結直腸癌圍手術期治療對腸道菌群影響的研究進展

吳益賓

無錫市人民醫院腔鏡外科，江蘇無錫214000

摘要：結直腸癌是常見的癌癥之一，約占 全球所有新發癌癥病例的10%。附著于腸道上皮的腸道菌群與宿主細胞相互作用，能調 節人體諸多生理過程。現有研究已揭示了結直腸癌患者的腸道菌群組分變化，并在 動物模型中的功能研究已確定腸道菌群在大腸癌發生中的作用。根治性手術是外科治療結直腸癌的基礎，然而 在結直腸癌治療圍手術期的術前腸道準備、抗生素及抑酸劑的應用、化/放療等輔助治療及結直腸癌手術本身和手術帶來的應激反應等影響下，患者 的腸道菌群結構將發生變化，進而 影響結直腸癌患者術后并發癥及長期腫瘤學結果。

關鍵詞：結直腸癌；腸道菌群；結直腸癌手術；圍手術期管理；預后

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2022.10.023

中圖分類號：R735文獻標志碼：A文章編號：1002-266X（2022）10-0093-05

結直腸癌（CRC）是常見的癌癥之一，在全球范圍內，CRC 在2020 年發病率在所有癌癥中排名第三（新發病例超過190萬），死亡率排名第二（死亡人數超過93 萬）［1］。結直腸癌的形成受遺傳和環境因素綜合影響。在眾多環境因素當中，腸菌群對胃腸道生理功能起到重要作用，如能量采集和免疫成熟［2］，腸道菌群結構及豐度的變化可以改變腸道生態平衡，導致腸內和腸外疾病。腸道菌群的早期定植可以極大程度促進免疫系統的發育，能在生命早期調節先天免疫系統，并在很大程度上塑造適應性免疫系統［3］。在健康成人中，每個人獨特的腸道菌群隨著時間的推移相對穩定，但隨著環境、發育和病理變化的產生，腸道菌群組分會出現波動［4］。結直腸癌患者腸道菌群存在明顯生態失調，并且結直腸癌患者在圍手術期接受的各種治療方式均會引起腸道菌群的變化，而腸道菌群紊亂會造成包括增加腸道炎癥反應及有害代謝產物等一系列不良反應。雖然結直腸癌手術治療短期并發癥和長期腫瘤學的預后因素已被廣泛研究。然而，在近年來實驗中，腸道菌群逐漸成為影響結直腸癌發生發展的關鍵因素，其對于結直腸癌手術預后效果的潛在作用引起關注。在根本的根治性手術切除過程中，完整的術前腸道準備、抗生素應用、禁食及放化療等治療措施是結直腸癌治療的關鍵。如腸道菌群對化療耐藥性的相互作用會明顯影響患者的生存預期，明確其中的機制并加以臨床應用特別重要［5］。現就結直腸癌圍手術期治療對腸道菌群影響的研究進展綜述如下。

1 腸道菌群在結直腸癌發生發展中的作用

結直腸癌的發生是一個復雜過程，受遺傳和環境因素綜合影響，具有不同的病原學機制。包括炎癥、免疫調節、飲食成分的代謝和基因毒素產物，與腸道微生物菌群密切相關［6］。

腸道菌群介導的以慢性炎癥為主的免疫反應是結直腸癌公認的危險因素和標志。由于結腸黏膜持續暴露在腸道菌群及其代謝產物的影響下，其對人體免疫系統的刺激有可能導致持續性炎癥。研究表明［7］，在缺乏腸道微生物菌群或微生物產物的情況下，炎癥不足以誘發結直腸癌。腸道微生物群與宿主免疫系統密切相互作用，可以影響胃腸道的炎癥過程。同時胃腸道亦為腸道微生物群和宿主免疫系統之間的干擾提供了重要接口。實驗證明，將結直腸癌患者的糞便灌胃給無菌和致癌物喂養的小鼠導致組織學炎癥反應和炎癥基因標志物的表達增加［8］，這是由于腸道菌群可誘導趨化因子募集T 細胞到腫瘤組織當中，進而導致結直腸癌的發生發展。新陳代謝是宿主和微生物相互作用的關鍵區域。腸道菌群可代謝諸多膳食營養素，包括不可消化的碳水化合物。

與腸道菌群有關的另一種致癌機制是產生具有DNA 損傷（遺傳毒性）效應的毒素。如細胞致死膨脹毒素（CDT）是由腸道菌群產生的特征明確的基因毒素。CDT是由大腸桿菌和彎曲桿菌等腸道菌群產生的，并且通過其脫氧核糖核酸酶活性［9］誘導雙鏈DNA 斷裂而致癌。此外，脆弱芽孢桿菌毒素和糞腸球菌產生的過氧化物與體外DNA 損傷和基因組不穩定性有關。

