膳食乳化劑對結直腸癌影響的研究進展

王晨曦王秀宏

(哈爾濱醫科大學,哈爾濱 150081)

結直腸癌(colorectal cancer,CRC)在全球是位于第三位最常見的惡性腫瘤和第二位致死性癌癥,但發病率的原因尚不完全明確[1]。 在影響CRC 的危險因素中,飲食是一個可改變的危險因素[2]。 隨著加工食品的出現,人們接觸到越來越多的食品添加劑,雖然可以通過選擇食物來限制某些食品添加劑的食用,但完全避免攝入食品添加劑可能做不到[3]。 最近有研究表明,食品添加劑中的膳食乳化劑羧甲基纖維素鈉(carboxymethylcellulose,CMC)和聚山梨酯80(polysorbate 80,P80)可能促進CRC 的發生發展[4-5]。 在一項動物實驗中,CMC 和P80 被報道能影響小鼠腸道菌群,改變腸道菌群代謝產物,促進結腸炎癥[6]。 同時,越來越多的證據表明,腸道菌群與CRC 的發生發展密切相關[7]。 而且持續的慢性炎癥[8]和一些腸道菌群代謝產物的改變[9-10]是CRC 發生發展的重要危險因素。 故本綜述根據現有的研究,將從這些方面去探討CMC 和P80 可能對CRC 發生發展的影響。

1 腸道菌群失調與CRC 發生發展的相關性

腸道菌群失調與人類多種疾病有關,比如炎性腸病、癌癥等。 CRC 患者的糞便經灌胃給予無菌小鼠、Apcmin/+小鼠和偶氮甲烷誘導的小鼠,發現CRC患者的腸道菌群能促進腫瘤的發生[11-12],這表明與CRC 有關的腸道菌群在其中發揮了作用。 在過去的十幾年里,幾種細菌因其與CRC 發生的關系和潛在作用而受到關注,如大腸桿菌、產毒素的脆弱擬桿菌、具核梭桿菌等[13]。 此外,在一項涉及中國和丹麥CRC 患者的宏基因組關聯研究中,發現了兩個與CRC 相關的新物種,即Parvimonasmicra和Solobacteriummoorei[14],而且Parvimonasmicra檢測CRC 的特異性達到了 87.3%[15],Solobacterium moorei從致癌的早期到晚期階段的豐度顯示出逐漸增加[7]。 而且對526 份糞便宏基因組分析確定了7種CRC 的富集細菌,這些富集的細菌與CRC 中減少的有益細菌呈負相關關系[16]。

有研究顯示,食品中的P80 會影響腸道菌群組成[17]。 而且利用人體腸道菌群生態系統的粘膜模擬器(M-SHIME)模型顯示,P80 和CMC 都直接改變了腸道菌群組成[18]。 在吲哚美辛誘導的小鼠模型中,P80 的添加會導致小鼠小腸菌群組成發生變化,其中產生硫化物的腸桿菌增加以及奇異變形桿菌的“變群”行為增強[19],而結腸腫瘤的形成與奇異變形桿菌的存在相關[20]。 在野生型小鼠中,P80會導致空腸彎曲菌、梭菌屬等增加[21]。 最近的研究發現,空腸彎曲菌能通過基因毒素CDT 的作用促進CRC 的發生[22],而且糞便中的共生梭菌可能作為一種用于CRC 早期檢測的生物標志物[23]。 此外,用CMC 和P80 喂養野生型小鼠、IL-10-/-小鼠及TLR5-/-小鼠12 周,發現CMC 和P80 都極大地改變了這3 種模型中小鼠糞便和粘膜粘附的菌群組成。而在IL-10-/-小鼠中,CMC 和P80 均引起α-多樣性降低和穩定性降低,疣微菌門中的Akkermansia muciniphilia和與粘膜相關的具有促炎性的變形菌門增加[6]。 值得注意的是,用CMC 和P80 喂養野生型小鼠9 周后,就導致了腸道菌群多樣性顯著降低,擬桿菌門、厚壁菌門和變形菌門發生顯著變化[5]。 而擬桿菌門與腫瘤易感性和促進作用密切相關[24]。 此外,有研究顯示,厚壁菌門中的厭氧消化鏈球菌能增加活性氧的水平[25]、影響腫瘤微環境及激活PI3K-Akt-NF-κB 信號通路[26],從而促進細胞增殖。 厚壁菌門中的解沒食子酸鏈球菌通過激活Wnt/β-catenin 信號進而促進細胞增殖[27-28],而且還通過招募腫瘤浸潤免疫細胞,形成免疫抑制微環境,有利于CRC 的腫瘤生長[29]。

