胃腸道微生物群與胃癌關系的研究進展

唐寶元 田彬彬 劉 倩 魏 紅 羅長江

人體胃腸道微生物群是一個主要由病毒、真菌和1000多種細菌組成的微生態系統,其中許多微生物參與了新陳代謝和免疫調節的過程,對維持人體的正常生理功能有重要作用[1]。研究表明,胃腸道微生物群可以通過誘導細胞氧化應激、DNA損傷和慢性炎癥來促進癌變[2]。胃癌是消化系統中最常見的惡性腫瘤之一,在胃癌的病理演變中,腸上皮化生和異型增生是慢性胃炎向胃癌發展過程中的重要轉折點,故稱之為胃癌癌前病變(gastric premalignant condition,GPC)[3]。近年來,越來越多的證據表明,胃腸道微生物群在GPC和胃癌的發生、發展中具有重要作用。其中,幽門螺桿菌感染是胃癌發生最主要的危險因素,但研究表明只有3%的幽門螺桿菌患者最終會發展為胃癌,在某些情況下,即使在根除幽門螺桿菌后仍會觀察到癌癥進展[4]。因此,在胃癌發生中,胃腸道中的其他微生物群可能與幽門螺桿菌發揮協同作用,并且,其他細菌、真菌與病毒也可能與胃癌的發生有關。Coker等[5]研究發現,胃癌與淺表性胃炎,萎縮性胃炎和腸化生等疾病之間微生物多樣性和豐度的差異,表明微生物生態失調也促進了胃癌的發生。本文主要就不同種類的胃腸道微生物群及其代謝物以及菌群失衡與胃癌的關系進行綜述。

一、健康人體的胃腸道微生物群

過去人們認為健康人體的胃是無菌器官,胃部的強酸環境也被認為不利于細菌和真菌的定植,但幽門螺桿菌的發現和培養消除了胃是“無菌器官”的傳統觀念,分子技術的發展也證明了胃內存在多種微生物群落[6]。并且,不同的細菌群落會定植在胃的不同區域,根據豐度不同,可將其分為優勢微生物群落和次級微生物群落[7]。目前,胃腸道微生物群形成的機制尚未得到充分闡明,人們普遍認為幽門螺桿菌感染,長期使用抗生素,質子泵抑制劑等多種因素都可以改變胃腸道微環境并影響微生物群的定植[8]。總體而言,變形桿菌、厚壁菌、擬桿菌、梭桿菌和放線菌門是健康受試者胃微生物群的主要細菌成分,而乳酸桿菌、鏈球菌和丙酸桿菌是胃中最具特征性的細菌屬[9]。

真菌在胃內微生物群所占比例很低,但真菌也是人類胃腸道微生態系統的重要組成部分。研究表明,健康成年人的胃腸道都可以檢測到真菌,人類胃腸道中最常見的真菌屬是念珠菌屬、酵母菌屬和枝孢菌屬[10,11]。胃腸道真菌群落不僅在維持胃腸道穩態發揮著重要作用,還可以與其他腸道微生物相互作用,調節人體免疫系統[12]。由于對真菌菌群的研究較少,人體免疫系統和真菌的相互作用尚未明確。Zhu等[13]研究發現,腸道真菌可以引起細胞炎性反應和腫瘤發生,表明其作為潛在的病原體不容忽視。腸道微生物中病毒的組分主要取決于個體的年齡、生活方式以及是否存在其他微生物群。近年來研究發現,人類皰疹病毒7(human herpesvirus 7,HHV-7)可能與胃上皮細胞中胃蛋白酶原等基因的轉錄和表達增加有關,并且其有助于保護和修復胃腸道黏膜[14]。綜上所述,盡管人們對胃腸道微生態系統的復雜性有了更多的了解,但是,關于胃腸道微生物群調節人體健康和疾病的機制研究仍處于早期階段,需要進一步的研究來解釋胃腸道微生物群在不同胃病中的潛在致病作用。

二、胃腸道微生物群與胃癌的關系

1.細菌:近年來許多研究證實,胃病患者與健康個體的胃腸道菌群在組成、數量和結構方面存在顯著差異,胃腸道菌群的不平衡可以誘發胃炎、胃潰瘍或其他胃部疾病,促進了GPC和胃癌的發展。幽門螺桿菌感染是引發胃癌的主要因素,其通過多種機制引發慢性炎癥,胃黏膜免疫功能抑制和胃酸分泌減少,直接或間接促進GPC和胃癌的發生、發展,根除幽門螺桿菌可以預防胃癌已經成為共識[15]。然而,一些研究指出,根除幽門螺桿菌會引起胃腸道微生物群的組成發生改變,導致人體免疫系統功能減弱,進而促進胃癌的進展。因此,正常胃腸道微生物群的組成和功能的改變也可能會引起胃癌。

