腸道菌群的平衡在預防和治療結直腸癌中的重要作用

王子杰 周兆海 王賀平 田義

[摘要] 消化道是排泄、轉化、新陳代謝、免疫、天然屏障等機能相結合的重要人體器官，結直腸癌是常見惡性腫瘤之一，由于結直腸癌患者早期臨床表現不典型，多數患者發現該疾病已成為晚期，降低了患者的生存時間和生活質量。隨著腸道菌群研究的日益深入，更多的統計資料表明消化道微生物群與結直腸癌的起因轉變息息相關，尤其是某些特異性腸道菌群的異常表達，如具核梭桿菌、產腸毒素脆弱擬桿菌、大腸埃希菌、糞腸球菌等，這些細菌的高表達可以促進結直腸癌的發生發展。同時，發現益生菌在維持腸道菌群平衡中起重要作用，腸道微生物的平衡在促進食物的消化、吸收、抗感染、抗腫瘤、提高人體免疫功能等方面有積極影響。本文重點概述腸道菌群的平衡在預防和治療結直腸癌中的重要作用。

[關鍵詞] 腸道菌群;結直腸癌;大腸埃希菌;益生菌

[中圖分類號] R735.3? ? ? ? ? [文獻標識碼] A? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2021）34-0188-05

[Abstract] Digestive tract is an important human organ that combines excretion， transformation， metabolism， immunity， natural barrier and other functions. Colorectal cancer （CC） is one of the common malignant tumors. Due to atypical early clinical manifestations， most CC patients were diagnosed in the advanced stage， which reduced the survival time and quality of life of patients. With the development of the study of intestinal flora， more statistical data showed that digestive tract microflora was closely related to the cause and transformation of CC， especially the abnormal expression of some specific intestinal microflora， such as Fusobacterium nucleatum， Enterotoxin-producing Bacteroides fragilis， Escherichia coli， Enterococcus faecalis， etc. The high expression of these bacteria can promote the tumorigenesis and progression of CC. At the same time， it is found that probiotics play an important role in maintaining the balance of intestinal flora. The balance of intestinal microorganisms exerts a positive impact on promoting food digestion and absorption， anti-infection， anti-tumor and improving human immune function. This article focused on the important role of intestinal flora balance in the prevention and treatment of colorectal cancer.

[Key words] Intestinal flora; Colorectal cancer; Escherichia coli; Probiotics

癌癥是全球主要的醫療衛生難題，也是全世界人口致死關鍵因素之一，其中結直腸癌（Colorectal cancer，CRC）是癌癥相關病死率的第二大原因[1]?？偟膩碚f，結直腸癌的發病率因地區而異，各國之間的差異高達8倍[2]。在經歷重大發展轉型的國家，發病率往往隨著人類發展指數的增加而一致上升，這表明兩者之間存在因果關系[3]，結直腸癌是消化道中常見的惡性腫瘤。中國2016年公布的最新數據顯示，結直腸癌的發病率男性為第4位，女性則為第3位，結直腸癌的病死率在男性和女性均位于前5位。近年來，雖然結直腸癌的早期診斷和治療手段在不斷完善和進步，而今每年仍有新發結直腸患者30余萬人，并有15余萬人死于該病[4]，盡管這些數字可能令人生畏，事實上，自2008年以來，結直腸癌的發病率一直在穩步下降約一半以上[5]。

結直腸癌主要是由遺傳、表觀遺傳和環境等多因素干擾累積而成的。尤其是環境因素，包括飲食中食用致癌物質、缺乏運動和吸煙在結直腸癌的發生和發展中起著最重要的作用[6]。由于結直腸早期無特異性的臨床表現，早期發現較為困難，多數是由體檢發現，早期診斷結直腸癌可以大大提高患者的生活質量和生存時間，因此腸道菌群的不平衡導致結直腸癌的發生發展引起了研究者們關注。

為了了解環境對結直腸癌的影響，腸道微生物群是一個新興而重要的研究領域。腸道微生物群擁有大約100萬億個微生物細胞，是一個由細菌、真菌、原生動物和病毒組成的復雜群落[7]。腸道微生物群落的共生平衡，對人體的身心健康起著關鍵作用。近些年，越來越多的證據表明，腸道微生物失調與結直腸癌的發病有著密切的因果關系。腸道中幾種細菌的富集，包括核梭桿菌、厭氧消化鏈球菌和產腸毒素脆弱類桿菌，已被證實通過誘導腫瘤增殖而促進結直腸癌的發生[8]。這些微生物可通過與宿主癌細胞直接相互作用[9]分泌致癌毒性因子或產生致癌微生物代謝物[10]，來促進腫瘤的發展。另一方面，一些細菌，主要是益生菌，如臘腸菌科、動物雙歧桿菌和嗜熱鏈球菌，被發現在大腸癌患者中[11]。顯示這些細菌對結直腸癌有保護作用。最近的研究也報道了共生微生物對癌癥患者預后的重要影響[6]。因此，對結直腸癌與腸道菌群平衡的研究是一項緊迫而重要的工作。

