗真菌治療，可減少髓系來源抑制細胞集聚，抑制缺乏CARD9小鼠的結腸癌。研究發現，結腸癌患者中腸道真菌增多，尤其是熱帶念珠菌，與腫瘤內髓系來源抑制細胞水平呈正相關[39]。這揭示了真菌失調在結腸癌發病中的重要作用及其機制。Malik等[40]發現，CARD9缺乏改變了小鼠的腸道細菌和真菌組成，影響結腸癌的易感性；但同時他們也發現，腸道共生真菌經酪氨酸激酶-CARD9信號軸，誘導炎癥小體活化及其下游的白細胞介素-18成熟，促進腸上皮屏障恢復和CD8+T細胞生成γ干擾素，從而抑制小鼠結腸癌，抗真菌藥起相反作用。這提示，CARD9和腸道真菌在CRC中有重要作用，但特定微生物的作用應放入具體的腸道菌群背景中分析[41]。Coker等[42]在對CRC腸道菌群的進一步研究中鑒定出CRC相關的腸道真菌特征，CRC腸道真菌失調，擔子菌門/子囊菌門比值升高，馬拉色菌綱增多、酵母菌綱和肺孢子菌綱減少。真菌組成在CRC中有特異性變化，反映在6個屬的富集上，其中擔子菌門的紅杜鵑屬和馬拉色菌屬、子囊菌門的Acremonium 被認為是機會性病原體或潛在的致癌物。CRC中腸道真菌內部的共現關聯和細菌-真菌的相互排斥關聯均增加，變形桿菌門與子囊菌門的正向相互作用在CRC中變為相互排斥，提示腸道真菌失調可能參與CRC的發生，真菌糞便標志物具有用于CRC診斷的潛力。而細菌和真菌間存在共棲、互惠或競爭等相互作用，將是腸道菌群調控的研究方向。

3 CRC的防治

CRC與腸癌菌群關系的研究表明，腸道菌群在CRC發病機制中發揮重要作用，且調節腸道微生態平衡有利于防治CRC[43]。目前，營養干預、益生菌補充和細菌移植是改變腸道細菌群落的替代方案，其中營養干預為優先選擇，具有很高的可行性和安全性[44]，可以通過飲食調整的方式進行預防CRC的營養干預治療。飲食能重構腸道菌群的群落結構，并通過調整代謝成分影響其功能。膳食纖維的攝入能夠防范CRC的發生，其原因包括：①纖維降低了腸道致癌物水平，抗性淀粉能發酵短鏈脂肪酸，尤其是丁酸，可以保證結腸細胞的健康，增加細胞凋謝，導致抑癌細胞的增殖[45]。②改變腸道菌群的結構，伴隨厚壁菌門密度增大，從而增強免疫調節和抗炎功能[46]。膳食纖維可以選擇性增加產生短鏈脂肪酸的菌屬[47]。目前，鑒定出的至少有33個種及225個菌株可以通過發酵膳食纖維而分別產生丙酸與丁酸[48-49]。研究表明，高脂飲食增加了腸癌風險，且在增加腸道干細胞數的同時增加其癌變易發性，更會增加非干細胞類祖細胞數量和癌變風險[50]。但ω-3多不飽和脂肪酸的攝入，通過對T細胞的調控和DNA的錯位修復，有降低CRC潛在風險的可能[51]。過多地攝入動物蛋白，尤其是紅肉和加工肉，會顯著影響CRC的發生，這可能與蛋白發酵和膽汁酸去共軛會通過促炎和促腫瘤的方式損傷結腸細胞有關[52]。而其他蛋白來源，如攝入魚肉可能會降低消化道癌癥的發病率[53]。因此，攝入富含纖維的食物，不宜頻繁攝入過多的動物蛋白，尤其是經過度烹飪的動物蛋白可以降低CRC的發生風險。

此外，益生菌的補充對CRC有一定的防治作用，其機制可能涉及：產生短鏈脂肪酸，產生具有抗腫瘤、抗突變活性的物質，調節免疫活性，抑制癌細胞生長，降低腸道致癌物水平。使用益生菌、益生元及益生菌衍生產物可能是CRC的潛在治療方法，益生菌衍生因子可以優化宿主的各種生理條件，在免疫受到抑制的個體中被利用。益生菌的抗癌效應可歸因為具有表觀遺傳、抗誘變、免疫調節、促凋亡、抗癌細胞轉移等的益生菌衍生產物[54]。

近年來，已發現糞菌移植能使多種疾病患者獲益，包括癌癥的治療。一項研究發現，腸道菌群的重建有利于程序性死亡受體-1的抗腫瘤免疫療效[55]，還能影響細胞毒T淋巴細胞相關抗原-4免疫療法的抗腫瘤反應[56]。因此，糞菌移植在調節癌癥進展和藥物治療方面可能有廣泛的治療前景。

4 小 結

腸道微生態與CRC發生密切相關，腸道菌群功能和結構改變通過直接或間接方式影響CRC的發生發展，特別是一些特殊細菌(梭桿菌、腸桿菌及厚壁菌門)的發現為CRC的致病機制研究和防治提供了契機，而腸道真菌的研究為腸道微生態失調的致病機制提供了新方向，且調節腸道微生態有利于防治CRC。菌群失調的致癌機制雖已被廣泛研究，但很多實驗還僅限于動物模型，人類與其共生的腸道微生物之間錯綜復雜的關系仍不明確，在CRC疾病進展過程中，微生物以及代謝物如何作用及演變有待進一步研究，有望為CRC的預防和診治提供新的思路和線索。膳食是決定腸道菌群動態變化的最重要因子，通過膳食纖維攝入及補充有益菌塑造腸道菌群及維持腸道健康，可成為預防CRC很有前景的方案[57]。但對于飲食干預的時長和量化以及腸道益生菌補充的長期安全性[58]，仍需要更多的臨床和臨床前研究來確定。