肠道微生态介导的饮食结构对恶性肿瘤的影响

何俗非，王邈

0 引言

肿瘤的发生与遗传和环境因素均密切相关，而膳食因素是环境因素中极为重要的一个，其在肿瘤发生发展过程中所起到的重要作用越来越受到学者的关注。较多研究表明，植物性饮食可以显著降低多种恶性肿瘤的发病率[1-2]，而高脂饮食、红肉和加工肉食等则会促进恶性肿瘤的发生和进展，并与不良的预后有关[3-4]。

近年来备受关注的肠道微生态也在恶性肿瘤的发生发展和治疗过程中扮演了重要角色。研究发现，一些肠道菌种在癌症患者体内呈现持续增长，而另一些菌种却表现为持续减少。如大肠癌患者肠道中的梭杆菌、Alistipes菌、紫单胞菌和产甲烷细菌等细菌增多，而双歧杆菌、乳杆菌、瘤胃球菌和罗斯氏菌等细菌减少[5]；又如急性淋巴细胞白血病患儿肠道中的Anaerostipes菌、粪球菌、罗斯式菌与瘤胃球菌的丰度相对较低[6]。改善肠道菌群也会影响肿瘤的治疗效果，如有研究显示益生菌复合物VSL#3、Prohep可以控制肝癌患者的病情进展[7]。

事实上，肠道微生态的变化正是膳食方式与癌症之间的桥梁。最新研究结果表明，人体肠道菌群的构成主要由生活方式，尤其是饮食因素决定，遗传因素的影响很小[8]。不同的膳食结构会直接影响肠道微生物的种类及其代谢产物，进而对恶性肿瘤的发生和发展及治疗效果产生影响。

1 膳食结构影响肿瘤的发生

2013、2015年发表在JAMA杂志的两项研究当属近年来规模最大的涉及膳食结构和肿瘤关系的研究。研究者对7万余名入组研究对象（均为基督教徒）进行观察，以评估饮食与疾病（包括恶性肿瘤）发生率、病死率之间的关系。2013年的研究报告指出，在平均随访5.79年期间，素食者的全因死亡风险是非素食者的0.88倍，其中死于恶性肿瘤的风险是非素食者的0.92倍[9]。2015年的研究中，研究者特别关注了结直肠癌发生率，结果发现在平均7.3年的随访时间内，素食者患结、直肠恶性肿瘤的合并风险是非素食者的0.78倍[10]。

2014年美国临床营养学杂志也发布了一项关于饮食和癌症发生率的大样本研究报告。该研究对英国32 491名肉食者和20 544位素食者进行了平均长达14.9年的观察，结果发现素食者患胃癌、淋巴瘤、造血组织恶性肿瘤和多发性骨髓瘤的风险都显著降低。相较于肉食者，素食人群患胃癌的相对风险度为0.37；患淋巴瘤和造血组织恶性肿瘤的相对风险度为0.64；患多发性骨髓瘤的相对风险度更是低至0.23。此外素食者罹患诸如胰腺、膀胱、卵巢、前列腺等恶性肿瘤的相对风险度也都在0.7～0.8左右，只是由于样本量的相对不足，所以未获得显著的统计学意义[1]。

此外，有研究者对饮食结构与癌症关系相关文献进行系统评价，结论同样表明低脂饮食、植物性食物为主的饮食、以及膳食纤维可以降低患结直肠癌、肝癌、乳腺癌、前列腺癌、头颈癌等恶性肿瘤的风险[11-12]。

2 不同膳食结构经由肠道微生态影响恶性肿瘤发生发展的可能机制

2.1 高纤维素类饮食

谷物、豆类、菌类以及水果蔬菜中富含纤维。这些高膳食纤维食物，能够降低来源于拟杆菌目和毛螺菌的细菌丰度，富集来源于瘤胃球菌科的细菌，而后者能够降解膳食纤维，产生短链脂肪酸（short chain fatty acids, SCFAs），主要包括乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs不仅能作为宿主的供能物质，还能维持益生菌代谢，抑制致病菌的繁殖，从而保持肠道菌群稳态。此外，SCFAs作为信号分子在机体中发挥广泛的抗癌作用[13]。

