肠道菌群微生态与结直肠癌的研究进展*

近年来结直肠癌的发病率逐年升高，据2018年中国癌症中心发布的最新肿瘤数据显示，结直肠癌居中国居民肿瘤发病率第3位。目前认为，结直肠癌的发生与多种因素有关。随着分子生物学及宏基因组学研究的深入，发现肠道菌群微生态及其代谢模式的改变在结直肠癌的发生发展过程中发挥重要作用。

研究表明［1］，年龄、饮食以及生活方式和基因型等因素可引起肠道微生物种群结构和丰度的改变，从而导致肠道菌群微生态失衡，进而破坏细胞DNA、激活致癌信号传导通路，最终影响结直肠癌的发生和发展。通过改变饮食习惯、合理应用抗生素、补充益生菌等方法可改善结直肠癌患者的肠道菌群微生态，为结直肠癌的预防及治疗提供新的思路。本文就肠道菌群微生态与结直肠癌的研究进展进行综述。

1 肠道菌群微生态

人体肠道作为一个多元化的微生态系统，其中共生着100多万亿个微生物菌群，这些微生物菌群、消化液、上皮细胞等生物成分以及食源性非生物成分共同组成了肠道微生态系统。健康人群肠道微生态系统内的菌群以厌氧菌为主，不同菌群之间相互制约，维持着肠道微生态系统的稳态，共同参与了宿主正常的消化吸收、物质代谢及能量转化过程。这些肠道微生物菌群以高密度种群数量阻止和抑制外来致病菌的侵入与定植，通过调动调节免疫系统和防护病原体来维护肠道黏膜屏障结构的完整性［2-3］。

人体肠道内存在大量细菌，小肠内的细菌较少，跨过回盲瓣后细菌倍增。从种类看，空肠仅有极少量的需氧菌如链球菌、乳酸菌和葡萄球菌；远端回肠则以类杆菌、大肠杆菌、芽胞杆菌为代表的厌氧菌为主；结肠内厌氧菌的数量急剧升高。肠道菌群根据与人体的关系分为3大类：对人体有益的益生菌群如双歧杆菌、乳酸杆菌等；对人体有害的致病菌群如梭状芽孢菌、粪肠球菌等；在某些特定环境下可危害人体的条件致病菌如大肠杆菌等［4-5］。肠道中不同菌属的细菌相互制约，共同维持着肠道微生态的稳定。

2 肠道菌群微生态失衡及表现

肠道菌群微生态失衡包括菌群失衡和菌群易位。菌群失衡是指肠道原有菌群发生改变，益生菌减少和（或）致病菌增多。菌群易位可分为横向易位和纵向易位。横向易位指细菌由原定植处向周围转移，如下消化道细菌向上消化道转移，结肠细菌向小肠转移，引起如小肠感染综合征等。纵向易位指细菌由原定植处向肠黏膜深层乃至全身转移。

影响肠道菌群微生态失衡的因素包括宿主生活方式或饮食结构改变、免疫缺陷、肠道感染以及服用抗菌药物等。如高脂饮食或西方膳食结构（高热量、高蛋白、高胆固醇）可能引起宿主肠道菌群结构改变，从而引起肠道菌群微生态失衡，后者通过破坏正常组织细胞DNA，激活致癌信号传导途径，产生促肿瘤代谢物和抑制抗肿瘤免疫反应等影响结直肠癌的发生和发展，并可导致宿主出现多种疾病如肥胖、糖尿病以及免疫相关性疾病等。

3 肠道菌群微生态与结直肠癌的发生发展

肠道菌群微生态失衡时，肠道内致病菌占优势并且发生代谢特征变化，释放的毒素结合细胞表面受体继而影响子细胞内的信号转导；另外肠道细菌及其代谢产物可作用于基因易感性宿主，产生免疫应答，激活炎症反应。此外，Grivennikov等［6］研究认为结直肠癌的发生是基因突变和微生物共同作用所致。肠道上皮细胞基因突变，引起肠上皮细胞连接蛋白分解和黏液分泌减少，肠道屏障破坏，肠腔细菌易位至固有层，细菌及细菌产物和Toll样受体结合，促进IL-1、IL-6和IL-23释放，IL-23活化下游Th17细胞，其分泌的IL-17进而活化STAT3，后者可以调节VEGF的表达影响肿瘤血管形成，促进上皮细胞的增殖、侵袭。该研究提示结直肠癌的发生应是上皮基因突变、黏膜屏障、肠道菌群和炎症的综合作用。

