脂肪酸代謝在結直腸癌腫瘤微環境中的研究進展

張 筱，袁 正，林光武

1.復旦大學附屬華東醫院醫學影像科，上海 200040；

2.上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院放射科，上海 200011

［關鍵字］ 結直腸癌；脂肪酸；腫瘤微環境

結直腸癌（colorectal cancer，CRC）為消化系統常見的惡性腫瘤，全球結直腸癌發病率呈逐年升高的趨勢［1］。在中國，結直腸癌的發病率僅次于肺癌，居第二位［2］，年死亡率12/10萬左右，發病人群也趨于年輕化。

CRC的發生是多因素長期共同作用的結果。在此過程中，由腫瘤細胞、免疫細胞、間質細胞和周圍其他非細胞成分共同構成了CRC腫瘤微環境［3］。腫瘤微環境是腫瘤演化的關鍵因素，其中腫瘤相關的炎癥微環境［4］、低氧環境［5］和腸道菌群［6］都是CRC腫瘤微環境的重要組成部分。

人體內的脂肪酸不僅是能源物質，還參與細胞信號轉導，調控免疫反應，維持內環境穩態。脂肪酸根據其雙鍵數，分為無雙鍵的飽和脂肪酸（saturated fatty acid，SFA）、含有1個雙鍵的單不飽和脂肪酸（monounsaturated fatty acid，MUFA）和含有至少2個雙鍵的多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）。這些脂肪酸與CRC腫瘤微環境中細胞生長、增殖、分化和凋亡等活動密切相關。因此，了解腫瘤微環境中脂肪酸成分的變化對于認識和理解結直腸腫瘤的發生機制至關重要。本文將重點綜述脂肪酸代謝在CRC腫瘤微環境中的研究進展和脂肪酸代謝成像的研究情況。

1 SFA

1.1 SFA與炎癥微環境

來自于飲食中的SFA經人體代謝吸收后會儲存于脂肪細胞內，當脂肪細胞內儲存了過量的SFA時，游離脂肪酸會通過Toll樣受體（toll-like receptor，TLR）2或4誘導激活脂肪細胞和免疫細胞內的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和c-Jun氨基末端轉移酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）以及絲裂原活化蛋白激酶的磷酸化［7］，誘導炎癥反應的發生。NF-κB是炎癥反應的核心調節因子，炎癥微環境中NF-κB的激活會增加CRC發生的風險［8］。Hu等［9］學者在體外試驗中使用棕櫚酸（C16:0）處理CRC細胞后發現，SFA不僅增加了TLR4的mRNA表達，同時也增加了TLR4啟動子中轉錄因子PU.1的mRNA表達。證明SFA通過以TLR4依賴性方式促進CRC細胞增殖。SFA對TLR的激活還可以通過誘導環氧合酶-2（cyclo-oxygenase 2，COX-2）表達，增加促炎因子前列腺素（prostaglandin，PG）E2的產生。Sidahmed等［10］學者在一項臨床飲食干預試驗中發現，SFA的攝入量與結腸組織內PGE2濃度呈正相關。這也反映出SFA可以通過多種途徑參與到腫瘤相關的炎癥微環境中，促進CRC的發生及發展。

1.2 SFA與缺氧微環境

在腫瘤缺氧微環境中，脂肪酸的代謝方式會發生改變，這可能是由于介導脂肪酸內源合成的硬脂酰輔酶A去飽和酶1（stearyl CoA desaturase 1，SCD-1）被缺氧環境抑制，導致脂肪酸從頭合成減少。此時需要通過飲食攝入來滿足腫瘤細胞對脂肪酸的需求。Bensaad等［11］通過氣相色譜評估了暴露于缺氧環境中細胞內的脂肪酸組成。發現缺氧時棕櫚酸、硬脂酸（C18:0）含量顯著增加。這反映出缺氧微環境的誘導下腫瘤組織對外源性SFA攝取和儲存的增加。Peciuliene等［12］在體外研究中發現，缺氧會增強脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）pre-mRNA的可變剪接并降低總FASN mRNA和蛋白質水平。這會進一步減少脂肪酸的從頭合成。在CRC腫瘤微環境中，SFA攝取和轉運的激活是腫瘤組織對缺氧環境的適應，這會促進腫瘤的進一步發展。