雖然有些與CRC 有關的腸道菌群改變與CRC的發生發展機制尚不明確,但現有的研究提示我們腸道菌群的變化與CRC 密切相關,一些特殊腸菌的富集和腸道益生菌的減少可能會促進CRC 的發生發展。 因此,隨著研究的進展,在CRC 中富集的特殊腸菌闡明,它們可能成為該病早期診斷的重要標志。

2 腸道菌群代謝產物對CRC 發生發展的影響

腸道菌群參與代謝過程,其種類和比例決定了宿主的能量平衡。 維持腸道平衡是維持宿主正常健康,預防多種疾病的必要條件[30]。 當腸道菌群失調時,其產生代謝產物的水平也會發生相應變化,對機體產生影響。 在野生型小鼠中,CMC 和P80 顯著降低了短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)中丁酸鹽的產生量及改變了膽汁酸的水平,但在無菌小鼠中未發生變化[6],表明腸道菌群參與其中。 而且用P80 喂養的小鼠,其糞便中的乙酸鹽、丙酸鹽等水平也降低[21]。 這些結果表明,膳食乳化劑CMC 和P80 影響了腸道菌群代謝產物的水平。

2.1 SCFAs 對CRC 發生發展的影響

食物消化吸收后產生的食物殘渣經結腸時,它們被腸道菌群分解,產生SCFAs,其中丁酸鹽是腸道菌群和腸上皮細胞的主要能量來源,其可以發揮抗腫瘤特性,對結腸的健康發揮重要作用[31]。 但在CRC 患者血漿中SCFAs 含量明顯降低,說明降低SCFAs 可能促進CRC 的進展[32],而且在CRC 患者中已觀察到產生丁酸鹽的細菌顯著減少。 對于產丁酸的丁酸梭菌,其能抑制腸道腫瘤的發生[33]。 在免疫方面,SCFAs 誘導CD4+T 細胞和先天性淋巴樣細胞產生IL-22,從而保護腸道免受炎癥的影響以維持腸道穩態[34]。 SCFAs 可通過抑制IL-6、TNF-α 和IL-17 等細胞因子的表達,改善結腸炎癥,顯著降低了腫瘤的發生率和大小,對CRC 具有保護作用[35]。總的來說,SCFAs 發揮著有益的作用,但當SCFAs含量減少時,對結腸的保護作用減弱,可能會增加CRC 的風險。

2.2 膽汁酸對CRC 發生發展的影響

最近有研究表明,腸道菌群失調可能改變膽汁酸的代謝,促進結腸炎相關的結直腸癌(colitisassociated colorectal cancer,CAC) 的發生[36]。 在Apcmin/+小鼠模型中,脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)破壞了腸道屏障,誘導腸道低度炎癥,促進M2型巨噬細胞的極化,從而促進腸道腫瘤的發生[37-38]。 而且將DCA 處理的小鼠糞便轉移到Apcmin/+小鼠中,同樣出現了上述情況,還激活了腫瘤相關的Wnt/β-catenin 信號通路[38],說明DCA 誘導腸道菌群的改變促進了腸道癌變。 在CAC 小鼠模型中,膽酸促進腫瘤的發生[39]。 而在Apcmin/+小鼠模型中,當使用抗生素耗盡腸道菌群時,會減弱膽酸導致的腸道致癌作用[40],表明腸道菌群在該過程中起主導作用。 從機制上,膽汁酸在相關核受體的作用下,與腸道菌群相互作用,可能通過擾亂細胞增殖/凋亡信號、促進炎癥、導致DNA 損傷等促進CRC 的發生發展[9]。 以上研究說明,膽汁酸可能促進腸道腫瘤的發生發展,這其中會與腸道菌群相互作用。 而由CMC 和P80 引起膽汁酸水平的變化,可能會增加CRC 的風險。

