腸道菌群及其代謝產物在膠質瘤中的調控機制研究進展*

姜海嘯，曾巍，張恒柱，盧光玉，李育平

225001 江蘇 揚州，揚州大學臨床醫學院 神經外科 (姜海嘯、曾巍、張恒柱、李育平)；225003 江蘇 揚州，揚州大學 公共衛生學院 (盧光玉)

膠質瘤是成人顱內最常見的原發性惡性腫瘤，占顱內惡性腫瘤的81%，總發病率約為6.8/10萬人[1]。根據病理、分子及基因突變等特征，可將膠質瘤分為多種亞型，其中膠質母細胞瘤最為常見(約占膠質瘤的49.1%)，其惡性程度高預后差，5年生存率僅5%[2]。有研究證實基因突變是膠質瘤形成的重要原因之一；此外，諸多因素已被證實與腫瘤的發生發展及預后密切相關，其中包括遺傳、電離輻射(增加風險)和過敏史(降低風險)等[3-4]。近年來相關研究開始關注顱腦以外因素對膠質瘤微環境的調控機制，包括受試者易感性、環境和非遺傳內源性因素[5]，并提出許多新的治療方案[6]。尤其是關于腸道菌群、腸道微環境參與膠質瘤微環境調控機制的研究，該方向已成為當下研究的熱點之一。

腸道微生物數量繁多數以萬億計，其種類包括細菌、真菌等，并攜帶大量的基因序列(約4×106個基因)[7]。多項研究表明，腸道微生物及其代謝產物除參與胃腸道自身調控外，還廣泛地參與機體及中樞神經系統(central nervous system,CNS)的免疫調節及能量代謝。首先，腸道微生物參與腸道屏障的建立，包括黏液屏障、物理屏障和生物屏障。其次，腸道菌群參與物質代謝的調節，包括機體各種必需物質及能量的吸收，以及胃腸道微環境的調控[8]。第三，菌群可調控腸道局部和全身免疫，尤其在神經系統免疫功能的誘導、成熟中發揮重要作用[9]。

對于腸道菌群參與CNS功能調控方面，已有研究證實大腦和腸道之間存在著一個雙向調控關系，即腦腸軸[10]。研究表明腸道菌群的紊亂與一系列CNS及胃腸系統疾病密切相關，例如帕金森、抑郁癥、腸易激綜合征等[11]。而腸道菌群的代謝產物也可參與多種CNS功能的調控，包括代謝、免疫、神經系統的發育等[12]。此外，膠質瘤雖然常局限于腦部且較少轉移，但仍可被視為全身性系統疾病，與機體免疫系統及腸道微環境之間存在密切的聯系。然而，菌群及其代謝產物對膠質瘤微環境中免疫應答及代謝的調控機制仍缺乏相關研究證實[13]。因此，本文將對腸道菌群及其代謝物參與膠質瘤進展的作用機制進行綜述。

1 腸道菌群參與調控膠質瘤的增殖及免疫應答

近年來開展的膠質瘤荷瘤小鼠動物實驗表明,腸道菌群的異常或失調與膠質瘤腫瘤細胞的生長和遷移存在相關性。有研究對膠質瘤小鼠模型使用抗生素(萬古霉素和慶大霉素混合制劑)治療后，顯著地改變了腸道菌群的種類和組成結構。該研究結果表明，抗生素激活了小鼠腦組織中小膠質細胞的精氨酸酶1和P2RY12蛋白，促進炎癥反應，并加速膠質瘤細胞的增殖[14]。另一項研究對比了膠質瘤荷瘤小鼠較健康小鼠腸道菌群發生的變化，結果發現其厚壁菌門/擬桿菌門比值顯著降低，并在疣微菌門和阿克曼氏菌屬的相對豐度方面表現出顯著差異。由此可見，菌群豐度降低或結構失調與膠質瘤進展存在一定的相關性[15]。在臨床管理中，研究表明可通過改變腸道菌群治療諸如肥胖、糖尿病及老年癡呆等代謝病或慢性病[16]；那么我們能否通過改變膠質瘤荷瘤小鼠的腸道菌群來抑制腫瘤細胞的生長呢？目前相關的研究較少，需開展進一步研究明確及證實相關機制。Kim等[17]的研究表明腸道菌群代謝產物Compound k可抑制膠質瘤細胞上特異性趨化受體CXCR4的表達，進而抑制其介導的蛋白激酶C和細胞外信號調控激酶的激活，最終抑制基質細胞產生的生長因子1誘導的膠質瘤細胞遷移。膠質瘤微環境中存在大量的免疫細胞及功能性淋巴管，由其構成的淋巴網絡功能障礙可促進膠質瘤的進展。由于腸道菌群本身可參與調控免疫細胞的發育和功能，同時其代謝物亦可影響淋巴網絡的功能，因此菌群可直接或間接參與膠質瘤進展的調控[13]；另外，腸道菌群比例的失調能夠誘導腫瘤微環境中的免疫應答處于抑制狀態，從而增加了膠質瘤細胞的免疫逃逸進而加速膠質瘤的進展[13,18]。有研究報道腸道菌群失調可下調粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子信號的傳導，使得骨髓來源的抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)明顯增多，而MDSCs可通過產生活性氧(reactive oxygen species,ROS)來抑制CD8 T細胞的功能，從而促進腫瘤的進展[19]；然而，在移植健康腸道菌群后，MDSCs介導的ROS生成及釋放明顯減少，因此其對膠質瘤生長的促進作用就會相應減輕[20-21]。