1.3 SFA的攝入與腸道菌群

雖然SFA在腫瘤微環境中起促炎作用，但歐洲癌癥和營養前瞻性調查（European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition，EPIC）［13］發現，膳食中 SFA 攝入量與CRC風險呈負相關。這一結果體現在單個偶數鏈的SFA中，如肉豆蔻酸（C14:0）和棕櫚酸。但長期攝入SFA并不會對腸道菌群產生有益影響，反而會減少腸道擬桿菌門菌群，增加厚壁菌門及變形菌門的菌群，導致菌群失調，增加CRC發生的風險。Ye等［14］學者在動物實驗中發現，飲食攝入的SFA與厚壁菌門/擬桿菌門的比例、乳桿菌科、瘤胃球菌科和消化鏈球菌科的豐度呈正相關。SFA還會提高膽汁酸代謝相關的菌群水平［15］，這些膽汁酸會進一步激活氧化損傷、NF-κB的過度表達和炎癥來促進CRC的發展［16］。

2 MUFA

2.1 MUFA的代謝與腫瘤微環境

內源性MUFA主要是由SCD-1催化，以SFA為底物轉化所得的。此前研究［17］認為，SCD-1介導的MUFA合成與CRC腫瘤微環境關系密切。Mason等［18］學者發現，通過抑制SCD-1活性可以降低MUFA的合成，這有助于抑制腫瘤的發展并阻礙腫瘤細胞的擴增。而SCD-1在腫瘤組織中的高表達，會增加CRC的復發風險，并提示預后不良。Ran等［19］發現，使用不同濃度的MUFA油酸（C18:1）處理CRC細胞后發現，當MUFA濃度與SCD-1過表達一致時，會加速CRC細胞的遷移和侵襲。

2.2 MUFA攝入與炎癥微環境

飲食攝取的外源性MUFA與內源性MUFA在腫瘤微環境中的作用正相反。研究［20］表明，飲食中攝入MUFA（如油酸）與降低CRC風險有關。這表明外源性MUFA的攝入可以減少腸道炎癥和腫瘤發生。多項動物實驗［21-22］也發現，增加飲食中油酸的攝入，會減少腸道內腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、γ干擾素（interferon-γ，IFN-γ）和白細胞介素-17（interleukin-17，IL-17）等促炎細胞因子。這些發現提示外源性和內源性MUFA在調節腸道炎癥和CRC發生、發展中起著不同的作用。

2.3 MUFA與腸道菌群

富含MUFA的地中海飲食方式有助于恢復腸道微生物群的有益菌群。Haro等［23］在飲食研究中發現，長期采用地中海飲食可以部分恢復患有代謝綜合征的患者的異擬桿菌、普氏糞桿菌、青春雙歧桿菌和長雙歧桿菌的菌群數量。這類具有抗炎特性的腸道細菌，對腸道健康會產生積極影響。

3 ω-6 PUFA

3.1 ω-6 PUFA與炎癥微環境

ω-6 PUFA衍生物花生四烯酸（20:4,n-6）會經COX-2代謝生成PG，其中PGE2具有強大的促炎作用［24］，能夠上調微環境內的炎癥因子和生長因子水平，進而促進腫瘤的發生和發展。因此ω-6 PUFA也被認為在結腸直腸癌發生的早期階段起促癌作用。Ayiomamitis等［25］對CRC患者的腫瘤組織進行活檢發現，COX-2主要在腫瘤細胞內和鄰近組織中的基質表達，介導血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）參與新生血管生成，在CRC發生的初始階段起主要作用。Schumacher等學者［26］還發現，PGE2通過結合受體EP1和EP2促進環磷腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）反應元件結合蛋白調控的轉錄共激活因子1去磷酸化，增強轉錄活性，進一步導致結腸炎相關的結腸癌發生。除了PG外，花生四烯酸代謝物還包括血栓素A2（thromboxane A2，TXA2）、白三烯B4（leukotriene B4，LTB4）和脂氧素（lipoxin，LX）。其中脂氧素可以通過限制白細胞浸潤來減少炎癥過程。張程程［27］在體外試驗中發現，花生四烯酸會上調COX-2表達，促進抗炎分子LXA4分泌，抑制CRC細胞生長。這進一步表明ω-6 PUFA及其衍生物既有促進炎癥反應的作用，又有消除炎癥的功能。