丁酸是肠上皮细胞首选的能量来源，并且通过多种途径起到抗癌的作用，主要包括：（1）通过上调miR22、miR200的表达，促进活性氧类物质（reactive oxygen species, ROS）的产生，抑制组蛋白去乙酰化酶等方式而促进癌细胞的凋亡和分化，抑制其增殖[14-15]；（2）通过抑制血管内皮生长因子和缺氧诱导因子1α的表达，抑制肿瘤血管的生成[16]；（3）通过增强Foxp3基因启动子的组蛋白乙酰化，诱导T细胞分化为调节性T细胞（尽管对于既发的癌症，调节性T细胞会促成肿瘤的免疫逃逸，但是它们能够通过抑制炎性反应而抑制炎性反应诱导的肿瘤发生过程）[17]；（4）通过上调细胞紧密连接Occludin、Zonulin蛋白的表达加强肠屏障，降低肠黏膜渗透性，抑制脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）入血引起的各种促癌过程[18]。

乙酸和丙酸由于被肠上皮细胞利用得较少，更多地进入到循环系统发挥抗癌作用。二者在抗癌机制上有不少共性，均可以抑制NF-κB通路活性，又可以引起线粒体内膜的通透性增加，促进氧自由基的产生而促进结肠癌及卵巢癌细胞的凋亡。对癌症患者静脉应用乙酸还可以增强外周血中自然杀伤细胞的活力，而丙酸则可以通过上调细胞周期调控蛋白p21的表达引起细胞周期阻滞[19]。

2.2 高脂饮食

大样本临床数据及实验数据表明，高脂饮食，尤其是大量饱和脂肪的摄入具有促癌作用[3,20]。此外高脂饮食引起的肥胖也是多种恶性肿瘤，如乳腺癌、结肠癌、食管癌、甲状腺癌、子宫内膜癌、肝癌等癌症的重要危险因素[21]。高脂饮食与肠道微生物相关的促癌机制主要通过两个途径实现：（1）促使肠道渗透性增加以及LPS入血；（2）刺激胆汁酸的分泌并被肠道微生物分解为次级胆汁酸。

脂多糖，也称内毒素，是革兰氏阴性菌细胞壁的组成成分，它虽然与膳食没有直接关系，但高脂膳食造成的菌群失调会引起肠渗透性的增加，从而更多的LPS可以进入循环。此外，过多的脂肪摄入也会导致小肠内乳糜微粒增多，使更多的LPS以乳糜微粒的形式输送至循环系统[22-23]。LPS入血后可以促使细胞释放肿瘤坏死因子α、白介素-6等促癌的炎性因子，此外与细胞表面Toll样受体4（Toll Like Receptor 4, TLR4）结合并将其激活，TLR4信号会通过级联放大作用激活其下游NF-κB等核转录因子，促进肠道、肝脏、胰腺和皮肤肿瘤的发生[24]。NF-κB的促癌机制是多方面的，如促进癌细胞的增殖、肿瘤干细胞的形成、促进上皮间质转化、血管生成以促进肿瘤转移，以及引起免疫抑制以帮助癌细胞逃过机体的免疫监视功能[25]。

高脂膳食又能刺激胆汁的分泌，一部分逃过了肠肝循环进入肠道的胆汁酸会被肠道菌群，尤其是梭状芽胞杆菌分解为次级胆汁酸—脱氧胆酸与石胆酸[26]。大量证据表明脱氧胆酸和石胆酸通过引起DNA损伤和凋亡抵抗等方式发挥强烈的致癌作用，促进结直肠癌、胃癌、食管癌、胆囊癌及肝癌的发生[27]。

2.3 红肉

红肉是指富含肌红蛋白的哺乳动物肌肉，如牛肉、羊肉、猪肉等。越来越多的证据表明，进食红肉及加工肉食是肺癌、乳腺癌、大肠癌、胃癌、食管癌、胰腺癌、前列腺癌、膀胱癌等多种恶性肿瘤的重要危险因素[4,28-29]。除了在高温烹饪过程中产生杂环胺及多环芳烃等致癌物之外[30]，红肉导致癌症发生的机制也与肠道微生物及其代谢产物相关。

