腸道菌群失調與罹患結直腸癌風險的研究進展

朱成章張維勝 杜斌斌 史新龍王赫 劉志鵬,3李晶晶,3楊熊飛

人體的腸道含有數萬億微生物，它們共存以形成復雜的腸道菌群［1］。腸道菌群通常對于塑造宿主腸道免疫系統必不可少，因此有助于腸道穩態的維持，也是保持包括肝臟和胰腺在內的周圍組織代謝功能的關鍵介質。越來越多的證據表明，腸道菌群不僅可以誘導和增強促炎性免疫反應，而且還可以引發免疫抑制反應，腸道菌群引起的異常免疫抑制可能導致宿主代謝異常或抗癌免疫力受損［2］。據報道，短期飲食干預可能會改變人體的腸道菌群，一旦恢復到原來的長期飲食，原有腸道菌群又會再次出現［3］。此外，與健康對照組相比，研究者發現結直腸癌患者的腸道菌群結構更容易受到干擾而發生改變［4］。因此，這種相關性表明腸道菌群可能通過長期飲食影響結直腸癌的發生和發展［5］。本文通過檢索腸道菌群失調與罹患結直腸癌風險的相關研究文獻并進行歸納總結，將其研究進展綜述如下。

一、腸道菌群失調與罹患結直腸癌的相關機制研究

雖然學者普遍認為結直腸癌的發生受飲食習慣的影響，但是并非所有人食用高脂肪和低纖維飲食就會罹患結直腸癌，也不是所有人食用富含水果蔬菜和粗糧的均衡飲食就不會罹患結直腸癌［6］。正常的腸道菌群可以抵抗外來病原菌的入侵和繁殖，有證據表明，結直腸癌是由腸道菌群的逐步紊亂加上癌基因和抑癌基因的遺傳改變引起的。例如，大多數結直腸癌在編碼APC的基因中包含突變。APC是一種通過抑制β-catenin的水平來調節Wnt信號的腫瘤抑制因子，然后調節下游的炎癥細胞周期和增殖途徑［7］。但是，有實驗研究表明，微生物發酵產物（如丁酸鹽）和微生物活化的植物化學物質（如多酚）具有廣泛的抗腫瘤作用，可以抵消致瘤信號通路并建立表觀遺傳機制，例如抑制組蛋白去乙酰化酶，從而促進凋亡，抑制增殖和阻止腫瘤轉化［8］。炎癥和癌癥之間的聯系已得到充分確立，炎癥可能是腸道菌群影響結直腸癌發展的觸發因素。腸道炎癥可能是由特定的共生細菌或以低豐度存在于腸道中的共生菌群引發的，這些共生菌在有利的條件下繁殖引發過度的宿主免疫反應從而導致慢性炎癥，最終導致腸道內穩態紊亂。當腸道菌群的平衡被破壞時，腸黏膜屏障和先天免疫功能降低，并且相關的致病因子增加，從而引起相關疾病［9］。趙日升等［10］在一項基于無菌鼠模型的研究結果中表明，微生物群可以激活免疫和誘發炎癥，從而促進結直腸癌的發生發展；同時也證明，微生態失衡與結直腸癌的發生發展相輔相成、互為因果關系。另一項研究表明，炎癥性腸病易感性歸因于特定的細菌群落，其在炎癥誘導腫瘤發生中的重要調節作用被得到證實［11］。Zeng等［12］報道在涉及腸道炎癥的各種情況下，通常會觀察到相關腸道細菌大量繁殖。有文獻報道，與接受健康小鼠腸道菌群的無菌小鼠相比，將腫瘤相關腸道菌群轉移至無菌小鼠會導致腫瘤形成增加［13］。Zackular等［14］在一項研究中報道將SPF小鼠中的慢性炎癥和腫瘤發生有關的腸道菌群傳遞給無菌小鼠，結果顯示其可能加劇結直腸腫瘤的發生。但僅炎癥或腸道菌群及其代謝產物不足以促進結直腸癌的發生，其發生和發展可能需要遺傳因素和環境因素等復雜的相互關系［15］。分子微生物群測序技術的出現極大地改善了對結直腸癌中腸道菌群特征的認知，但是要更好地了解其與宿主在結直腸癌發生過程中的相互作用，還需要進一步開展其相關功能研究，尤其是在代謝組學和RNA測序等方面［16］。

