肠道菌群失调与结肠癌发生发展之间关系的研究进展

王 生，黄晓星，余鹏飞，徐小涛，王一飞，刘 莉，3，梅其炳，3

(1.中国医药工业研究总院，上海 200040;2.上海医药工业研究院创新药物与制药工艺国家重点实验室，上海 200437;3.上海市生物物质成药性评价专业技术服务中心，上海 200437;4.第四军医大学西京消化病医院，陕西西安 710032)

随着2007年NIH人类微生物组项目(Human Microbiome Project，HMP)和2008年欧盟“人类肠道元基因组计划”(Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT)的启动，肠道菌群在生命活动进程中的作用已经成为国际研究的热点。肠道菌群稳态在促进宿主营养物质消化吸收、维持肠道正常生理功能、调节机体免疫以及拮抗病原微生物定植等方面有重要的生理意义［1］。一旦肠道内环境发生改变，肠道菌群平衡状态被破坏，则引发消化系统疾病、内分泌系统疾病、心血管系统疾病、中枢神经系统疾病、类风湿性关节炎等。其中，结肠癌的发生、发展与肠道菌群失调之间的关系及其作用机制是我们课题组关注的主要问题。

流行病学调查发现，结直肠癌高发区与低发区人群肠道菌群组成方面有很大差异，不同饮食习惯的人群，肠道菌群构成截然不同，同样地，患结直肠癌的危险性也不同，提示肠道菌群的变化与结直肠癌的发生、发展密切相关［2］。首先，在结肠部位肠道菌群分布密度最高，肠道菌群稳态一旦失衡，对于结肠疾病的发生具有非常重要的诱导作用。其次，肠道菌群失调引起肠道胆汁酸代谢紊乱、短链脂肪酸含量减少、肠黏膜免疫功能失调，促进结肠上皮增生和对致癌物的易感性增加;同时，胆汁酸在肠道细菌的作用下产生环戊烯菲的致癌代谢物，增加肠胺浓度，引起结肠癌的发生。目前，针对两者之间关系的研究已经取得部分进展，但是，对肠道菌群失调的引发因素、肠道菌群失调引发结肠癌的分子机制尚无系统明确的认识。对于能否通过调节肠道菌群的失衡状态达到防治结肠癌的目的，仍需要开展大量的研究工作。本文就近年来国内外有关这方面研究的热点、关注的问题及发展的前景作一综述，为结肠癌研究工作者及临床医生提供借鉴。

1 肠道菌群失调方式及引发因素

研究资料表明，肠道菌群失调包括肠道菌群种类、数量的改变，同时肠道菌群移位也是肠道菌群失调的重要方式。肠道菌群是一个庞大复杂的生态系统，在健康状态下，益生菌和致病菌保持平衡状态，但机体的内、外环境发生变化，益生菌通过基因转移作用转变为致病菌，导致益生菌种类(Tab 1)、数量减少，致病菌(Tab 2)则趁机大量繁殖，进而引发菌群失调。另一种方式则是肠道内细菌及其产物LPS透过肠道黏膜屏障转移到肠道以外的组织器官甚至血液，进一步引发肠道菌群失调［3］。

Tab 1 Main probiotics in intestinal［4］

1.1 肠道菌群构成改变引发菌群失调 肠道菌群的稳态很大程度上依赖于肠道菌种类和数量的相对稳定，但是宿主年龄、饮食、抗生素类药物、某些疾病状态均会影响肠道菌群的构成，进而引发菌群失调。老龄阶段，肠道菌群多样性逐渐衰退，益生菌数量减少，可能与机体功能退化和老年病高发生率有一定的关系。除了年龄因素，饮食是决定肠道菌群多样性的最重要因素之一，Hekmatdoost等［6］发现，高脂肪饲料喂养的小鼠，粪便中拟杆菌门数目增多，而益生菌数目减少。同时，有研究发现，高脂饮食可使大鼠肠道乳酸杆菌和双歧杆菌明显降低，拟杆菌门和梭菌属菌落增多［7］。