脱铁杆菌门、普雷沃氏菌科和肠杆菌科的一些肠道微生物能代谢红肉中的胆碱、卵磷脂和左旋肉碱生成三甲胺（Trimethylamine, TMA）， TMA通过门静脉转运至肝脏后在黄素单加氧酶的作用下生成氧化三甲胺（Trimethylamine N-oxide, TMAO）[31]。以往对TMAO的研究多集中在它如何通过促进血管的氧化应激反应和脂类堆积增加心脑血管疾病的风险，而实际上，TMAO不仅与心脑血管病高度相关，而且也与消化系统恶性肿瘤关系密切[32]。

TMAO的致癌机制目前并不十分明确，有研究者通过建立化学品-基因-疾病互作网络来寻找TMAO相关通路与结直肠癌相关通路的交集，结果发现118条与结直肠癌密切相关的通路中，存在20条TMAO相关通路，其中高分值通路包括Wnt通路、MAPK通路、MYC通路以及细胞周期、端粒维护等相关通路[33]。此外有学者猜测，TMA是亚硝基化合物的合成底物，而后者可以通过诱发RAS基因的突变而导致结直肠癌的发生[34]。

另外，红肉中所富含的胆碱是人体内重要甲基供者S-腺苷甲硫氨酸的前体，故而微生物对于胆碱利用情况的差异也会影响机体的表观遗传调控[35]。这些由微生物代谢状态引起的表观遗传改变也参与了癌症发生、发展过程中的众多环节[36]。

2.4 高蛋白饮食

与糖代谢相比，蛋白质的消化和吸收对肠道微生物的依赖要小得多。95%以上的蛋白质在小肠被高效地消化吸收，只有少部分未被酶类完全消化的蛋白进入大肠，从而被微生物酵解。拟杆菌属、Alistipes菌以及副类杆菌属细菌是人类肠道中参与蛋白降解的主要细菌[37]。

虽然肠道微生物酵解蛋白时也会产生有益于人体的丁酸，但与此同时，还会产生一系列氮化合物和硫化合物，如氨、胺类、硝酸盐、亚硝酸盐和硫化氢等。这其中的胺类和亚硝酸盐可以被肠中兼性厌氧菌和厌氧菌催化成具有强烈致癌性的N-亚硝胺；而硫化氢，即使是在生理浓度，也具有基因毒性[5,38-39]。由于蛋白质降解主要发生在远端肠道，此处正是大肠癌的高发部位。

不过，另有研究表明，非动物性蛋白质的摄入并不会增加粪水的毒性。研究者分析这可能是因为蛋白质的酵解产物或许要与肉类中所含的饱和脂肪酸，或者高脂饮食刺激下产生的过量胆汁酸协同作用才可以产生致癌效应[40]。

3 膳食结构通过肠道微环境对恶性肿瘤治疗疗效及预后的影响

在肿瘤发生之后，治疗因素并非唯一影响患者预后的因素，膳食结构也会继续影响癌症的预后。如近期的一项系统评价研究发现减少脂肪摄入可以降低乳腺癌的复发率，并延长无进展生存期[41]。另一项对1 009名术后辅助化疗治疗的Ⅲ期结肠癌患者的研究也发现，西方饮食模式（特点为大量红肉、加工肉类、甜品、油炸食品和细粮）会显著降低患者的无病生存期与总生存期[42]。饮食对恶性肿瘤预后的影响无疑与肠道微生物也密切相关，肠道微生物会通过多种途径影响免疫治疗及化疗的疗效。