3 CMC 和P80 促進炎癥發生進而促進CRC 的發生

3.1 CMC 和P80 破壞腸道屏障從而增加細菌侵襲

腸道菌群和人體腸道被一道物理屏障隔開。物理屏障是由一層腸上皮細胞和一層黏液層構成,腸上皮細胞通過緊密連接、粘連連接和橋粒緊密排列在單層中[41]。 腸腔外面有一層由杯狀細胞分泌的黏液所包裹,分為內外兩層。 外層黏液層可以建立起排除病原體的生物膜,內層黏液層含有一些細胞所分泌的抗菌物質,抵制病原菌[42]。 黏液層是抵御微生物的第一道防線,保護人類腸道免受微生物和炎癥的侵襲[43-44]。 用CMC 和P80 處理野生型小鼠和IL-10-/-小鼠,黏液層厚度降低到一定程度,以至于某些細菌入侵腸上皮,而細菌和腸上皮細胞之間的距離比正常飲水組縮短了50%以上,但在無菌小鼠中,CMC 和P80 引起的黏液變薄并沒有發生[6]。 這表明CMC 和P80 對黏液厚度的影響是由腸道菌群所驅動的。 最新的動物實驗研究表明,母體攝入P80 后,黏液蛋白2 的表達水平下降,緊密連接蛋白中的閉合蛋白3 和閉合小環蛋白1 表達下降[45],這表明母體攝入P80 后,破壞了子代小鼠腸道屏障。

使用多粒子跟蹤技術對黏液中的熒光納米顆粒和大腸桿菌進行跟蹤,結果顯示,當用CMC 處理時,黏液孔徑減小,導致大腸桿菌和顆粒通過黏液的擴散速度顯著減慢。 而接觸P80 時,最低限度地影響了黏液的微觀結構和顆粒擴散,但增加了黏液中大腸桿菌的運動速度[46]。 此外,相對于正常飲水組,濃度為0.1%的P80 導致大腸桿菌跨M 細胞的轉運能力提高了59 倍,而P80 的濃度與大腸桿菌跨M 細胞的轉運能力之間存在著劑量依賴性關系[47]。值得注意的是,CMC 也會作為一種纖維加入到商業食品中,經常食用膳食纖維有助于防止腸道菌群對腸道黏液屏障的侵蝕,減少病原體感染,降低結腸炎的發病率[48]。 但克羅恩病患者會增加CMC 的攝入量而限制其他膳食纖維的攝入量,這可能會加劇現有的腸道生態失調,使其向更多黏液蛋白降解的方向發展,從而提高對黏液相關病原體的敏感性[49]。

最近的研究顯示,CMC 和P80 可提高粘附性侵襲性大腸桿菌(AIEC)的活性以及粘附腸上皮細胞的能力[4]。 而且野生型小鼠和IL-10-/-小鼠在攝入CMC 或P80 后,血清中鞭毛蛋白和脂多糖的表達量增加,這表明腸道通透性增加以及有相關的微生物易位[5-6,21]。 值得注意的是,在CRC 人群中,脂多糖的循環水平顯著升高[50]。 在人體內,血清抗鞭毛蛋白和抗脂多糖抗體濃度與CRC 風險呈正相關[51]。

綜上,CMC 和P80 會破壞腸道屏障,導致腸道通透性和細菌易位的變化,這可能會影響微生物群與腸上皮之間的相互作用,促進炎癥的發生。 而與細菌/細菌產物的直接接觸會導致固有層中TLR4/MyD88 信號傳導途徑通過與腸道細菌衍生的脂多糖相互作用,進而激活免疫細胞,導致促炎性介質的分泌,從而使局部炎癥長期存在[36]。

3.2 CMC 和P80 促進炎癥的發生

用CMC 和P80 喂養野生型小鼠,小鼠糞便和血清中的脂質運載蛋白2 水平增加,表現出腸道炎癥[6,21]。 而在IL-10-/-小鼠中,炎癥更加嚴重(結腸長度進一步縮短,組織學評分進一步增加及糞便中脂質運載蛋白2 表達升高),這其中伴隨著腸道菌群的變化[6]。 用CMC 和P80 處理后的M-SHIME懸浮液灌胃無菌小鼠時,促進了低度炎癥相關表型[18],這表明由CMC 和P80 引起的腸道菌群變化促進了低度炎癥反應。 在IL-10-/-小鼠模型中,用CMC 處理后,發現白細胞向腸腔內遷移,表現出炎癥,并伴隨著腸道菌群的變化,這些變化與克羅恩病患者中觀察到的變化相似[52]。 最新的動物實驗研究表明,母體攝入P80 后,可促進子代小鼠腸道低度炎癥反應,這是由腸道菌群所介導的。 而且還加重了子代小鼠成年后葡聚糖硫酸鈉誘導的結腸炎癥[45]。 根據最近的研究發現,炎癥性腸病患者中CRC 的發展風險是時間依賴性的,10 年增加2%,20年增加8%,30 年增加18%[53]。