1 人類腸道菌群的簡介

人類腸道微生物群復雜多樣，Hugon等[12]列出了2172種已經在人類身上分離出來的物種。它們被歸入12個不同的門，主要屬于變形桿菌門、纖毛菌門、放線桿菌門和擬桿菌門。健康成人腸道中微生物細胞大約有百萬億個。在人體內最重要的微生物儲存庫腸道中，這些微生物被量化為每克糞便101至1012細菌[12]。體健成人消化道微生物群中最主要的是厚壁菌門和擬桿菌門，其次是放線菌門、變形菌門及疣微菌門等[13]。腸道菌群大多數為專性厭氧菌，桿菌屬是豐富多樣的;主要的菌種有擬桿菌、真桿菌和雙歧桿菌及厭氧的革蘭陽性球菌，如消化鏈球菌和瘤胃球菌[14]。腸道菌群在腸道疾病的發生發展過程中扮演重要角色。

人類胃腸道擁有一個復雜而動態的微生物群，即腸道微生物群，它們在體內平衡和疾病發生期間對宿主產生顯著影響[15]。隨著16 s RNA、宏基因組、宏轉錄組等高通量測序技術在腸道微生態領域的應用，腸道菌群結構和組成變化與人體健康疾病的關系正在系統而深入地得以闡明。

2 選擇性腸道菌群在結直腸癌中的作用

過去幾年的研究表明，腸道菌群的變化與結直腸癌的發展直接相關。有證據表明，在大腸癌患者中存在高水平的梭桿菌屬、類桿菌屬、腸球菌屬、大腸埃希菌屬和卟啉單胞菌屬[16]。國內外多項研究顯示大腸埃希菌、糞腸球菌、具核梭桿菌、產腸毒脆弱擬桿菌等細菌與結直腸癌的發生發展關系密切。

2.1大腸埃希菌

大腸桿菌（Escherichia coli）是一種革蘭陰性厭氧共生細菌，普遍存在于腸道微環境中，在維持腸道內環境穩定方面發揮著重要作用[17]。多項研究表明，大腸埃希菌與結直腸癌發生發展有直接原因。由于腸道微生物群的復雜性，由多種微生物組成，大腸桿菌在結直腸癌病因學中的作用還有許多問題有待闡明。主要分為4個類群：A 型、B1型、B2型和D型4個亞型。腸上皮細胞的粘附性侵襲性大腸桿菌（AIEC）感染為其發病機制提供了許多有利條件。一般來說，宿主細胞內的病原體可以免受體液和補體介導的宿主反應的影響[18]。一些菌株變得致病，攜帶毒力因子并產生毒素，如環調節蛋白。這些毒素通過干擾真核細胞周期和（或）誘導DNA損傷來影響細胞的分化、凋亡和增殖。尤其是其中一種毒素，大腸桿菌素，由pks基因組島編碼，可導致雙鏈DNA斷裂，從而導致CRC相關的染色體不穩定性[19]。PKS陽性的大腸桿菌在大腸癌患者中更為頻繁地被檢測到，這表明pks陽性大腸桿菌可能在腫瘤發展中起作用[19]。

在人體外，腸道致病性大腸桿菌（Enteropathogenic E. coli，EPEC）通過細菌分泌效應蛋白EspF的轉錄后效應及通過EspF獨立產生宿主活性氧物種（ROS）來改變MSI-CRC表型中改變的DNA錯配修復（Mismatch repair，MMR）系統。然后，這種細菌誘導的DNA-MMR系統缺失與宿主細胞自發突變頻率的增加顯著相關，從而促進結直腸癌的發生[20]。近年來研究證明，結腸癌中的大腸桿菌誘導巨噬細胞COX-2表達顯著增加，巨噬細胞是浸潤腫瘤的主要免疫細胞類型。此外，巨噬細胞和其他免疫細胞浸潤腫瘤，釋放髓過氧化物酶（MPO），并通過多種化學反應產生ROS[21]。從而大腸桿菌可以通過以上途徑導致結直腸癌的發生。