3.2 ω-6 PUFA的攝入與腫瘤微環境

但是關于ω-6 PUFA是否具有抗結腸癌作用存在爭議。此前的一篇meta分析［28］表明，ω-6 PUFA攝入量與癌癥風險之間沒有關聯，但血液中高水平的ω-6 PUFA與較低的癌癥風險相關。目前有越來越多的研究［29］表明，ω-6 PUFA可能參與抑制腫瘤細胞的發展和轉移過程。細胞外基質環境及缺氧微環境可誘導腫瘤休眠，針對這一機制，Ogata等［30］研究發現，亞油酸（18:2,n-6）誘導的細胞內能量代謝改變，導致糖酵解的基因MycC和氧化磷酸化的基因過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，Pgc1α）的表達減少，促使腫瘤細胞內能量產生減少，從而抑制結腸癌細胞的增殖和生長，減少腫瘤轉移的可能性。

3.3 ω-6 PUFA與缺氧微環境

處于缺氧微環境中的腫瘤細胞內經COX-2合成的PGE2增多會起到增加細胞內cAMP的量和活性的作用［31］，進而對T細胞的增殖和淋巴因子激活的殺傷（lymphokine-activated killer，LAK）細胞的功能產生抑制［4］；此外，花生四烯酸還在缺氧誘導因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）誘導下參與缺氧微環境內巨噬細胞TNF-a的表達［32］，進一步增強腫瘤微環境內的炎癥反應。

4 ω-3 PUFA

4.1 ω-3 PUFA與炎癥微環境

與ω-6 PUFA的促炎作用相反，二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）等ω-3 PUFA有著明顯抗炎作用。EPA可以代替花生四烯酸作為COX-2的底物，減少促炎因子PGE2的生成［33-34］，轉而增加能抑制CRC細胞、誘導其凋亡的PG3系的合成。DHA會抑制NF-κB的活性，減少促炎細胞因子生成，如IL-1、IL-6和TNF-α［35］。DHA還能夠抑制TLR參與的促炎信號通路。Oh等［36］的研究表明，DHA可以通過G蛋白偶聯受體磷酸化后β-arrestin 2結合位點與TLR介導的信號通路中的下游信號分子轉化生長因子β活化激酶1結合蛋白1（TAK1-binding protein 1，TAB1）的相互作用來抑制JNK和NF-κB通路，從而抑制炎癥反應。此外有研究［37］表明，DHA和EPA能夠抑制COX陰性的CRC細胞的增殖并誘導其凋亡，說明ω-3 PUFA還可以在不依賴COX-2的情況下，抑制CRC細胞生長。

EPA和DHA衍生的脂質介質如脂氧素、消退素（resolvins）、保護素（protectins）等，又被稱為專一性促消退介質（specialized pro-resolving mediator，SPM）。這些脂質介質也參與了炎癥微環境的構成，它們不會直接抑制炎癥反應，而是通過抑制趨化因子和炎性細胞因子產生，從而促使炎癥反應進入消退階段［38］。這也表明ω-3 PUFA可以通過不同的途徑抑制腫瘤相關的炎癥微環境。

4.2 ω-3 PUFA與缺氧微環境

腫瘤缺氧環境相關的HIF-1通過PGE2誘導的HIF-1α蛋白來介導VEGF在CRC細胞中的表達，促進新生血管的形成。EPA和DHA則可以通過以劑量依賴性的方式抑制HIF-1α的表達，從而減少缺氧微環境下腫瘤血管的生成。而且EPA在此方面的作用比DHA更加有效。此外，亞油酸還可以通過抑制脂肪酸合酶和甾醇調節元件結合蛋白來改變線粒體應激，激活下游膽堿能抗炎標志物，并調節缺氧微環境，抑制腫瘤細胞進一步發展［39］。