此外,CMC 和P80 顯著增加了趨化因子配體1的表達,說明CMC 和P80 促進了腸道低度炎癥的發展。 而在CAC 小鼠模型中,炎癥因子和趨化因子的水平進一步增加,炎癥更加嚴重,同時促進了腫瘤的發生發展[5]。 即使只單獨使用偶氮甲烷誘導的小鼠模型,CMC 和P80 也能夠導致腸道炎癥,而CMC 導致的腸道炎癥足以誘導動物癌變[5]。 最新的研究顯示,在AIEC 定植的相關小鼠模型中,CMC和P80 能改變腸道菌群,直接誘導細菌毒力基因的表達來介導炎癥反應,促進CRC 的發生發展[4]。 而且在一項跟蹤調查的研究結果顯示,在20 年的隨訪中,飲食中含有最促炎性食物的25%個體與飲食中含最少炎性食物的25%個體相比,患CRC 的可能性要高21%[54]。

2014 年,McAllister 等[55]得出結論,與腫瘤相關性炎癥是腫瘤的第七個標志。 臨床和流行病學證據也表明,慢性炎癥是幾個胃腸道惡性腫瘤(CRC、胃癌、食管癌等)的主要危險因素[56]。 此外,動物和人類研究發現促癌性腸道菌群可能通過多種潛在機制(包括誘導炎癥反應)促進CRC 的發展[57]。 有研究顯示,在慢性腸道炎癥狀態下,腸道菌群改變可促進肝癌進展[58]。 根據以上相關研究,本綜述推測由CMC 和P80 導致的腸道炎癥和腸道菌群的紊亂可能會促進CRC 的發生發展。

3.3 CMC 和P80 改變腸上皮細胞增殖/凋亡水平

在野生型小鼠中, CMC 和P80 攝入后,CyclinD1、CyclinD2 和Ki67 編碼基因的表達顯著失調,而在CAC 小鼠模型中,這些基因的表達進一步失調。 但在無菌小鼠中,這些基因的表達都未改變[5]。 值得注意的是,將小鼠(用CMC 和P80 喂養12 周的野生型小鼠)的糞便懸液經灌胃給予正常的無菌小鼠,發現CyclinD1 和CyclinD2 編碼基因的表達發生改變[5]。 這表明CMC 和P80 誘導的腸道菌群組成改變在促進癌變中起著中心和直接的作用。以上這些結果表明,CMC 和P80 以微生物依賴的方式改變腸上皮細胞的增殖/凋亡水平,進而促進CRC 的發生發展。

根據最近的研究顯示,在CAC 小鼠模型中,CMC 和P80 的攝入會增加腫瘤的大小和數量,促進CRC 的發展。 同時,在野生型小鼠中,CMC 和P80攝入后會增加Ki67 和TUNEL 陽性細胞的數量。 而在CAC 小鼠模型中,CMC 和P80 會進一步顯著增加這兩種陽性細胞的數量[5]。 這表明在炎癥狀態下,CMC 和P80 的攝入更易擾亂腸上皮細胞的增殖/凋亡平衡,從而增加細胞的更新,為腫瘤的發生創造一個合適的環境。

維持慢性增殖的能力是癌細胞最基本的特性之一,某些抗癌藥物(如洛鉑)可能是通過抑制細胞增殖以及誘導細胞凋亡而作為一種抗結腸癌的藥物[59]。 而CMC 和P80 促進腸上皮細胞增殖,擾亂了腸上皮細胞增殖/凋亡水平,可能對CRC 的發生發展有一定影響。

4 小結與展望

本課題組前期研究表明,食品添加劑中的三氯蔗糖會導致腸道菌群失調和腸道屏障受損,并加劇腸道炎癥以及促進結腸腫瘤的發生[60]。 結合以上研究,本綜述推測膳食乳化劑CMC 和P80 可能通過導致腸道菌群失調,改變腸道菌群代謝產物水平或通過破壞腸道屏障,增加細菌入侵,從而導致腸道炎癥和/或改變腸上皮細胞增殖/凋亡水平,促進CRC 的發生發展。 但CMC 和P80 驅動腸道炎癥和CRC 的關鍵細菌種類尚不明確以及改變腸道菌群導致炎癥和CRC 的確切機制也尚不清楚,這都值得進一步深入探索。 我們或許可以通過宏基因組分析和糞菌移植的方法來尋找CMC 和P80 影響CRC的關鍵細菌,從該細菌的特點出發去研究其促進CRC 發生發展的機制等。 此外,我們平時需要注意健康飲食,營造一個良好的腸道環境以減少腸道相關疾病的發生,期望將來可能通過飲食指導以達到預防CRC 的發生或降低CRC 的發病率。