2.2 糞腸球菌

腸球菌是人類糞便中主要的革蘭陽性球菌，糞腸球菌是最常見的腸球菌[22]。有研究報道糞腸球菌屬硬壁菌科，有時用作益生菌產品[23]。然而，在某些特定情況下，糞腸球菌可導致致病性細菌，由于其能夠破壞結腸上皮細胞DNA，它可以導致結直腸癌的致病性和有害微生物的發展[24]。

糞腸球菌致病菌在同類細菌中具有獨特的能力，通過膜相關的脫甲基甲醌非酶還原氧化產生細胞外超氧化物[25]，致病力主要與它產生活性氧和細胞外超氧物的能力有關，這些物質可以導致基因組不穩定，破壞結腸DNA，易使患者基因發生突變，從而引發癌癥[23]。此外，糞腸球菌能產生金屬蛋白酶，可以直接破壞腸道上皮的屏障并誘發炎癥。它還可以激活巨噬細胞基質金屬蛋白酶MMP-9102并導致單層完整性的破壞，這可能導致獲得遷移表型的祖細胞的形態轉化，從而促進上皮-間充質轉化[24]。

有研究者發現結直腸癌患者糞便中糞腸球菌的平均拷貝數高于息肉患者，且兩者的拷貝數均高于正常人。此外，結直腸癌患者糞便中糞腸球菌的數量與息肉患者比較有顯著差異。息肉患者糞便中糞腸球菌數與健康人比較，差異無統計學意義（P=0.07）[25]。研究結果表明，腸道微生物菌群可能有助于惡性腫瘤的發生。因此，監測和控制腸道微生物群，特別是糞腸球菌，可能是預防大腸癌的一種方法，特別是對家族中有息肉和大腸癌病史的人[25]。

2.3具核梭桿菌

具核梭桿菌（Fusobacterium nucleatum，Fn）屬專性厭氧革蘭陰性細桿狀菌，末端呈梭形，主要是一種定植腸道和口腔微生物，在牙周病和牙齦炎的發生發展中起著重要作用。同時，在結直腸疾病領域中研究越來越廣泛[26]。近年來，發現Fn通過抗腫瘤免疫作用、毒力因子、細菌代謝和微型核糖核酸（MicroRNA）[27]的機制發展為結直腸癌。具核梭桿菌在某種程度上可以促進結直腸癌的發生。

在一個小鼠大腸癌模型中，證明了細胞核F.nucleatum增強了腫瘤負荷、促炎標志物和骨髓免疫細胞的浸潤，尤其是CD11b+細胞，包括樹突狀細胞（DC）、巨噬細胞和粒細胞的浸潤[28]及可以抑制自然殺傷（NK）細胞的細胞毒性[29]。Fn的Fap2蛋白通過與在大腸癌中過度表達的D-半乳糖β（1-3）-N-乙酰-D-半乳糖胺結合，在CRC中發揮重要作用[30]。毒力因子FadA 是一種介導內皮細胞侵襲的強毒因子有助于結直腸癌發生[9]。

研究者為了確定Fn的臨床意義，結果表明，與健康對照組比較，結直腸癌患者排泄物中梭桿菌屬細菌富集。Fn感染通過激活NF-κB通路上調KRT7-AS/KRT7，從而促進大腸癌細胞的體外遷移和體內轉移[31]。以上闡明Fn對結直腸癌發生發展有重大意義。

2.4 產腸毒脆弱擬菌（Enterotoxigenic bacteroides fragilis，ETBF）

產腸毒性脆弱類桿菌（ETBF）是腸道菌群中最常見的致癌菌之一[32]。EFBT是脆弱類桿菌的一種特殊類型，具備編碼脆弱類桿菌毒素（Bacteroides fragilis toxin，BFT）基因序列[33]，這是一種鋅依賴性金屬蛋白酶[34]。

研究表明，BFT靶向上皮細胞緊密連接，導致E-鈣粘蛋白斷裂，屏障通透性增強，Wnt/β-catenin和核因子κB（NF-κB）信號轉導[35]。最近一項研究表明，BFT誘導結腸上皮細胞的原癌信號傳遞到黏膜Th17反應，致使NF-κB在末端結腸上皮細胞特異性激活，共同觸發髓系細胞依賴性遠端結腸腫瘤的發生[34]。同時，長非編碼RNA（Long non-codingrnas RNA，lncRNAs）參與腫瘤發生的許多步驟。研究表明lncRNA參與腸道細菌致癌的機制，大腸癌組織中脆弱類桿菌相關lncRNA1（BFAL1）介導ETBF致癌。