2 結直腸癌圍手術期治療對腸道菌群變化的影響

2.1 術前機械腸道準備對腸道菌群變化的影響 術前機械腸道準備一直是結直腸手術的常規術前程序，因為其能簡化手術操作難度、便于通過觸診發現小的結直腸腫瘤及減少手術操作過程當中腹腔感染的概率［10］。高通量測序（HTS）和變性梯度凝膠電泳（DGGE）研究顯示，在術前機械準備之后，腸道菌群組成發生了非特異性的瞬時變化。

此外，術前機械腸道準備還會導致外黏液層的顯著破壞，外黏液層作為腸道菌群主要定植部位，其被破壞會導致腸道菌群紊亂。術前腸道準備對腸道菌群的多樣性和豐富度有較大影響。然而，由于腸道菌群的絕大部分為非致病性細菌，受機械腸道準備非特異性影響主要減少的是益生菌群，如雙歧桿菌和乳桿菌，使由正常腸道菌群構成的生物屏障破壞，進而致病菌有機會迅速增殖，主要表現為類桿菌和變形桿菌的豐度增加，而乳桿菌科的數量減少。依據“特洛伊木馬假說”：一些低豐度的病原體，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌或糞腸球菌，由巨噬細胞或中性粒細胞從腸道攜帶到遠處的部位，如外科傷口［11］。其產生的原因可能是腸道菌群能通過募集T細胞來促進手術切口的愈合，而T細胞的募集是通過乳酸發酵刺激迷走神經后釋放催產素來介導的。術前腸道準備、圍手術期抗生素應用及手術應激等導致的腸道菌群紊亂可能會破壞這一機制，從而導致創面愈合不良、皮膚表面微生物（如金黃色葡萄球菌）的感染，以及隨后的術后外科切口感染。

2.2 圍手術期抗生素應用對腸道菌群變化的影響 抗生素的使用極大改善了結直腸手術的結果，特別是預防和控制可能的感染性并發癥。預防性抗生素通常具有廣譜活性而不具有選擇性地針對特定病原體的能力，在圍手術期應用中作用于腸道菌群時，會極大降低腸道菌群多樣性［12］。如靜脈使用抗生素，β-內酰胺類藥物（氨芐西林、頭孢唑林和舒巴坦）的使用在治療早期會導致革蘭陰性菌明顯減少以及腸道菌群多樣性崩潰，繼續使用后會發生天然抗性菌株定植，并重新定植革蘭陽性菌株。圍手術期抗生素治療，即使是短期的，也可能導致對腸道微生物區系有害的現象持續數月之久。抗生素的非特異性抗菌作用會導致腸道菌群失調，可能會使機會性致病菌的大量增殖，可能導致腹瀉和結腸炎等不良反應。結直腸手術后并發腸道上皮損傷的抗生素治療可能促進細菌移位，從而促進全身炎癥和可能的膿毒癥。

除了腸道菌群組成的改變外，在抗生素治療過程當中，腸道菌群的整體能量代謝運輸和代謝膽汁酸、膽固醇、激素等產物的能力均遭到破壞，從而影響宿主生理。正常腸道菌群能夠通過天然免疫的受體，如Toll樣受體（TLRs），通過識別腸道菌群的分子模式與腸上皮細胞相互作用，從而調節宿主反應。菌群代謝產物也有利于腸上皮修復，特別是丁酸鹽等單鏈脂肪酸。丁酸鹽作為膳食纖維的代謝產物，能調節腫瘤細胞的增殖，鞏固腸道屏障，限制致病菌生長，抑制促炎細胞因子釋放，有顯著抗癌作用［13］。其他菌群來源的分子，如甲酰肽，與結腸細胞頂端表面的相關受體結合，即甲酰肽受體（FPR），能刺激活性氧（ROS）的產生和免疫細胞趨化。尤其是過氧化氫（H2O2）已被證明可促進吻合口愈合的各種現象，包括血管化、誘導上皮細胞增殖、黏附和遷移以及介導預防傷口感染的免疫刺激。抗生素影響下的腸道菌群和代謝物對于正確的創面修復具有重要作用，這將很大程度影響結直腸癌患者術后的創口愈合以及吻合口瘺的概率。

2.3 圍手術期抑酸治療應用對腸道菌群變化的影響 在圍手術期進行抑酸治療，如應用質子泵抑制劑、生長抑素及前列腺素E類似物，能抑制胃酸等消化液的分泌，穩定消化道內環境，抑制胃腸道及膽囊的活動。并且抑酸治療被認為能通過各個途徑減少結直腸癌手術的術后并發癥，主要有抑制炎癥反應、減少消化液分泌、減輕腸管和吻合口壓力、穩定內環境及改善吻合口血供等。