4.3 ω-3 PUFA的攝入與腸道菌群

Aglago等［40］發現，通過增加富含ω-3 PUFA的海洋魚類或魚油的攝入量，會使普通人群的CRC發病風險降低。并且有研究［41］發現，ω-3 PUFA補劑可能對CRC患者預后生存有保護作用。這背后的機制不僅包括ω-3 PUFA的抗炎作用，還可能與ω-3 PUFA對腸道菌群的調節有關。在飲食上通過提高ω-3 PUFA的比例和攝入量，會有助于提高大腸腸道內的有益菌群多樣性，這其中包括雙歧桿菌、乳酸桿菌及羅斯氏菌［42］。ω-3 PUFA的增加不僅通過提高跨上皮抵抗力和降低IL-4介導的通透性來有效維持腸道屏障的完整性，還與乳酸桿菌增強腸道屏障的功能有關。Zhang等［43］在動物實驗中發現，ω-3 PUFA攝入增加會促進乳酸雙歧桿菌抑制NF-κB信號通路相關的基因表達水平，減少結腸炎癥的發生。

4.4 ω-6/ω-3 PUFA 的比例

除了對PUFA代謝產物的研究，ω-6/ω-3 PUFA的比例關系在腫瘤微環境中的作用也不容忽視。在舊石器時代原始人的食物中海產品含量高，種子和植物油含量低，飲食中ω-6/ω-3 PUFA比例約為1∶1，而伴隨著現代工業和農業的發展，西化的飲食方式中ω-6與ω-3 PUFA的比例達到了10∶1到20～25∶1，其中缺少了對ω-3 PUFA的攝入。較高比例的ω-6/ω-3 PUFA還會增加腸道炎癥和相關綜合征發生的可能性，而降低ω-6/ω-3 PUFA比例可以減少這類炎癥反應［44］。Zhang等［45］的研究還發現了CRC腫瘤組織中的ω-6/ω-3 PUFA比例顯著高于相鄰正常組織。高ω-6/ω-3 PUFA比例的飲食還會導致腸道菌群失調。有研究［46］發現，產生短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）的菌群的相對豐度在高ω-6/ω-3 PUFA比例組中降低，但在低ω-6/ω-3 PUFA比例組中增加。ω-3和ω-6 PUFA之間的相互作用十分復雜，想要進一步了解ω-6/ω-3 PUFA的比例在CRC發生、發展中的作用，還需要開展進一步的研究。

5 脂肪酸代謝變化的成像

在脂質代謝的研究中，通常運用于脂肪酸的分析和量化的技術包括液相色譜（liquid chromatography，LC）與質譜（mass spectrometry，MS）、氣相色譜/質譜（gas chromatography，GC/MS）和磁共振波譜成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）［47］。其中，質譜法和色譜法的技術能夠檢測單一脂肪酸的成分含量，但缺點是需要使用侵入性的檢測方法獲取標本，不便于臨床研究。而MRS能夠簡化檢測過程，用非侵入性方法來研究疾病相關生物標志物的分布和動態變化。雖然MRS不能測量單個脂肪酸的相對豐度，但可以評估各種飽和度脂肪酸的定量分數，并且與實驗室測量方法有良好的一致性［48］。

5.1 腫瘤中的脂肪酸代謝變化

在脂滴中的甘油三酯構成了MRS上脂質信號的主要來源。MRS中的共振頻率反映了甘油三酯分子中質子的不同位置。因此，根據每個脂肪峰的相對幅度，可以得到甘油三酯分子具體的化學成分信息。最終量化為脂肪分數或脂肪酸分數。體內MRS研究最初使用單體素定位方法（例如STEAM和PRESS），而目前包括化學位移成像在內的多體素光譜方法越來越多地應用于腫瘤微環境的研究之中，以此來評估腫瘤中的脂質。

絲氨酸蛋白酶抑制劑Kazal 1型（serine protease inhibitor kazal-type 1，SPINK1）在包括CRC在內的多種癌癥中均呈高表達。Nigam等［49］通過1H-MRS觀察沉默SPINK1的CRC細胞中脂滴積累情況，分析顯示在這些腫瘤細胞中，MUFA和磷脂酰膽堿的含量增加，而PUFA的水平保持不變。考慮到MUFA在抗炎反應中的作用，這種變化提示CRC腫瘤組織中SPINK1的抑制會導致抗炎信號環境的激活，并且會體現在MUFA的改變上。