Tab 2 Main pathogenic bacteria in intestinal［5］

某些疾病状态与肠道菌构成的改变关系十分紧密。Turnbaugh等［8］对肥胖和正常的同异卵双胞胎肠道微生物宏基因组测序发现，肥胖个体中厚壁菌门比例明显上升，而拟杆菌门则明显降低。Larsen等［9］发现，糖尿病患者肠道中的厚壁菌门和梭菌的比例要比正常人高得多，β-变形菌纲的比例也明显升高，而双歧杆菌和乳酸杆菌的数量减少，并与血糖浓度相关。除了疾病因素引发菌群失调，Edlund等［10］发现，青霉素类药物可以引起具青霉素抗性的肠杆菌过度生长，而头孢类药物则会减少肠杆菌的数目，造成肠球菌的生长旺盛。

1.2 通过肠道细菌移位引发菌群失调 正常状态下，肠道菌群分布在消化道内，但是在肠道黏膜组织损伤情况下，黏膜上皮细胞的通透性增加，会引起细菌移位的发生，最终导致肠道菌群失调。各种创伤、大出血、心源性或感染性休克发生时，机体为保护心、脑等重要脏器，血液重新分布，肠黏膜及黏膜下层血流减少，黏膜上皮细胞坏死，为细菌移位创造了条件。此外有研究报道［11］，肠黏液中分泌型免疫球蛋白sIg A减少是导致细菌移位发生的重要原因。大量动物实验发现［12］，多种细胞因子如C干扰素(INF-C)、白介素4(IL-4)、肿瘤坏死因子A(TNF-A)、血小板活化因子(PAF)、氧自由基等均能增加实验动物肠上皮细胞的通透性，促进肠道菌移位。

2 肠道菌群失调与结肠癌的发生发展密切相关

诸多研究证实，结肠癌人群与健康人群肠道微生物构成存在差异，表现出明显菌群稳态失衡。Scanlan等［13］对结直肠癌和腺瘤性息肉病患者肠道菌群构成进行分析，结果发现，结直肠癌及腺瘤性息肉病患者肠道菌群多样性和优势菌群降低，但柔嫩梭菌和球形梭菌明显增加。Sobhani等发现，结直肠癌人群中肠道拟杆菌门和普里沃菌属较健康对照组增多。同时有研究表明，肠道菌群组成在肠息肉和结肠癌病人恶性转化发生之前和早期已经发生改变，提示肠道菌群结构组成的改变可能对结肠癌的发生有促进作用。目前，已知的可能与结直肠肿瘤有关的肠道菌株主要有拟杆菌属的某些种(如脆弱拟杆菌、多酸拟杆菌、柠檬酸杆菌、肝螺杆菌)、牛链球菌、败血梭菌、丁酸梭菌、大肠埃希菌的某些种、链球菌属如唾液链球菌、血链球菌和粪肠球菌等。

结肠癌发生、发展过程中涉及众多环节，目前对其机制尚无清楚的认识。结直肠癌被认为是多因素疾病，涉及到遗传、免疫、环境因素、饮食和生活习惯，所有这些因素与肠道菌群相互作用，改变肠道菌群的结构组成和功能，诱发肿瘤的形成和增殖。动物实验证实，肠道菌群失调是诱发结肠癌的关键因素。研究发现，无菌动物结肠炎和结肠癌的发生率明显降低甚至不发生，但是一旦将失调的肠道菌群移植到无菌动物体内，这些动物免疫功能就会降低，结肠炎和结肠癌的发病率也会随之明显上升［14］。这些研究进一步印证肠道菌群改变会促进结肠癌的发生。肠道菌群介导结肠癌的发生、发展与菌群生态失调激活的下游信号分子密切相关，此外，肠道菌群代谢活性的改变也是引发结肠癌重要的方式。

3 肠道菌群失调引起结肠癌发生发展的机制

肠道菌群失调和结肠癌形成及恶化过程之间的关系已经引起国内外研究者的广泛关注，对于肠道菌群失调介导结肠癌的发生有了一定的认识。目前认为，导致结直肠肿瘤发生、发展的机制主要有以下二个方面:①肠道微生物紊乱使肠道黏膜促炎症反应信号传导机制异常，导致肠道黏膜上皮损伤加剧，最终出现瘤形成和恶变;②某些肠道微生物在参与营养物质代谢过程中的产物对肠道上皮细胞具有毒性作用，受损肠道黏膜上皮的不完全修复可导致其致瘤性化。

