菌群代謝物在結直腸癌轉移中作用及機制研究進展

黃鑫源 張澍田

(首都醫科大學附屬北京友誼醫院消化內科 國家消化系統疾病臨床醫學研究中心 北京市消化疾病中心 消化疾病癌前病變北京市重點實驗室，北京 100050)

結直腸癌(CRC)是全球最常見的癌癥之一，每年有超過185萬的新發病例和85萬死亡病例〔1～3〕，但就其發病率和死亡率而言在世界常見癌癥中位居第二〔4〕。CRC的發病多是散發性的，患者人群主要為老年人〔5〕。CRC起源于結直腸上皮細胞，病因尚不清楚，但是觸發疾病的因素有很多，如遺傳、飲食習慣和生活環境等〔6〕。根據流行病學調查，遺傳因素導致的疾病只是CRC病例的小部分，而飲食習慣和生活環境導致的CRC占據了大多數〔7〕，遷移到西方國家或采用西方生活方式的人群患CRC的風險增加，表明了CRC是由宿主與環境相互作用導致的疾病〔8,9〕，并且病程較長，發展到癌癥階段往往需要數十年時間。許多研究發現腸道菌群及其代謝產物對人類健康影響重大，可以通過調節機體的免疫反應、遺傳損傷和凋亡在宿主生理和疾病(如癌癥)中的作用〔8,10〕。宿主飲食影響腸道微生物群落及其代謝產物，使微生物及其代謝產物成為環境與宿主身體健康狀況的“橋梁”，如在受環境因素影響較大的CRC發生和發展中，腸道微生物及其代謝產物發揮重要作用〔10～12〕。

人體的腸道菌群分布并不均勻，結腸和直腸是定植菌體最多的部位，菌群及其代謝產物在CRC的研究屬于較活躍的領域。并且越來越多的研究發現腸道菌群及其代謝產物強烈影響宿主的免疫系統〔13,14〕。在菌群的代謝產物中，次生膽汁酸、乳酸、氧化三甲胺(TMAO)、N-亞硝基的化合物(NOC)、4-羥基苯乙酸(HO-PAA)和苯乙酸(PAA)等與CRC進展有關的代謝物相比，短鏈脂肪酸(丁酸、丙酸、乙酸和煙酸)等代謝物對宿主抵抗CRC具有保護作用〔15〕。人體的飲食或環境產生變化后，可能會導致機體與微生物之間的生態平衡失調，進而產生一些對機體有害的次級代謝產物而推動CRC的發展。相對于CRC發生的漫長過程而言，CRC的轉移比較迅速，確診時往往已是晚期。CRC轉移機制較復雜，目前尚沒有明確解釋，在菌群的代謝物中，一些可能在結腸癌轉移中發揮潛在作用，比如NOC和乙醛等〔16〕，為CRC轉移的機制研究提供了新思路。因而本研究主要綜述微生物群代謝物在CRC轉移中的作用及機制，為CRC轉移診斷的治療提供支持。

1 腸道菌群和CRC轉移

腸道中微生物數量比人體細胞數量多10倍，細菌編碼的基因總數是人類基因組的150倍〔17〕，這些菌群與機體的生態失衡，最先可能導致炎癥反應，進而出現不典型增生，最后發展成為癌癥〔18〕。腸道菌群與CRC關系的發現得益于測序技術的發展，Kostic等〔19〕通過測序技術發現厭氧細菌核梭桿菌在CRC中高表達，隨后研究發現腫瘤組織及糞便中細菌的多樣性減低，其中變形菌門、梭菌門和黏膠球形菌門在糞便樣本中增多，但是厚壁菌門和放線菌門明顯減少〔20,21〕。而在CRC組織中梭桿菌屬、胃鏈球菌屬、卟啉單胞菌屬、普雷沃菌屬、細小桿菌屬、擬桿菌屬和孿生球菌屬顯著富集〔22〕，而氏菌屬、梭菌屬、糞桿菌屬和雙歧桿菌屬則顯著減少〔21〕。這種腸道菌群多樣性的減低導致菌群環境惡化，刺激腸道上皮細胞激活核轉錄因子(NF)-κB通路驅動炎癥反應〔23〕。研究報道稱炎癥和腸道菌群是通過雙向關系緊密聯系的，一方面白細胞介素(IL)-33可以激活B細胞產生免疫球蛋白(Ig)A，維持腸道微生物群的穩態，另一方面腸道菌群的重塑可以激活IL-1α的釋放，誘導結腸炎和炎癥相關腫瘤的形成〔24,25〕，這種由菌群失調導致的長期慢性輕度炎癥伴隨著衰老的進程是老年CRC發生的主要原因。

CRC的轉移主要是癌細胞表型發生改變進而導致癌細胞獲得侵襲性，這種表型的改變主要是上皮-間質的轉化(EMT)〔26〕，EMT是一種進化上比較保守的發育過程，通過增強移動性、侵襲性和對凋亡刺激的抵抗，賦予癌細胞轉移特性。多種激酶介導的信號通路參與EMT和轉移，其中一些是由細菌感染啟動的，比如IL-10缺失的小鼠模型中，屎腸球菌可以通過轉化生長因子(TGF)β-1/Smad信號通路打破上皮細胞穩態，造成EMT 導致結腸癌轉移〔27〕。不僅如此，也有研究曾報道腸道微生物可以刺激組織蛋白酶K分泌Toll樣受體(TLR)4依賴性的M2巨噬細胞極化，促進CRC的腫瘤轉移〔28〕。具核梭菌則可以通過長鏈非編碼RNA(lncRNA)EVADR〔29〕或激活NF-κB途徑的感染上調角蛋白(KRT)7〔30〕促進結腸癌的轉移。