此外，菌群多樣性的喪失同樣會導致CNS中免疫功能的缺陷；研究指出當菌群的多樣性下降時，會引起小膠質細胞的發育異常及功能缺陷[22]，從而促進以異常小膠質細胞為主的腫瘤相關巨噬細胞的增殖，最終促進膠質瘤的進展。因此，我們可以得到以下推論：調控或移植菌群有望通過調節免疫系統成為治療膠質瘤的新手段。

2 腸道菌群調控激素分泌對膠質瘤的影響

腸道菌群可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸直接影響激素分泌，亦可間接調節包括雌激素、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、單胺類神經遞質、瘦素和生長素釋放肽等在內的多種激素；因此，一些學者甚至將腸道菌群稱為內分泌器官[23]。由于人體激素對膠質瘤微環境的調控具有雙向性，因此腸道菌群通過調節激素亦可對膠質瘤微環境產生雙向調控作用。

雌激素已被證實參與了機體細胞的凋亡、神經元的遷移及分化成熟等重要生理過程。當雌激素被神經膠質細胞分解為2-甲氧基雌二醇后，能夠通過激活JNK-c-jun信號通路促進膠質瘤細胞凋亡；此外，腸道菌群分泌的β-葡萄糖醛酸苷酶能夠誘導已結合的雌激素解偶聯，促使循環雌激素水平上升，進而抑制膠質瘤的進展[24]。生理狀態下，IGF-1可作為促進和穩定新生血管生成及維持血腦屏障完整性的生長因子；然而，在膠質瘤微環境中，IGF-1卻可促進膠質瘤細胞的增殖及腫瘤血管的生成。研究證實腸道菌群能夠通過產生IGF-1激活PI3K/AKT信號通路誘導促凋亡的Bad蛋白中Ser136位點磷酸化，從而抑制膠質瘤細胞的凋亡，使得腫瘤細胞持續地分裂和增殖[25]。同時，IGF-1還能通過穩定血管內皮生長因子，促進腫瘤血管生成，進一步促進膠質瘤的發展。

除此之外，腸道菌群還參與了五羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)及多巴胺(dopamine,DOPA)的調節，并且這兩種激素對膠質瘤細胞均具有雙向調控作用。其中，90%的5-HT來源于腸道菌群的代謝；當過度分泌5-HT時，可通過激活蛋白磷酸化信號通路(MAPK和AKT)從而促進膠質瘤的增殖；然而，當5-HT分泌不足時，卻能夠通過減少腫瘤的血供從而抑制腫瘤生長。同樣，DOPA既可通過結合多巴胺受體2激活表皮生長因子受體的表達促使蛋白激酶MAPK磷酸化，促進膠質瘤的進展；亦可與血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)相互作用誘導多種抗血管生成活動從而抑制腫瘤的增殖[26]。然而，目前對于腸道菌群在激素間相互作用的調節機制仍不明確，需進一步的研究證實。

3 腸道菌群代謝產物對膠質瘤的作用

在過去的15年中，研究發現腸道菌群產生的代謝物可以影響人們的諸多健康問題，例如糖尿病、心臟病和抑郁癥等[16,27]。對于膠質瘤而言，其進展和機體的免疫狀態及多種炎細胞因子密切相關，而腸道菌群所產生的代謝物可通過一系列的級聯反應影響各個環節，尤其在免疫微環境、表觀遺傳修飾、能量代謝方面調控膠質瘤的生長及代謝[13,28-29]。人類腸道菌群產生的代謝產物數目和種類繁多，可分為兩大類：1)短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFAs)，由乙酸(acetic acid,AA)、丙酸(propionic acid,PA)和丁酸(butyric acid,BA)等組成；2)非SCFAs菌群代謝產物，包括維生素、多酚和氨基酸等代謝物。