3.1 炎性微环境介导的炎性通路的活化促进结肠癌的发生发展 国内外研究者对于肠道菌群失调介导结肠癌发生的机制研究，发现菌群失调状态下，炎性微环境发挥非常重要的作用。研究表明［15］，很多消化系统肿瘤诱发于慢性炎症条件下，如果去除感染性的致病菌，同时辅以抗炎药物治疗，可以预防炎症癌变。肠道菌群失调介导的慢性和低炎症状态容易刺激肿瘤的形成，主要与免疫细胞及其产生的细胞因子有关。微环境中的免疫细胞及其产生的细胞因子、生长因子激活相关的信号通路，如Wnt、Notch、TGF-β等，影响结肠黏膜上皮细胞的自我更新;激活转录因子NF-κB和STAT3，影响结肠组织修复和免疫稳态;激活通路MAPK和 Akt/PKB，影响结肠细胞的有丝分裂和生存［16］。

此外，研究发现菌群失调会释放大量的细菌毒素，诱发结肠炎等炎性肠病，肠道屏障功能的损伤会引起非致病性细菌的转位，进而影响免疫系统稳态，使其向致癌相关的免疫反应转变，进而诱导结肠癌的发生［17］。细菌毒素与模式识别受体特异性结合，如Toll样受体(TLRs)和Nod样受体(Nod-like receptors)，激活相应的信号通路，引起趋化因子、炎性因子和抗菌肽的表达，促进肿瘤细胞增殖、抑制肿瘤细胞凋亡、抑制抗肿瘤免疫反应、促进肿瘤细胞的侵袭转移、肿瘤血管新生等恶性生物学行为，进一步促进结肠癌的恶化［18］。

3.2 肠道菌群失调引起细菌代谢能力改变可以诱导结肠癌的发生 肠道菌群失调后，某些细菌代谢能力发生改变，使代谢产物与正常稳态相比大不相同，研究资料表明，结肠癌的发生与细菌代谢水平的改变密切相关。研究发现，结肠癌和肠息肉患者缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、谷氨酸盐、酪氨酸水平比健康对照组明显升高，而甲胺水平低于健康对照［19］。Chan等［20］发现，脂质、葡萄糖、聚乙二醇脂在结肠癌黏膜层水平低于正常结肠黏膜组织，然而，含胆碱化合物、牛磺酸、鲨肌醇、甘氨酸、乳酸盐、磷酸氨基乙醇和磷酸胆碱在结肠癌黏膜中水平升高。

肠道菌群失调后，代谢能力的改变归因于肠道厌氧菌产生一系列的代谢酶，这些酶作用于不同的底物，如胆汁酸、脂肪酸等，产生致癌物质，进而引发结肠癌。综述近3年国内外相关综述，细菌代谢产生的致癌毒物主要包括硫化氢、活性氧族ROS、次级胆汁酸等。研究发现，结肠癌患者体内硫化氢含量明显高于健康者，同时，结肠癌患者结肠组织对硫化氢的解毒能力减弱。硫化氢诱导结肠癌的形成主要通过诱导DNA损伤、自由基释放、结肠黏膜炎症、结肠黏膜过度增生，同时抑制细胞色素氧化酶、丁酸盐利用、黏液合成和DNA甲基化［21］。其次，活性氧族氧化损伤持续地诱导DNA突变是诱发结肠癌最重要的因素之一，同时，ROS可以诱导结肠癌的侵袭和增殖［22］。然后高水平的粪便胆汁酸已经被证实与人类结肠癌高发人群密切相关。肠道菌可以产生次级胆汁酸，尤其是高脂饮食的条件下，梭菌属通过7a脱羟基作用，产生次级胆汁酸，次级胆汁酸影响有丝分裂过程，诱导DNA损伤，并且可以诱导ROS的产生，增加结肠癌的发生风险［23］。

4 调节肠道菌群可以预防治疗结肠癌

流行病学调查和基础研究资料表明，益生菌具有抗肿瘤效应，主要与调节肠道菌群、增强机体免疫能力、直接抑制肿瘤相关分子有关。有研究者认为，人类自身基因组相对稳定，而共生微生物的基因组则更为灵活，可以通过定向调节肠道菌群基因组，达到预防治疗的作用。体内研究发现，益生菌有良好的抗肿瘤效应，大鼠给予长双歧杆菌后，结肠的癌前病变(隐窝异常病灶)降低 25% ～50%［24］。另一项对37名结肠癌患者和43名多发性结肠息肉切除患者使用合生元、乳杆菌LGG和双歧杆菌 BB12的研究，发现患者粪便中保加利亚杆菌和乳酸菌增多，而产气荚膜梭菌却明显减少，降低了患者外周血单核细胞和活化的辅助性T细胞IL-2的分泌，增加了结肠癌患者IFN-γ的分泌［25］。体外研究亦发现益生菌能够影响结肠癌细胞的增殖、凋亡和黏附等恶性生物学行为，乳酸菌衍生的聚磷酸酯可以诱导结肠癌细胞凋亡，聚酵素芽孢杆菌能够黏附在结肠腺癌细胞表面，剂量依赖性地抑制结肠癌细胞的增殖，青春双歧杆菌可以抑制HT-29、SW480、Caco2三种结肠癌细胞的增殖，改变细胞形态［26］。