二、腸道菌群的代謝作用與罹患結直腸癌的相關機制研究

腸道菌群可通過其代謝產物來調節和改變周圍環境，可能對宿主的免疫力和健康發揮不可或缺的作用［17-18］。鑒于包括碳水化合物、脂質和氨基酸代謝在內的三種物質的代謝是所有生物之間普遍的代謝機制，因此可以試圖從這個角度分析腸道菌群代謝產物與結直腸癌之間的聯系。碳水化合物代謝是指體內一系列復雜的化學反應，三羧酸循環作為碳水化合物代謝的主要途徑，是三種主要營養素（包括碳水化合物、脂質和氨基酸）的最終代謝途徑和代謝樞紐［19］。一些腸道厭氧微生物具有將膳食碳水化合物轉化為有機酸的潛能，包括乳酸和短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA），后者主要指乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽。有充分的證據表明，SCFA可以激活腸上皮細胞中的GPR41和GPR43表達，從而導致絲裂原激活的蛋白激酶信號傳導，并產生趨化因子和細胞因子，從而介導小鼠的保護性免疫應答和組織炎癥［20］。Bindels等［21］報道FFAR2的激活可改變BaF3和其他人類癌細胞系的增殖，而丙酸可通過cAMP依賴性途徑降低BaF3細胞的增殖，這代表其可以抑制惡性細胞擴散出腸道。丁酸被廣泛認為是能夠抑制促炎細胞因子如IL-12和TNF-α的表達，有研究者報道丁酸可以在代謝壓力下減弱細菌穿過上皮的轉運，并通過增強緊密連接的組裝來增強腸屏障，由此影響宿主腸道健康功能［22-23］。越來越多的證據表明，丁酸鹽是結腸黏膜中胸腺外Treg細胞的誘導劑，并為腸道菌群代謝物調節共生群落和宿主免疫系統之間的關系以維持腸道內環境穩定提供了幫助［24］。

脂質包括甘油三酸酯、磷脂、膽固醇和糖脂。甘油三酸酯通過乳化膽酸鹽和催化小腸中的脂肪酶為生物提供能量［25］。磷脂和糖脂保持生物膜的結構和功能［26］。膽固醇可以轉化為維生素、膽汁酸或類固醇激素［27］。高脂飲食會增加結直腸中膽汁和膽汁酸的分泌，某些梭菌可以通過參與脂肪酸代謝過程中各種酶的合成來加速膽汁酸向仲膽汁酸的轉化［28］。有研究報道指出脂肪酸、膽汁酸和腸道菌群之間的相互作用可產生二酰基甘油、前列腺素和白三烯，從而通過激活免疫或炎癥反應而導致腫瘤發生［29-31］。

氨基酸可用于合成蛋白質、肽和其他含氮物質，此外，它們還可通過脫氨、轉氨和脫羧作用分解為α-酮酸、胺和二氧化碳。代謝過程涉及許多有毒物質，如硫化氫、硝酸鹽、氨和胺，這些有毒物質可導致結直腸癌。硫化氫引發多種致病事件，包括細胞增殖、分化、凋亡和炎癥，最終導致惡性腸細胞轉化［32］。硝酸鹽是沒有毒性的，但容易形成亞硝酸鹽并與含氮化合物（如胺、氨基化合物和甲基尿素）結合形成致癌的亞硝基化合物［33-34］。此外，有報道認為腸道菌群分泌的許多酶、肽和其他含氮物質都參與激活和調節腫瘤發生過程中的重要信號分子和信號通路［35-36］。

綜上，腸道菌群的代謝作用可能在平衡腸道微生態和罹患結直腸癌中起重要作用，尤其罹患結直腸癌可能與腸道菌群及其代謝產物影響免疫系統和導致異常炎癥有關，但是腸道菌群的代謝作用和結直腸癌的臨床相關性研究仍較少，因此有必要對相關發病機制進行進一步的研究，當然也可利用益生菌、微生物代謝產物和糞便菌群移植等技術恢復腸道內環境穩態以預防結直腸癌。