3.1 肠道菌群微生态失衡直接作用于结直肠癌病变

肠道微生态系统结构改变以及肠道菌群丰度变化均可引起肠道菌群失调。肠道菌群失调后，肠内益生菌群如双岐杆菌、乳杆菌、拟杆菌等减少，致病菌群如产肠毒素脆弱类杆菌、大肠杆菌、艰难梭菌等数量增加。致病菌分泌大量毒性因子损伤肠上皮细胞，引发慢性炎性反应，促发结直肠癌的发生［7-8］。

近年随着微生态研究方法的发展，二代、三代测序技术及生物芯片技术已经成为肠道微生物研究的重要方法［9］。Gueimonde等［10］研究发现，与健康人群相比，结直肠癌患者的肠道菌群具有显著差异，结直肠癌患者有更多的肠球菌、链球菌、埃希氏杆菌、克雷伯氏杆菌等，同时罗氏菌和一些产丁酸盐细菌则显著减少。另有研究［11-12］发现结直肠癌患者肠道内富含脆弱拟杆菌、具核梭杆菌等7种细菌，而微杆菌和芽孢杆菌则显著减少。这些细菌微生物可能成为结直肠癌的潜在的诊断性细菌标志物。

肠道菌群失调，致病菌可通过激活识别受体，吸附分泌肠毒素或侵入等方式引起肠道炎症反应［13］，进一步诱导肠上皮细胞的癌基因突变，从而使肠上皮过度增殖，最终可发展为肿瘤。有研究显示［14-15］肠道肿瘤的促肿瘤性菌群如埃希杆菌属通过分泌聚酮肽基因毒素，拟杆菌属通过分泌活化的氧自由基，从而降低子基因组的稳定性，促使细胞突变和肿瘤的发生。另有研究显示［16-17］核粒梭杆菌等促肿瘤性菌群可通过直接调控肿瘤细胞本身的信号通路：如βcatenin、E-cadherin等激活转录，增加促炎基因（NF-kB和TCF）和致癌基因（Cyclin D1和Myc）的表达，促发炎症反应并激活肿瘤细胞信号通路，诱发大肠癌。

3.2 肠道菌群微生态通过调控机体免疫系统影响结直肠癌的发生发展

肠道菌群微生态失衡时，致病微生物及其分泌物可与宿主相应受体结合产生免疫应答，或直接产生免疫活性成分，激活炎症反应，调节肿瘤血管形成，促进肿瘤上皮细胞的增殖、侵袭。一项关于炎性结肠癌模型的研究发现，保持肠道菌群微生态平衡可以保护肠道上皮免受损伤，而这种保护作用部分通过配体识别信号通路发挥作用［18］。

肠道菌群紊乱时不仅肠道有害菌增加，同时肠上皮细胞高表达IL-17C，此分子可以抑制肠道上皮细胞的凋亡，促进肠道上皮异常增生，最终可诱发结直肠癌的发生［19］。另外，肠道致病菌与肠上皮接触后，通过Toll样受体TLR和My D88通路高表达IL-17C，进而促进抗凋亡分子Bcl-2和Bcl-xL的高表达，抑制肠道上皮细胞凋亡，促进肿瘤发展。基于此，通过减少肠道菌群失调引起的慢性炎性反应，阻断致病菌群的效应分子，可明显减少致癌因子的过度分泌，降低结直肠癌的发生发展。此外，有研究显示［20］致病菌具核梭杆菌能抑制T细胞介导的免疫反应，促进结直肠癌肿瘤细胞生长，且其DNA含量与结直肠癌患者的较短生存相关，是一种潜在的预后预测标记物。

3.3 肠道菌群通过调节机体代谢间接影响结直肠癌细胞

肠道菌群的种类、数量可直接影响肿瘤的发生和发展，而肠道菌群也可通过调节机体代谢间接影响结直肠癌细胞。与此同时在肿瘤生长过程中，肿瘤细胞通过下调有益菌群的代谢产物来逃逸其对肿瘤的杀伤作用。有益菌群经发酵作用后可产生短链脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA），常见SCFA包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等。其中丁酸盐进入肿瘤细胞核内可发挥组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用，进而发挥抗肿瘤的作用［21］。

