胃內微生態在胃癌發生過程中作用的研究進展

紀若愚，曹馨元，張亦臻，王 強，吳 晰，楊瑩韻，楊愛明

(中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院 消化內科，北京 100730)

胃癌 (gastric cancer,GC) 是中國常見的消化道惡性腫瘤，其發生與發展與多種因素相關。近年來，胃內微生態(gastric microbiology) 在胃癌發生過程中的作用受到關注。幽門螺桿菌(Helicobacterpylori,H.pylori)是公認的胃癌發生的危險因素，1994年被國際癌癥研究中心列為Ⅰ類致癌物[1]。然而，H.pylori感染的胃炎患者中只有約1%會最終發展為胃癌，并且根除其感染并不能完全阻止胃癌的發生[2]。隨著測序技術的發展，胃內其他菌群不斷被鑒定，并被發現與胃癌發生也存在著緊密的聯系[3]。近年的研究揭示了H.pylori主要參與了胃癌發生的早期過程，其定植導致胃內微生態失衡，進一步引發菌群構成的改變，而失調的菌群則主導了胃癌發生的后期過程[3]。同時，菌群失調誘發了胃內功能基因表達和代謝途徑的改變，特定代謝途徑的激活則驅動了有助于胃癌發生和發展的腫瘤微環境的形成[4-5]。本文主要就胃癌發生過程中胃黏膜菌群多樣性、構成及代謝環境的改變進行探討，以期為進一步研究胃內微生態在胃癌發生中的參與機制提供理論基礎。

1 胃黏膜菌群

高通量測序技術的發展彌補了傳統培養技術的局限，精確而全面地揭示了胃黏膜獨特的菌群構成。因胃內的酸性環境及嚴苛的抗菌機制，胃黏膜菌群的密度僅為101～103集落形成單位(colony-forming units, CFU)/mL。正常胃黏膜菌群構成在個體間存在一定的差異。在菌群構成中，相對豐度大于1%的優勢菌門包括：變形菌門、厚壁菌門、放線菌門、擬桿菌門和梭形菌門(表1)[6-11]。另外，藍細菌門在部分研究中了也被列為優勢菌門[8-9]。其中，變形菌門和厚壁菌門兩者的相對豐度總和達到70%～90%，在胃黏膜菌群構成中占據主導地位。菌屬水平的研究結果則展現出更大的差異，在兩個及以上研究中提到的非螺桿菌優勢菌屬包括：鏈球菌屬、普雷沃菌屬、不動桿菌屬、嗜血桿菌屬、鹽單胞菌屬、放線菌屬、奈瑟菌屬、韋榮球菌屬和梭桿菌屬(表1)[6-11]。生理狀態下，胃黏膜菌群之間及菌群與胃內微環境之間相互作用，共同維持著胃內微生態的穩態。

表1 胃內優勢菌門和非螺桿菌菌屬Table 1 Dominant phyla and non-Helicobacter pylori genera of the gastric microbiome

2 胃內微生態改變與胃癌發生

在胃癌發生過程中，胃內酸度的降低與免疫反應的參與破壞了胃內微生態平衡，引發菌群失調。而富集的特定菌群則通過改變胃內代謝環境進一步影響著胃癌的發生和發展。

2.1 菌群α多樣性的改變

α多樣性(α diversity)是反映微生物群落的豐度和多樣性最直觀且最常用的指標，可以進一步被操作分類單元(Operational Taxonomic Units, OTUs)、Shannon指數、Simpson指數、Chao 1、ACE和PD whole tree等定量參數衡量。菌群α多樣性的下降對于菌群紊亂具有較高的提示價值。胃黏膜菌群的α多樣性在淺表性胃炎→萎縮性胃炎→腸化生→上皮內瘤變→胃癌的胃癌發生過程中呈現逐步下降的趨勢[4-5,8]。高級別胃癌組織相比于低級別胃癌組，其菌群α多樣性則進一步下降[12]。其原因可能是由于伴隨胃癌的發生和發展，高胃酸環境的破壞和胃內代謝的紊亂不再利于原有菌群的定植[5,13]，導致優勢菌群的轉變和菌群多樣性的下降。而有趣的是，有部分基于手術病理樣本比較胃癌組織和癌旁組織菌群的研究發現，癌旁組織的菌群α多樣性甚至低于胃癌組織[14]，其原因尚不明確，或許提示癌變部位在胃內菌群失調的背景下出現了特定菌種的富集。

2.2 菌群構成的改變

胃癌組織和非胃癌組織的菌群構成存在較大的差異。在菌門水平，胃癌和非胃癌組織的菌群都主要由變形菌門構成，其相對豐度超過70%，其次是厚壁菌門、放線菌門、擬桿菌門和梭形菌門[14-15]。胃癌的發生伴隨著變形菌門的減少和厚壁菌門的富集[4,8]。一項研究將變形菌門進一步劃分為螺桿菌屬和非螺桿菌屬， 發現螺桿菌屬的相對豐度從淺表性胃炎組織中的41.7%下降到胃癌組織中的5.9%，而非螺桿菌屬的相對豐度則從胃炎組的27.1%上升到胃癌組的64.3%，這一變化歸因于癌變后的胃黏膜環境不再適宜H.pylori這一螺桿菌屬中的絕對優勢菌種的定植[15]。然而，針對胃癌發生過程中放線菌門、擬桿菌門和梭形菌門相對豐度的變化，各研究結果尚未達成一致[5-6,14-15]。考慮到這3種菌門的相對豐度較小，且各研究樣本量有限，對于結果的解讀需要慎重，這也提示了進一步研究的方向和價值。