诺贝尔奖获得者Lederberg形容人体是一个由人体自身细胞与微生物细胞共同构成的“超生物体”，同时，有部分研究者提出人类自身基因组相对稳定，而肠道微生物基因组则相对灵活，可以通过食物及药物进行定向调节，改变肠道菌群的结构组成及代谢，以影响宿主的自身代谢，达到预防治疗的作用［27］。由此可见，肠道菌群对人类健康的重要性和其在诊断治疗疾病方面的潜在巨大的研究价值已经被广大研究者接受和认同。

恶性肿瘤的发生、发展与肠道菌群失调之间有着非常紧密的联系，研究发现，肿瘤组织中细菌的浓度远远高于正常组织，细菌可以特异性的在肿瘤病灶部位聚集定植。肿瘤缺氧微环境为厌氧菌的生长提供良好的条件，同时肿瘤组织异常的血管和组织间隙高压限制免疫成分(粒细胞、抗体、血清补体等)随血流进入，保护细菌逃避机体的免疫杀伤，成为细菌的免疫避难所［28］。由此可见，肿瘤组织特殊的微环境组成将导致大量的细菌生长，而过度增殖的细菌可以通过与肿瘤细胞竞争性争夺营养从而抑制肿瘤的生长，同时细菌某些特殊的代谢产物可以直接抑制肿瘤细胞的增殖和诱导肿瘤细胞凋亡，或许可以通过调节肠道菌群达到治疗恶性肿瘤的目的。Coley等的研究发现印证这一观点，Coley发现感染急性链球菌的肉瘤患者的肿块缩小，从而开启了运用细菌或细菌提取物治疗肿瘤的历史。伴随着生活水平的提高，肥胖引发肠道菌群失调，继而诱使结肠癌的高发生率亟需预防和治疗的方法，因此，基于调节肠道菌群探索结肠癌治疗的方法和作用机制是我们课题组关注的主要问题，希望通过这一探索研究为基于肠道菌群的药物开发和临床结肠癌的治疗提供一定的理论参考。

［1］Hooper L V，Littman D R，Macpherson A J.Interactions between the microbiota and the immune system［J］.Science，2012，336(6086):1268-73.

［2］Ma X，Hua J，Li Z.Probiotics improve high fat diet-induced hepatic steatosis and insulin resistance by increasing hepatic NKT cells［J］.J Hepatol，2008，49(5):821-30.

［3］吴夏飞，连娜琦，陆春风，等.肠道菌群对慢性肝脏疾病影响的研究进展［J］. 中国药理学通报，2013，29(12):1644-7.

［3］Wu X F，Lian N Q，Lu C F，et al.Research progress on effect of intestinal flora on chronic liver diseases［J］.Chin Pharmacol Bull，2013，29(12):1644-7.

［4］Parvez S，Malik K A，Ah Kang S，Kim H Y.Probiotics and their fermented food products are beneficial for health［J］.J Applied Microbiol，2006，100(6):1171-85.

［5］Zhao Y，Ye M Q，Chao Q G，et al.Simultaneous detection of multifood-borne pathogenic bacteria based on functionalized quantum dots coupled with immunomagnetic separation in food samples［J］.J Agricultu Food Chem，2009，57(2):517-24.

［6］Hekmatdoost A，Feizabadi M M，Djazayery A，et al.The effect of dietary oils on cecal microflora in experimental colitis in mice［J］.Indian J Gastroenterol，2008，27(5):186-9.

［7］de La Serre C B，Ellis C L，Lee J，et al.Propensity to highfat diet-induced obesity in rats is associated with changes in the gut microbiota and gut inflammation［J］.Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol，2010，299(2):G440-8.

［8］Turnbaugh PJ，Hamady M，Yatsunenko T，et al.A core gut microbiome in obese and lean twins［J］.Nature，2009，457(7228):480-4.