3.1 SCFAs對膠質瘤的調節作用

機體產生SCFAs的腸道菌群主要有擬桿菌、雙歧桿菌、丙酸桿菌、乳桿菌、梭菌、Roseburia和普氏菌屬。其中BA主要來源于Roseburia等菌群，而AA主要來源于雙歧桿菌屬。在生理狀態下，SCFAs參與構建免疫屏障防止菌群和菌群代謝物移位，并參與調控血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)的通透性[30]。在維持和穩定BBB方面，生理量的PA可保護BBB免受氧化應激損傷并降低細胞旁通透性[31],同樣BA可降低BBB的通透性進而減少有害物質進入CNS[32]。對胃腸道而言，SCFAs還可通過調節緊密連接蛋白的表達來降低腸道黏膜的通透性，從而減少循環中腸源性細菌含量，維持正常的腸道屏障功能。此外，SCFAs可直接或間接地激活或抑制免疫細胞并調控炎癥因子的釋放。研究表明SCFAs可通過調控G蛋白偶聯受體等調節免疫細胞的分化、募集和激活[28]，包括樹突狀細胞、中性粒細胞、巨噬細胞、單核細胞及T細胞。例如，SCFAs可通過GPR109A信號通路誘導調節性T細胞分化，并通過GPR41/43通路活化蛋白激酶的信號轉導，從而增強免疫應答，維持腸道穩態[29]；另外SCFAs還可促進輔助性T細胞(helper T cell,Th)1和Th17細胞的生成，進而直接影響T細胞的分化和增殖，調節機體的適應性免疫反應[33]。同時，SCFAS也可促進某些炎癥因子的釋放從而激活機體免疫應答(包括IL-1β、IL-6和CXCL8/IL-8等)。

在膠質瘤中，SCFAs通過影響機體的免疫、血管生成、表觀遺傳學修飾來調控膠質瘤細胞的生長及代謝。小膠質細胞在CNS的免疫調節中發揮著重要作用，其可分為靜息的小膠質細胞(M1型)和活化的小膠質細胞(M2型)[34]。在生理狀態下這兩種亞型的小膠質細胞處于動態平衡中。Dehhaghi等[21]通過動物實驗證實由菌群產生的SCFAs能夠打破這種平衡，使得膠質瘤組織中出現大量M2型小膠質細胞，抑制淋巴細胞增殖和T細胞分化，并顯著地促進了膠質瘤細胞的增殖和遷移[35]。同時，Lisi等[36]的細胞實驗表明由SCFAs激活的M2型小膠質細胞，通過分泌IL10、EGF和VEGF等細胞因子，促進膠質瘤的生長及腫瘤新生血管生成。此外，表觀遺傳修飾失調是膠質瘤進展的關鍵機制之一，菌群產生的SCFAs參與了組蛋白去酰化過程[37]，能夠抑制組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)的活性。研究表明，當HDACs的活性被抑制后能夠顯著降低腫瘤壞死因子-α和核因子NF-κB的表達，從而進一步抑制了膠質瘤的增殖和分化[13]。

3.2 非SCFAs菌群代謝物對膠質瘤的影響

除SCFAs外，由腸道菌群代謝產生的多種氨基酸對機體同樣具有廣泛的調節作用。其中，色氨酸作為必需氨基酸，是煙酸、氧化還原輔助因子NAD+/NADP+的重要前體。同時色氨酸是組蛋白去乙酰化酶活性的調節因子，可參與神經元凋亡調控，并可調節腫瘤細胞微環境中的分解代謝。此外，色氨酸衍生的吲哚及其衍生物亦可反向調節腸道菌群的穩態及細胞基因的表達。色氨酸可通過激活膠質瘤細胞中的芳基烴受體調節先天性和適應性免疫系統的功能，從而抑制膠質瘤微環境中的免疫應答，最終促進膠質瘤細胞的侵襲[21]。

谷氨酸作為酮戊二酸的重要來源，由短桿菌屬產生，參與異檸檬酸脫氫酶1/2基因突變后的代謝過程及DNA的異常甲基化；即谷氨酸可通過影響表觀遺傳修飾失調程度調控膠質瘤的生長[13]；此外，減少谷氨酸的衍生物谷氨酰胺，以及甲硫氨酸、半胱氨酸等氨基酸的產生，可抑制腫瘤的自噬效應，降低腫瘤能量代謝進而限制膠質瘤的增殖[38]。

多胺及一氧化氮是精氨酸的衍生物，同樣由腸道菌群代謝產生[39]。其中多胺可透過血腦屏障，通過上調鳥氨酸脫羧酶活性來誘導腫瘤細胞的增殖和轉移。而一氧化氮則通過抑制JAK3-STAT5信號通路，干擾T細胞功能并誘導其凋亡[21]，促進腫瘤細胞的生長。

4 總 結

腸道菌群通過直接或間接影響激素分泌及免疫應答參與機體多系統的調節，并參與調控膠質瘤微環境中的多種應答反應。此外，菌群的代謝產物中SCFAs和氨基酸不僅參與膠質瘤免疫應答，同時還參與調控基因表觀遺傳學修飾。因此，腸道菌群及其代謝產物可作為抗膠質瘤治療的潛在靶點，為抗膠質瘤治療新靶點的發現提供思路及方向。

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