2 菌群代謝物和CRC轉移的機制

腸道細菌不僅可以直接與細胞相互作用參與宿主的生物學功能，還可以通過腸道菌群合成大量的代謝物或生物活性化合物參與疾病或正常生理的發生。腸道菌群代謝物組成主要包括揮發性小分子、脂類、蛋白質和多肽、糖類、次級膽汁產物或萜類、生物胺、低聚糖、糖脂、有機酸和氨基酸等〔9,31〕，這些代謝物可以導致機體持續處于炎癥狀態。目前已有研究報道腸道微生物代謝物和結直腸腫瘤的轉移相關，如一些有害微生物衍生代謝物：TMAO、硫化氫(H2S)、NOCs等，這些代謝物一旦通過黏膜屏障可直接作用于腸上皮或間質細胞的免疫應答，觸發腫瘤壞死因子(TNF)、IL-17等促炎癥信號而促進CRC的進展〔9,15,32,33〕。也有研究通過動物模型驗證了腸道菌群代謝物促進基因毒性因子釋放，干擾宿主免疫系統而影響CRC的進展〔34,35〕。不僅如此，菌群代謝物更容易通過黏膜移位，調節癌癥耐受性和進展。也有研究表明，結腸癌的發生和轉移不僅與有害代謝物的增高有關，還可能與一些有益的菌群代謝物如丁酸鹽、短鏈脂肪酸、次級膽汁酸、多胺、吲哚、甲胺、多酚、維生素等相關〔15,32,36〕，研究證明其可抵抗CRC。這些保護性菌群代謝物的減低也是導致CRC發生和發展的重要因素。

菌群代謝物與CRC轉移的關系已經有多項研究報道〔28,37,38〕，但是相關轉移機制目前尚不清楚。CRC轉移中常見的短鏈脂肪酸包括醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，丁酸可進入腫瘤細胞的細胞核，作為組蛋白去乙酰化酶抑制劑，阻斷腫瘤細胞的增殖〔39〕。丁酸鈉可以降低小鼠肝臟IL-10的分泌，增加IL-17的分泌而改善宿主的免疫應答，降低結腸癌的肝轉移〔40〕。植物乳酸菌代謝物YYC-3可以通過抑制血管內皮生長因子(VEGF)/基質金屬蛋白酶(MMPs)信號通路抑制結腸癌細胞的轉移〔41〕，此外Norouzi等〔42〕報道乳酸鏈球菌的代謝物乳鏈菌肽，可以通過減弱抑制結腸癌細胞轉移的轉移基因MMP2和癌胚抗原(CEA)的表達而抑制結腸癌轉移。在CRC組織中有大量的脂多糖(LPS)，通過阻斷腫瘤內的LPS，顯著緩解了免疫抑制的微環境，促進細胞程序性死亡-配體(PD-L)1單體抗體治療CRC效果，減弱了CRC的肝轉移〔43,44〕。牛磺酸以劑量依賴的方式調節EMT相關基因的表達水平，還可以通過抑制細胞外調節蛋白激酶(ERK)/核糖體S6激酶(RSK)信號通路減輕低牛磺酸誘導的CRC的肝轉移〔45〕。有研究表明去氧膽酸(DCA)能加速CRC細胞的增殖和轉移，但是具體機制尚不清楚〔46〕。這些代謝物與CRC轉移之間關系的研究為代謝、信號轉導和腫瘤病理生理學之間的相互作用提供了證據，也為CRC轉移的早期診斷和治療提供了新思路。

綜上，CRC是一種病因、發病機制和轉移機制都比較復雜的老年相關性疾病，腸道菌群與CRC的發生和發展都有著密切聯系。當宿主腸道菌群失調后，腸道益生菌減低而致病菌增多，腸道菌群多樣性減低而導致刺激腸道出現炎癥。菌群代謝產物TMAO、次級膽汁酸、H2S和NOCs作為重要的信號分子，介導微生物與宿主之間的交互作用，在CRC發生過程中發揮著重要作用。另外，丁酸鈉、YYC-3、乳鏈菌肽和LPS在CRC的轉移中有重要意義，但是這些代謝物與CRC相互作用的深入分子機制及代謝物之間的直接協同作用仍有待闡明。還有一些有爭議的研究，比如部分有害代謝物雖然同時具有抗癌和促腫瘤的特性，但這取決于許多因素如腔內濃度、結腸停滯的持續時間、與其他代謝物的相互作用及腫瘤的發展階段等。目前關于某些代謝物對CRC確切影響的證據有限，因此闡明腸道微生物來源代謝物和結腸之間的確切機制對于理解代謝物在人類CRC發生和轉移中的作用至關重要，對于菌群代謝物的研究有助于CRC診斷和治療的新策略。