醋酸鹽是一種由人體腸道丙酸桿菌分泌的短鏈脂肪酸。目前有研究［50］認為這類外源性醋酸鹽是癌細胞的重要替代能源，并且醋酸鹽還能夠以乙酰輔酶A合成酶2（acetyl-CoA synthase 2，ASCC2）和HIF-2依賴性方式刺激腫瘤生長和轉移［51］。Zhang等［52］使用1H-MRS對淋巴結轉移的CRC患者組織樣本進行代謝分析，發現與正常對照組和非轉移性組相比，在轉移患者的腫瘤組織標本中醋酸鹽含量顯著增加，提示醋酸鹽在CRC發展和轉移中發揮關鍵作用。

5.2 腫瘤周圍脂肪組織的脂肪酸代謝變化

在腫瘤微環境中，由于癌細胞對周圍結構的侵犯，腫瘤周圍的脂質成分也可能發生改變。Mosconi等［53］使用1H-MRS，在CRC術后標本上對病灶周圍的脂肪組織進行了檢測，結果發現，靠近和遠離腫瘤的脂肪組織在成分上沒有顯著差異。但在TNM分期較高的患者中，靠近病灶的脂肪組織MUFA顯著增加，而遠離病灶的MUFA則沒有出現這一改變。可能是由于SCD-1表達的改變，導致脂肪組織中儲存高水平的MUFA。

5.3 糞便內的脂肪酸代謝變化

腸道微生物群代謝會產生多種化合物，包括支鏈脂肪酸、維生素K等，其中部分產物會參與腫瘤微環境，并通過免疫和代謝途徑導致CRC的發生。由于糞便在解剖學上附著于結腸直腸上皮并攜帶大量腸道微生物的代謝衍生物。因此，Lin等［54］使用1H-MRS對腸道微生物與CRC相關的代謝改變進行研究。通過分析CRC患者和健康人的糞便代謝物，發現Ⅰ/Ⅱ期CRC患者糞便中短鏈脂肪酸（乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽）的含量降低，這表明短鏈脂肪酸提供了與CRC分期相關的分子信息。短鏈脂肪酸通過抗炎作用和其引發的癌細胞凋亡，以此預防結腸直腸癌的發生。而糞便中短鏈脂肪酸的消耗可能表明腸道菌群失衡與結直腸腫瘤的發生有關。

5.4 其他脂肪酸成像技術

脂肪酸定量的成像技術，除了MRS以外，還包括基于Dixon技術的化學位移編碼磁共振成像（chemical-shift-encoded magnetic resonance imaging，CSE-MRI）［55］。其原理也是根據化學位移現象，通過測量甘油三酯分子中的雙鍵數等化學信息，結合相應的甘油三酯模型，也可以得到不同飽和度脂肪酸的分數。

Chan等［56］使用該技術研究乳腺癌腫瘤周圍脂質成分對腫瘤細胞增殖和分化的影響，結果發現，腫瘤周圍MUFA的空間分布與Ki-67增殖指數密切相關，這也證明脂質的分布與腫瘤細胞的分化和增殖存在關聯。此外該技術也可應用于脂肪組織的脂肪組成分析，尤其是在皮下和內臟脂肪組織之中。Nemeth等［57］結合臨床營養學實驗，研究正常人脂肪組織脂質的異常累積情況。CSEMRI所得到的研究結果與氣相色譜法的結果之間一致性良好。考慮到肥胖人群的腫瘤易感性，未來也可將其應用于對CRC患者腫瘤微環境的分析研究之中。

綜上，在研究脂肪酸成分時不僅要考慮膳食攝入，還要考慮皮下及體內的脂肪組織。因此，脂肪酸成分檢測的非侵入性方案，如MRI等［58］影像學手段將簡化和提高未來臨床研究的可行性。未來還需要更多使用影像學技術的臨床研究來充分探索其潛力。

CRC腫瘤微環境內的炎癥、組織缺氧和腸道菌群與脂肪酸之間有密切的關系，部分特定脂肪酸可作為CRC的生物標志物或作為生存的預測因素。我們希望通過對脂肪酸成分進一步研究，了解腫瘤微環境與脂肪酸成分兩者之間的關系，并為之后CRC的預防和治療提出新的方法。