質子泵抑制劑（PPI）作為最為常用的抑酸劑，與其最廣泛聯系的并發癥即艱難梭菌感染風險增加，艱難梭菌感染會改變正常的結腸菌群并引起偽膜性結腸炎或非結腸炎腹瀉。有研究證明，艱難梭菌感染是結直腸癌術后吻合口瘺的相關危險因素，在預防結直腸癌手術患者的吻合口瘺時應予以考慮［14］。在未免疫受損或嚴重虛弱的患者中，與抗生素聯用的益生菌是針對艱難梭菌安全有效的預防措施。

有研究證明使用PPI 患者腸道內鏈球菌科和腸球菌科的豐度明顯上升，而作為共生抗炎微生物的糞桿菌則明顯減少。同時可能會增加多重耐藥菌在腸道定植的風險，在抑酸治療過程中腸桿菌目的多藥耐藥菌和耐萬古霉素腸球菌在腸道定植的幾率明顯增加［15］，其原因有可能是PPI 抑制胃酸分泌，從而使消化系統中由上消化道到達腸道遠端的細菌存活幾率增高，繼而改變腸道遠端菌群結構，引起腸道菌群紊亂［16］。臨床應用結果表明PPI 是通過降低腸道對機會致病菌的定制抵抗力以及腸道屏障的完整性來影響腸道菌群結構，這將極大程度影響結直腸癌患者的并發癥的發生及術后恢復的效果［17］。

2.4 圍手術期禁食對腸道菌群變化的影響 術前禁食可降低胃容積和酸性，從而降低全身麻醉過程中胃內容物誤吸的風險，術后常規的臨床飲食策略是在有明顯的腸活動征象（如腸鳴音、排氣、排便）后才恢復經口進食，故在結直腸癌圍手術期常存在術前至術后的長時間禁食過程。在包括術前機械腸道準備、抗生素及抑酸劑的應用、結直腸癌手術壓力及應激作用下，結直腸癌患者腸道菌群結構會產生極大變化，而飲食作為腸道菌群結構重塑的關鍵因素，決定了禁食時間長短將會影響結直腸癌患者術后腸道菌群的恢復速度［18］。麻醉藥物的應用、術后長期禁食，可能會導致免疫系統功能下降以及腸道菌群結構變化，導致腸道內的致病菌無法被正常腸道菌群所平衡，進而產生更高的術后感染率，而術后早期給予腸內營養支持可減少感染性并發癥的發病率。

2.5 圍手術期放療對腸道菌群變化的影響 在結直腸癌患者的治療過程當中，放療是不可或缺的治療方式，如術前應用放化療可有效減輕患者腫瘤負荷，給予患者更好的治療體驗如保肛手術的實施。然而在對腫瘤組織的破壞以外，放療所具有的毒性對健康組織，特別是活躍增殖組織的損害，易導致造血系統綜合征和胃腸道輻射損傷等作用［19］。腸道的急性變化是由輻射對快速增殖的上皮細胞的細胞毒性作用介導的，電離輻射激活凝血系統，導致潰瘍，使下層組織暴露于腸道細菌，并增加炎癥反應。在放射性直腸炎模型中，輻射通過增加變形桿菌的豐度和減少擬桿菌和厚壁菌的多樣性，誘導受輻射小鼠黏膜微生物區系的局部生物失調。微生物群的這種變化與輻射后的組織損傷有關。這組微生物群誘導了炎性細胞因子的產生，如白細胞介素-1β 和TNF-α［20］。

此外有研究發現，放療還是導致吻合口瘺發生率升高的獨立因素：對于接受放療的患者，放療引起腸道菌群結構改變是術后吻合口瘺概率升高的重要因素，表現為放療后治療部位致病菌株的豐度增加，益生菌減少［21］。這是由于腸道菌群相關的Toll樣受體激動劑和先天免疫系統信號通路可顯著影響輻射暴露后的腸上皮細胞凋亡和存活，因此輻射后腸道菌群紊亂對于吻合口腸道組織的修復有不利影響。此外，由此產生的腸道黏膜炎癥、血管損傷和上皮細胞凋亡可能導致致病菌的增殖。有研究發現，糞菌移植（FMT）改善了胃腸道功能和腸上皮完整性，并提高了受照射小鼠的外周白細胞計數，這表明FMT可以作為減輕輻射誘導的毒性并改善患者放療后的預后的一種治療方法［22］。