G蛋白偶联受体43（G protein-coupled receptor 43，GPR43）与GPR109A为SCFA的主要受体之一，是介导细菌发酵产物SCFA抑癌作用的重要分子［22］。有研究显示［23］，在结直肠癌细胞中若再次表达GPR109A，可上调促凋亡因子的表达，下调肿瘤增殖相关基因的表达，促进肿瘤细胞凋亡，减少肿瘤细胞的定植和生长。另有研究显示［24］，GPR43在结肠癌原发灶和转移灶中的表达均明显降低。结肠癌细胞株中若异位表达GPR43，将导致细胞周期停滞，最终引起肿瘤细胞的凋亡。有研究者［25］发现在结肠肿瘤细胞中，易位表达SCFA的钠离子偶联转运蛋白，可以通过蛋白质相互作用将细胞核内的凋亡抑制蛋白survivin易位至细胞膜上，通过抑制其生存素的转录，促进肿瘤细胞的凋亡。

3.4 肠道菌群与结直肠癌的治疗

一直以来，研究者们均尝试利用微生态制剂治疗和预防肿瘤［26］。目前主要的微生态制剂包括益生菌及其代谢产物和生长促进因子。至今已开发出的微生态制剂主要有益生菌、益生元和合生元［27］。益生菌指对人体有益的活的微生物，应用最广泛的有乳酸菌、双歧杆菌、酪酸梭菌等。益生元指能被人体消化的低聚糖如菊糖、果糖寡聚体等，益生元可刺激有益共生菌群生长。合生元是益生菌和益生元的混合制剂，其既可发挥益生菌的生理活性，又能选择性地增加益生菌数量，使其作用更加显著和持久。研究发现［28］，微生态制剂特别是益生菌可通过刺激机体的免疫应答，增强巨噬细胞的吞噬活性，促进肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ、白细胞介素-12、一氧化氮等细胞因子发挥抗肿瘤作用。体外研究发现［29-30］，聚酵素芽孢杆菌能够黏附在结肠癌细胞表面，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人结肠癌细胞SW480、HT29、Caco2增殖，从而改变细胞形态来抑制肿瘤生长；乳酸菌衍生的聚磷酸酯可以诱导结肠癌细胞凋亡。体外研究还发现［31］酪酸梭菌能够抑制人结肠癌SW480细胞的增殖，诱导结肠癌细胞凋亡和细胞周期阻滞。因为人体的有效益生菌较难获取，因此目前微生态制剂还达不到临床抗肿瘤治疗的目的。

近年来较为热门的排泄物移植技术（fecal micro⁃biota transplantation，FMT）是通过提取健康人的排泄物滤液，注入患者肠道内来治疗慢性结肠炎、糖尿病等疾病的一种新型技术。该技术较益生菌及益生元治疗有其个体化的优势及较丰富菌群和较高丰度等特点，临床上也显示利用FMT法治疗可以改善结肠癌患者病情，减轻化疗不良反应，但仍存在许多问题亟待解决，如排泄物滤液的获取与保存、如何有效提高抗肿瘤疗效等。理论上说，若能在早期有效干预和平衡肠内细菌群的微生态，正向调控微生态与宿主关系的发展，就能较早有效地抑制肿瘤发生。

肠道微生态与机体本身的生活方式和饮食习惯有着密切的联系，良好的生活方式能促进有益菌群的生长，抑制致病菌群。通过增加膳食纤维，适当降低蛋白质类物质的摄入，合理应用抗生素等改变可有效防止机体免疫系统的激活，降低细胞基因组的不稳定性，预防肠道肿瘤的发生。还需进一步明确肠道菌群微生态与结直肠癌的相互作用的分子机制，以及肠道菌群微生态与肿瘤微环境的关系。

4 结语

肠道菌群微生态与结直肠癌发生发展的关系以及在结直肠癌治疗中的应用前景，近年来已成为国内外的研究热点。但仍有许多问题未得到完全阐明，如环境因素如何改变肠道菌群的微生态；致病菌群如何导致结直肠癌的发生发展；肠道修复与菌群相互作用的具体机制等。这其中复杂又精细的相互作用亟待解释，有望研究出针对肠道微生物群新的结直肠癌预防和治疗策略。