［9］Larsen N，Vogensen F K，van den Berg F W，et al.Gut microbiota in human adults with type 2 diabetes differs from non-diabetic adults［J］.PLoS One，2010，5(2):e9085.

［10］Jernberg C，Lfmark S，Edlund C，et al.Long-term impacts of antibiotic exposure on the human intestinal microbiota［J］.Microbiology，2010，156(11):3216-23.

［11］Choudhry M A，Rana S N，Kavanaugh M J.Impaired intestinal immunity and barrier function:a cause for enhanced bacterial translocation in alcohol intoxication and burn injury［J］.Alcohol，2004，33(3):199-208.

［12］Ding L A，Li J S.Gut in diseases:physiological elements andtheir clinical significance［J］.World J Gastroenterol，2003，9(11):2385-9.

［13］Scanlan P D，Shanahan F，Clune Y，et al.Culture-independent analysis of the gut microbiota in colorectal cancer and polyposis［J］.Environ Microbiol，2008，10(3):789-98.

［14］Icaza-Chávez M E.Gut microbiota in health and disease［J］.Rev Gastroenterol Mex，2013，78(4):240-8.

［15］Singh N，Gurav A，Sivaprakasam S，et al.Activation of gpr109a，receptor for niacin and the commensal metabolite butyrate，suppressescolonic inflammation and carcinogenesis［J］.Immunity，2014，40(1):128-39.

［16］Fukata M，Abreu M T.Pathogen recognition receptors，cancer andinflammation in the gut［J］.Curr Opin Pharmacol，2009，9(6):680-7.

［17］Rubin D C，Shaker A，Levin M S.Chronic intestinal inflammation:inflammatory bowel disease and colitis-associated colon cancer［J］.Front Immunol，2012，8(3):107.

［18］Kinnebrew M A，Pamer E G.Innate immune signaling in defense against intestinal microbes［J］.Immunol Rev，2012，245(1):113-31.

［19］Scanlan P D，Shanahan F，Clune Y，et al.Culture-independent analysis of the gutmicrobiota in colorectal cancer and polyposis［J］.Environ Microbiol，2008，10(5):789-98.

［20］Chan E C，Koh P K，Mal M，et al.Metabolic profiling of human colorectal cancer using high-resolution magic angle spinning nuclear magnetic resonance(HR-MASNMR)spectroscopy and gas chromatography mass spectrometry(GC/MS)［J］.J Proteome Res，2009，8(1):352-61.

［21］Tjalsma H，Schöller-Guinard M，Lasonder E，et al.Profiling the humoral immune response in colon cancer patients:diagnostic antigens from Streptococcus bovis［J］.Int J Cancer，2006，119(9):2127-35.

［22］Handa O，Naito Y，Yoshikawa T.Redox biology and gastric carcinogenesis:the role of Helicobacter pylori［J］.Redox Rep，2011，16(1):1-7.

［23］Bernstein C，Holubec H，Bhattacharyya A K，et al.Carcinogenicity of deoxycholate，a secondary bile acid［J］.Arch Toxicol，2011，85(8):863-71.

［24］Yazawa K，Fujimori M，Nakamura T，et al.Bifidobacterium longum as a delivery system for gene therapy of chemically induced rat mammary tumors［J］.Breast Cancer Res Treat，2001，66(2):165-70.

［25］匡栩源，庄 权，吴金泽，等.益生菌在肿瘤防治中的机制和应用［J］. 中国微生态学杂志，2011，3(23):274-6.

［25］Kuang X Y，Zhang Q，Wu J Z，et al.Mechanism and application of probiotics in tumor prevention and therapy［J］.Chin J Microecol，2011，3(23):274-6.

［26］Zhu Y，Michelle Luo T，Jobin C，et al.Gut microbiota and probiotics in colon tumorigenesis［J］.Cancer Lett，2011，309(2):119-27.

［27］Omer Turki Mamdoh Ershidat，Ayman Suliman Mazahreh.Probiotics bacteria in fermented dairy products［J］.Pakistan J Nutr，2009，8(7):1107-13.

［28］Stritzker J，Weibel S，Hill P J，et al.Tumor-specific colonization，tissue distribution，and gene induction by probiotic Escherichia coli Nissle 1917 in live mice［J］.Int J Med Microbiol，2007，297(3):151-62.