2.6 圍手術期化療對腸道菌群變化的影響 根治性手術聯合輔助化療是針對多數結直腸癌患者的主要治療方案，晚期結直腸癌采用三種主要化療方案，包括卡培他濱聯合奧沙利鉑（CapeOx）、5-氟尿嘧啶（FU）-亞葉酸鈣治療聯合伊立替康（FOLFIRI 方案）或奧沙利鉑（FOLFOX方案）［23］。5-FU還被發現直接影響人類患者腸腔微生物群的組成，表現為類桿菌相對豐度增加，埃希菌屬豐度/志賀菌屬豐度值降低。根治性手術和各種化療藥物可明顯改變結直腸癌動物模型和患者的腸道微生物群，反映腸道環境的改變。

其中CapeOx 方案被發現在一定程度上降低了促癌菌（糞腸球菌）和某些病原菌（大腸桿菌—志賀氏菌、摩根氏菌和變形桿菌）的豐度［24］。糞腸球菌是一種兼性致病菌，經常會引起嚴重感染，尤其是在醫院環境中，還可通過產生活性氧并通過活化的巨噬細胞產生旁觀者效應來間接促進結直腸癌的進展。摩根氏菌與腹部切口感染和相對嚴重的膿毒癥有關，而變形桿菌能導致繼發感染，特別是尿路感染，這意味著化療也許可一定程度上預防這些并發癥［25］。然而，在5個化療周期后，受影響腸道菌群豐度逐漸恢復，有時甚至顯示出“反彈效應”，數量恢復到初始水平，當腸道微生物適應環境挑戰時，特定腸道菌群可能會對化療藥物產生耐藥性［26］。此外，化療藥物已被證明可減少乳桿菌的數量，而乳桿菌在預防和治療炎癥性腸病方面的安全性和有效性方面已得到證實。腸道菌群干預（如益生菌或益生元）可能對接受根治性手術聯合化療的結直腸癌患者預后有很大益處。

2.7 結直腸癌手術對腸道菌群變化的影響 除了術前機械腸道準備、化/放療、抗生素及抑酸劑的應用等因素外，結直腸癌手術本身及手術帶來的應激反應的作用，亦會作用于腸道菌群，使腸道菌群結構發生顯著變化。進而改變患者腸道情況，影響患者術后恢復及短期并發癥及長期腫瘤學結果［27］。

與健康人和術前結直腸癌患者相比，術后結直腸癌患者糞便菌群的總體多樣性顯著降低。研究結果表明接受結直腸癌手術治療的患者中擬桿菌屬和厚壁菌屬減少，變形菌屬增加，可能會導致腸道炎癥［28］。另一項研究顯示，根治性手術不僅切除了腫瘤病灶，還消除了定植于腫瘤的相關細菌（如腸球菌與梭桿菌），有助于預防結直腸癌的復發。然而，結直腸癌患者術后屬于專性厭氧菌的益生菌（類桿菌、雙歧桿菌、費卡利菌、副桿菌和普雷沃特氏菌）的數量有所減少，并且丁酸產生菌（芽孢桿菌、雙歧桿菌、巴氏桿菌）減少，條件致病菌（包括大腸桿菌和鏈球菌）增加［29］。因此，大腸癌手術后腸道菌群紊亂可能會促進結直腸癌患者的炎癥反應，同時導致并發癥與腫瘤學后果。核梭桿菌能夠侵入人體腸上皮細胞，激活β-catenin 信號傳導，誘導致癌基因表達，并通過FadA 黏附毒力因子促進結直腸癌細胞的生長。并且脆弱芽孢桿菌被發現與結直腸癌術后患者的無病存活率和總存活率降低有關。尤其是產腸毒素脆弱芽孢桿菌在腺瘤或低度結直腸不典型增生中存在更高的豐度［30］。

此外，在術后腸梗阻患者體內發現白細胞介素-6 和白細胞在腸道組織浸潤水平升高，表明手術創傷帶來的炎癥作用影響腸道功能恢復，而選擇微創手術后腸梗阻持續時間縮短［31］。腸道菌群與免疫系統的相互作用對患者術后腸梗阻具有潛在影響，其機制可能是由于腸道菌群激活的腸道巨噬細胞作用于腸道神經系統引起腸道蠕動功能障礙。

綜上所述，結直腸癌患者在圍手術期會受到各方面的壓力，包括術前腸道準備、抗生素及抑酸劑的應用、禁食等，這些措施會導致結直腸癌患者術后整個恢復進程中的腸道菌群紊亂。而結直腸癌患者術后腸道菌群的結構變化深刻影響著患者在圍手術期的短期并發癥、化療應用及長期腫瘤學結果，對患者的術后生活質量及生存有重要影響。