研究表明,Ⅱ型固有淋巴細胞(type Ⅱ innate lymphoid cell,ILC2s)維持了胃菌群在人體內的平衡,并且,ILC2s的存在依賴于胃內微生物群。幽門螺桿菌可能會引起胃腸道微環境的改變,導致胃內菌群失調,進而通過維持黏膜表面的慢性炎癥,誘導遺傳毒性來促進胃癌的發展[16]。一項回顧性研究通過16SrRNA測序的方法分析了胃活檢樣本中的細菌成分,研究發現,在根除幽門螺桿菌1年后的胃炎患者中,魯氏不動桿菌、咽峽炎鏈球菌和羅爾斯頓菌增加,而羅氏菌屬和鞘脂單胞菌屬的數量下降,并且在沒有幽門螺桿菌感染的胃炎患者中檢測出不動桿菌屬、羅爾斯頓菌屬、放線桿菌屬和歐文菌屬的富集。研究還發現,胃萎縮和化生的持續進展可能與鏈球菌、細小單胞菌、普雷沃菌、羅思氏菌和粒狀菌等病原微生物的增加有關[17]。上述研究表明,單獨的幽門螺桿菌根除治療并不能防止GPC的發生,胃腸道菌群的改變也會促進GPC和胃癌的發生。

微生物群多樣性與胃癌之間的關系尚在探索中,但已有一些研究表明,微生物菌群失調可能與胃癌的發生有關。目前,最具爭議的問題是幽門螺桿菌對胃腸道微生態的影響[18]。一些研究認為,幽門螺桿菌定植對胃腸道菌群的影響并不明顯。然而,也有研究認為,幽門螺桿菌的定植可以改變胃腸道微環境,使得條件變得適合某些微生物群落,但不再適合原始微生物群落的生存[19]。與慢性胃炎患者比較,胃癌患者中螺旋桿菌和奈瑟菌的豐度明顯降低,而無色桿菌、檸檬酸桿菌、葉狀桿菌、梭狀芽胞桿菌、紅球菌和乳酸桿菌的豐度顯著增加[20]。此外,通過計算生態失調指數發現,與使用單個菌屬比較,生態失調指數可以提高檢測胃癌的敏感度和特異性,這表明微生物群落的改變比單個種屬群的變化更有助于胃癌的發展[18]。綜上所述,幽門螺桿菌是導致胃癌發生的主要細菌,但胃腸道微生態失調也會引起胃癌進展。并且,胃腸道菌群組分和豐度的改變可能與各種胃腸道疾病的發生有關。

2.真菌:雖然真菌菌群在胃腸道腫瘤中的作用仍未得到充分研究,但越來越多的證據表明,腸道真菌菌群失衡與癌癥的發生有關。研究表明,在健康人體中,白色念珠菌與其他真菌和細菌共同維持了胃腸道微環境的穩態[21]。但有研究發現,胃內的白色念珠菌通過降低胃中真菌的多樣性和豐度來介導胃癌的發展,并且,白色念珠菌在胃癌患者中過度定植,具有作為胃癌生物學標志物潛力。此外,有研究發現,缺乏C型凝集素受體dectin-3會觸發異常的免疫細胞代謝和致瘤細胞因子信號轉導,使得白色念珠菌數量增加,直接促進結腸癌的發生和發展。并且,白色念珠菌超負荷引起會小鼠腸道上皮巨噬細胞分泌白細胞介素(interleukin,IL)-7,IL-7可以誘導IL-22的分泌,促進胃腸道炎癥和癌癥發生[22]。綜上所述,真菌可能參與了胃腸道腫瘤的發生和發展。但是,由于對真菌微生物群的分布及其功能知之甚少,因此,需要進一步的研究來解釋胃內真菌的豐度和多樣性的改變對胃腸道疾病中的潛在致病作用。