菌屬水平的改變更加復雜(表2)，其變化規律可以歸納為以下3點：口腔菌群的富集、產亞硝基菌群的富集和產乳酸菌群的富集。多個研究報道了口腔菌群如鏈球菌屬、消化鏈球菌屬和普雷沃菌屬等在胃癌組織中的富集[4-6,8,14]，盡管個別研究呈現出相反的結果[15]。口腔菌群被發現與多種消化道腫瘤如結直腸癌和胰腺癌的發生相關，其相對豐度的增加對這些疾病具有一定的診斷價值[16-17]。這一點在胃癌中也有相似的臨床應用前景，基于5種口腔致病菌構建的非侵入性診斷模型被證實可有效鑒別胃癌和胃炎[5]。然而口腔菌群參與胃癌發生的具體機制尚不清楚，仍需更多研究進一步明確。N-亞硝基化合物(N-nitroso compounds, NOCs)是潛在的致癌物，也與胃癌發生的風險增高有關[18]。產亞硝基菌群如韋榮球菌屬、梭菌屬和流感嗜血桿菌屬在胃癌組織中富集[8,11,15,19]，并進一步通過催化含氮化合物的亞硝化增加外源性NOCs的合成，參與胃癌的發生。另外，產乳酸菌群如乳桿菌屬和鏈球菌屬的相對豐度在胃癌組織中更高[6,20]。產乳酸菌群的富集增加了胃內微環境中外源性乳酸的合成。隨著對Warburg效應的深入理解，乳酸被認為不僅是腫瘤細胞無氧糖酵解的產物，更是無氧糖酵解的目的。乳酸在腫瘤微環境中參與了炎性反應、上皮間充質轉化、血管新生、轉移等一系列腫瘤發生和發展的過程[21]。

表2 胃癌發生和胃黏膜菌群構成改變Table 2 Alternations in mucosal microbiota composition during gastric carcinogenesis

2.3 胃內功能基因表達和代謝環境的改變

隨著代謝組學的發展，研究者不再局限于鑒定胃癌發生過程中富集的特定菌株，轉而從胃內微生態環境的功能和代謝層面探尋胃癌發生的機制。胃癌組織和非癌組織在核苷酸、 氨基酸和無機離子的轉運等諸多代謝途徑上存在顯著差異[6]。在胃癌組織微環境中，脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)合成途徑的表達上調，而短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)合成途徑的表達下調[7]。LPS作為Toll樣受體的微生物配體，通過誘導腫瘤微環境中的慢性炎性反應促進腫瘤的發生[4]。SCFAs是胃腸道微生物產生的主要代謝產物，通過維持胃腸道微生態穩態及腸黏膜完整性和屏障功能起到抑癌作用。最新研究還提示，SCFAs合成的增多使得實體腫瘤患者更能夠從免疫檢查點抑制劑治療中獲益[22]。因此，胃內微環境中SCFAs合成途徑的下調可能與更高的胃癌發生率和不良預后相關。相比于淺表性胃炎組織，嘌呤代謝相關蛋白和肽聚糖在胃癌組織中出現顯著富集[5]。嘌呤是核苷酸的基本成分，其代謝紊亂與細胞異常增殖和腫瘤發生相關[23]。肽聚糖的富集則增加腸黏膜通透性促發局部炎性反應，從而誘導胃腸道腫瘤的發生[24]。另外，胃癌組織的亞硝酸鹽還原酶功能也顯著強于胃炎組[15]，這與前文所述產亞硝基菌群在癌組織中的富集相印證。目前，關注胃內微生態功能分析的研究數量有限，難以對現有研究結果進行系統性比較和歸納，仍需大量研究進一步驗證現有發現。

3 問題與展望

胃內微生態穩態的破壞包括菌群失調和相應的功能基因及代謝環境的改變參與了胃癌的發生。明確胃癌發生過程中胃內菌群的變化規律對于胃癌的診斷和治療具有一定的臨床價值，例如菌群失調指數的建立有助于輔助胃癌的早期診斷[5,15]。但考慮到現有研究均是病例數有限的回顧性研究，其對于胃癌發生和菌群失調的因果關系的探究存在局限性，因此對研究結果的解讀仍需慎重。迄今為止，胃內菌群的復雜性和不可控性在一定程度上制約了基于人群的前瞻性研究的開展。INS-GAS小鼠模型在探究幽門螺桿菌感染參與胃癌發生的機制上做出了重要貢獻[25]，借助動物模型進一步探究菌群失調在胃癌發生中的致病機制或許是可行的思路。胃內微生態的深入研究勢必為胃癌的發病機制、診斷和治療提供新的理論依據。