三、飲食、腸道菌群和結直腸癌間的相互作用研究

多項流行病學研究結果表明，動物蛋白質和脂肪攝入過多以及長期低纖維飲食可能會增加罹患結直腸癌的風險，相關機制已經通過動物實驗進行了研究。正常人超過90%的食物被小腸吸收，進入結腸的食物殘渣主要是復雜的碳水化合物和纖維，以及由于脂肪攝入而由肝臟分泌的蛋白質殘渣和膽汁酸，這些是決定腸道菌群組成和功能的要素，并且在通過發酵維持腸道健康中起關鍵作用。飲食可以改變腸道菌群的群落結構，并通過調節代謝產物的產生來影響其功能。在飲食不均衡的情況下，結腸的主要活動是蛋白質發酵和膽汁酸解偶聯，它們通過促炎和贅生性途徑對結腸細胞造成損害，從而導致罹患結直腸癌的風險增加［37］。Hamer等［38］認為高纖維飲食由于腸蠕動和丁酸細菌發酵增加，降低了腸道致癌物的濃度，從而保持了結腸細胞的健康、增強了細胞凋亡并抑制了癌細胞的增殖。Fung等［39］報道長期以纖維為主導的飲食可能會隨著菌絲密度的增加而改變腸道菌群，這可能會對宿主的免疫反應產生影響，并起到免疫調節和消炎作用。有報道指出，高蛋白飲食下直腸細胞在穩態過程如細胞周期或細胞死亡中起關鍵作用的基因表達上調，這可能是由于蛋白質發酵過程中釋放出的潛在有毒的氮和硫代謝物等引起的［40］。一些動物研究表明，高脂飲食可以刺激膽汁酸分泌并引起上皮退化，損害結腸黏膜并增加患結直腸癌的風險［41］。然而2011年，一項基于13項前瞻性隊列研究的薈萃分析對飲食中脂肪攝入與結直腸癌風險之間的關系進行了調查，結果表明飲食中脂肪攝入可能與結直腸癌風險增加無關，因此，需要更多有關高脂飲食與罹患結直腸癌風險的證據以闡明該問題［42］。

綜上，飲食對腸道菌群失調和罹患結直腸癌密切相關，通過飲食調節腸道菌群來降低結直腸癌風險的潛力很大，同時有學者提出了用于植入有效益生元、益生菌和衍生的益生菌以改善腸道菌群失調的策略。益生菌指可以有效促進人類健康的特定細菌菌株［43］，大多數益生菌都屬于天然腸道菌群，它們主要是乳桿菌屬和雙歧桿菌屬。腸黏膜完整性破壞和屏障功能障礙均會導致變應原的通透性增加，從而導致免疫應激反應和炎癥，炎癥反應在特定部位及其附近的黏膜處開始，增加罹患結直腸癌的風險［44］。有研究結果表明，雙歧桿菌屬的某些細菌具有促進上皮完整性和防止TNF-α（腫瘤壞死因子α）誘導的上皮屏障破壞的作用［45］。在壞死性小腸結腸炎的體外模型中，研究人員發現益生菌乳桿菌菌株可增強緊密連接和腸屏障的完整性［46］。益生菌可以抑制全身免疫反應，有助于免疫系統的正常運作，嗜酸乳桿菌，干酪乳桿菌和雙歧桿菌屬，影響血液中γ-干擾素的量，并刺激T和B淋巴細胞的增殖以及活性，導致B淋巴細胞產生免疫球蛋白A，通過阻止腸道菌群中有害微生物群來保護腸道上皮［47］。盡管根據以上機制認為益生菌可以對局部和整個身體產生影響，支持結直腸癌的預防和治療，但是目前尚缺乏有關推薦益生菌用于治療和預防結直腸癌的最佳劑量，因此，繼續研究益生菌（尤其是它們的特性）及其作用機理（尤其是在治療過程中）非常重要。

四、總結

綜上所述，腸道菌群及其代謝產物作為環境因素，通過相關機制在結直腸癌中發揮重要作用，當腸道菌群正常平衡被破壞時，其可能導致宿主免疫反應的改變，同時飲食對腸道菌群和罹患結直腸癌的影響密切相關，各種腸道菌群及其代謝產物可直接或間接地促進結腸直腸癌的發生和發展。當然隨著我們對生物活性成分和腸道菌群了解的增加，我們認識到通過飲食調節和利用有效益生菌以改善腸道菌群失調降低結直腸癌風險的潛力很大，如果此技術成熟的話，可能會在結直腸癌預防和治療中發揮更大的作用，為人類帶來福音。