3.病毒:病毒也是腸道微生物群的一部分,在人體內的比例低于細菌,但已證明病毒在胃腸道內微生物生態系統中穩定存在。病毒可以通過改變在胃腸道微生物的豐度、感染上皮細胞或調節細菌群參與胃腸道癌癥的發病。目前,已知有幾種病毒與癌癥的發生有關,包括巨細胞病毒、人皰疹病毒8、人乳頭瘤病毒、乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒、和愛潑斯坦-巴爾病毒(Epstein-Barr virus,EBV)。其中,EBV是最先被發現與人類腫瘤相關的DNA病毒。據估計,EBV相關胃癌(EBV-associated gastric cancer,EBVaGC)占全球所有胃癌病例的10%。EBV在腫瘤發生中的作用涉及其自身基因的表達和宿主基因組的調節。有研究指出,EBV主要通過與其感染的B淋巴細胞進入胃上皮細胞,隨后,EBV基因組作為游離基因被轉錄為EBER、EBNA1、LMP1、LMP2A、BARTmiRNA和BARF1,其中, EBNA1和LMP2A可以通過宿主抑癌基因啟動子的CpG島甲基化促進腫瘤發生[23]。EBV非編碼RNA(EBV-non coding RNAs,EBERS)通過下調miR-200家族基因,降低E-鈣黏蛋白表達是EBV致癌的關鍵步驟。此外,EBV與幽門螺桿菌在促進慢性炎癥和組織損傷,以及細胞癌變的過程中具有協同作用。

一項前瞻性研究表明,血漿EBV水平是胃癌復發和化療敏感度的良好標志。血漿EBV水平在手術和化療后降低,并在疾病進展期間增加,這些結果表明,EBV在胃癌發展過程中發揮了關鍵作用。EBVaGC具有明確的分子特征,TCGA分析顯示,80%的EBVaGC具有PIK3CA突變,以及JAK2、CD274(PD-L1)和PDCD1LG2(PD-L2)基因的擴增。ARID1A(55%)和BCOR(23%)基因的突變也很常見,而TP53缺陷在這種胃癌亞型中卻不常見。

PD-L1的過表達是EBVaGC的特征之一。有研究發現,PD-L1高表達的EBVaGC細胞強烈抑制T淋巴細胞增殖,并且IFN-γ信號通路參與了PD-L1的表達上調。將EBVaGC細胞與PD-1陽性T淋巴細胞共培養后,EBVaGC細胞周圍的T淋巴細胞生長停滯在了G0/G1期,而用抗PD-L1藥物處理EBVaGC細胞后可以部分消除T淋巴細胞的生長停滯[24]。此外,EBVaGC內高密度的 CD8+T 細胞和低密度的 CD204+巨噬細胞組成的特定腫瘤微環境有助于腫瘤的進展及其免疫抑制[21]。因此,免疫檢查點阻斷治療可能會使EBVaGC患者獲益。綜上所述, EBV通過多種方式促進癌癥發生和發展,EBVaGC是與EBV感染相關的一種獨特胃癌亞型,進一步探索EBV感染在胃癌發生中的具體機制,將為EBVaGC的腫瘤和預防提供有效的線索。

三、腸道微生物代謝產物與胃癌的關系

研究表明,腸道微生物代謝物在胃腸道腫瘤發生和進展過程種具有重要作用,其主要包括包括短鏈脂肪酸 (short-chain fatty acids,SCFAs)、多胺以及N-亞硝基化合物和乳酸。其中一些細菌代謝產物如多胺,可以引起細胞周期的改變,并通過轉錄和表觀遺傳調節免疫反應,在腫瘤發生及其免疫抑制中發揮重要作用[25]。SCFAs主要由不消化的碳水化合物經細菌酵解而成,主要包括丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽,有研究證明,丁酸鹽有利于維持微生物群的穩態和腸道屏障的完整性,可以抑制炎癥和腫瘤的發展。此外,在胃癌早期,脲酶和細菌鞭毛的合成顯著減少,碳水化合物降解減少而糖酵解增強,表明微生物代謝產物可以影響細胞的代謝和正常的生理功能。綜上,微生物代謝產物可以通過多種方式調節細胞的代謝以及人體的免疫反應,進而影響癌癥的發生,進一步的研究可能會為飲食、腸道菌群和癌癥發生之間的關系提供新的理解。

四、展 望

目前,胃腸道微生物群在胃癌病理機制中的研究仍處于早期階段,但研究者已經確定胃腸道微生物群與胃癌的發生機制密切相關。不同的微生物群都可能影響胃癌發生和進一步發展,但環境和宿主遺傳等因素也會影響致癌過程。因此,不能單一分析癌癥患者的腸道微生物群落,而忽略了腸道微生物群與宿主生理功能之間的相互作用。腸道微生物群的作用機制是未來研究的重點方向,通過對胃癌患者的微生物群進行分析,篩選出胃癌中高度特異的微生物群,特殊菌群及其代謝物可以作為胃癌的潛在預后、診斷和治療標志物。此外,根除某些細菌可以帶來短期的療效,但也會導致菌群失衡,促進疾病進展。因此,未來研究應該將胃腸道菌群視為人體微生態系統的一部分,試圖從共生的角度來恢復機體與微生態系統的平衡。