在體外，經ETBF處理的大腸癌細胞中BFAL1上調。機制上，ETBF通過激活Ras同源物促進腫瘤生長[36]。臨床上，BFAL1的高表達和大腸癌組織中ETBF的高豐度預示著結直腸癌患者預后不良。因此，BFAL1是ETBF誘發大腸癌的介導因子，可能是ETBF誘發大腸癌的潛在治療靶點[36]。綜上所述，ETBF是導致結直腸癌發生的主要腸道菌群之一。

3 益生菌對結直腸癌的影響

益生菌被定義為活的微生物，當給予足夠的量時，它會給宿主帶來健康益處。20世紀初，諾貝爾獎獲得者埃莉·梅奇尼科夫首次提出假設，益生菌被描述為改變腸道菌群組成，并用有益微生物取代“腐敗”細菌。

隨著對益生菌的理解不斷發展，益生菌現在被認為不僅能調節微生物群，而且還能誘導宿主的生理和代謝變化[6]。益生菌是一個術語，用于描述對人體有益作用的健康細菌;乳酸菌和雙歧桿菌是腸道中最常見的類型[37]。乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB）是常見的腸道益生菌之一，具有多種功能。在這些功能中，由乳酸菌產生的胞外多糖（EPS）具有抗腫瘤特性[38]。結直腸癌患者在腸道生態系統中，乳酸桿菌的數量明顯低于正常人[39]。

益生菌預防和治療結直腸癌的潛在作用機制是改變腸道微生物群，改善結腸理化條件，產生抗癌和抗氧化代謝物，減少腸道炎癥及降低產生有害酶[39]。研究表明，乳酸菌可增強Bax等參與細胞周期的促凋亡蛋白的作用，并下調Bcl-2等抗凋亡蛋白[40]。由于益生菌產生的短鏈脂肪酸（SCFA），特別是丁酸對非癌細胞有抗凋亡的作用，并被證明可以防止癌細胞的增殖。在分子水平上，丁酸被認為是癌細胞中組蛋白脫乙?；敢种苿38]。

組蛋白和非組蛋白的脫乙?；烧{控細胞凋亡、增殖、細胞代謝、分化和DNA修復等過程。因此，組蛋白脫乙?；敢种苿℉DACis）被認為是一類有希望抑制腫瘤細胞增殖或凋亡的抗癌藥物[41]。雙歧桿菌中的某些細菌具有促進腸道上皮完整性和防止TNF-α引起的腸道上皮屏障破壞的能力，乳酸菌菌株加強了緊密連接和腸屏障的完整性[39]，同時，益生元可以提高益生菌（尤其是雙歧桿菌）的生物活性，并改變免疫反應[43]，從而降低結直腸癌的發生。

腸道微生物群失衡導致大量β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖苷酶、偶氮還原酶和硝基還原酶的釋放，并產生致癌物質，益生菌通過各種機制降低這些酶的活性，如乳酸菌通過降低β-葡萄糖醛酸酶的活性來抑制細菌酶的能力[42]。大量研究證明，益生菌在結直腸癌預防和治療中的意義重大。

4? 結論

在健康宿主中，不同優勢菌如硬壁菌、蛋白細菌、擬桿菌、放線桿菌和梭桿菌之間存在著良好的平衡關系[43]。腸道菌群以不同的方式在結直腸癌發生中起關鍵作用，尤其是在生態失調的情況下，某些致癌性特異性腸道微生物在促進癌細胞生長方面有積極作用，可以大大增加結直腸癌的發病率，同時，益生菌可以維持腸道菌群平衡的穩定，能夠有效抑制癌細胞的生長，從而防治結直腸癌的發生演變，有效提高腸道益生菌可以更好的維持腸道菌群的平衡，從而降低結直腸癌的發病率。

由于早期結直腸癌無明顯的臨床表現，早期發現較為困難，臨床上大部分患者已成為中晚期，大大降低了患者的壽命和生活質量。在腫瘤發生發展過程中檢查腸道菌群的變化將為結直腸癌的早期診斷提供幫助，有助于早診療，提高病患的存活率及有更高的生活質量。腸道菌群的平衡可以大大降低結直腸癌的患病率，及可以降低結直腸癌術后并發癥。益生菌是維持腸道平衡最好的選擇。

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