3.1 饮食-肠道微环境与肿瘤的免疫治疗疗效

肠道微生物是肠黏膜免疫和宿主免疫系统的重要调节者，这是肠道微生物影响肿瘤免疫治疗疗效的机制根源。肠道微生物本身及其代谢产物参与了诱导免疫细胞的分化、刺激细胞因子及免疫球蛋白的产生、促进肠道相关淋巴组织发育等一系列重要的生物学过程[43]。尽管不同的研究对于某些菌种究竟如何影响免疫治疗疗效还存在分歧，但总的来说α多样性高，富含瘤胃球菌、艾克曼菌、双歧杆菌和肠球菌可以使机体对免疫治疗的反应性增强；而菌群多样性低、拟杆菌门的细菌丰度高是机体对免疫治疗反应差的肠道微生态特征[44]。

几个比较经典的研究包括：（1）全身放射治疗造成的肠黏膜屏障损伤导致阴沟肠杆菌、大肠埃希菌、乳酸杆菌和双歧杆菌迁移入肠系膜淋巴结，这种短暂的细菌感染激活了先天免疫，增强了CD8+T细胞过继转移疗法的抗肿瘤疗效[45]；（2）T细胞活化负性调节因子CLTA-4的抗体对无菌小鼠或抗生素治疗小鼠不具有抗肿瘤疗效，然而口服脆弱拟杆菌或其多糖，或过继转移以该菌处理的记忆性TH1细胞，均可以部分恢复CLTA-4抗体对无菌小鼠及抗生素治疗小鼠的抗肿瘤效果[46]；（3）双歧杆菌和艾克曼菌均可以影响针对免疫抑制分子PD-1/PD-L1的治疗效果：艾克曼菌较高表达的患者PD-1单抗治疗可以获得更好的疗效，无菌小鼠口服补充艾克曼菌后，也可以增强PD-1的治疗效果，其机制在于艾克曼菌可以激活IL-12信号通路，将淋巴细胞募集到肿瘤周围，经PD-1抑制剂的作用活化T细胞，进而杀伤肿瘤细胞[47]；口服双歧杆菌的小鼠对PD-L1抗体的治疗更加敏感，表现出更多的抗原特异性，CD8+T细胞在肿瘤组织中累积[48]。

饮食物对上述免疫治疗相关菌群的作用主要表现为：纤维素类饮食可以提高瘤胃球菌的丰度并降低拟杆菌的丰度，这两个方向的调节均是促进免疫治疗发挥疗效的；在2017年科学家证实了艾克曼菌对免疫治疗药物的增敏效应之前，就有不少研究发现，葡萄、蔓越莓、可可豆、茶等富含多酚的饮食可以增加艾克曼菌这个近年来新兴的抗癌明星菌的丰度[49-50]；此外，蓝莓及石榴提取物、可可粉、花青素，儿茶素以及杏仁皮的粪菌发酵物可以促进双歧杆菌的生长[51]。

3.2 饮食-肠道微环境与化疗

2013年Science杂志上发表的两篇文章提示肠道微生态也关系到肿瘤化疗的疗效。其中，以万古霉素杀灭革兰阳性菌的荷瘤小鼠与未经抗生素治疗的荷瘤小鼠相比，对环磷酰胺治疗的反应性下降。这是由于环磷酰胺的干预可以促使一些乳杆菌属和肠球菌属的细菌向次级淋巴器官移位，这些移位的革兰阳性菌刺激了病原性Th17细胞和记忆性Th1细胞的分化，后两者进而发挥了抗肿瘤效用，而万古霉素的应用阻断了这一过程[52]。另一项研究在小鼠的饮水中加入万古霉素、亚胺培南和新霉素组成的抗生素混合物以破坏其肠道共生菌，会弱化奥沙利铂诱导产生具有基因毒性的ROS的过程，从而降低其治疗效果[53]。

饮食因素对于上述提及的肠道共生菌整体以及乳杆菌属和肠球菌属细菌均有调节作用。如长期进食高脂、高糖食物，可造成肠道菌群中条件致病菌比例增加，共生菌比例下降；而石榴提取物，花青素、儿茶素等植化素均可以促进乳杆菌属和肠球菌属细菌的生长[51]。

4 结论与展望

综上所述，肠道微生态由数量庞大而结构复杂的肠道菌群所组成，其地位与作用相当于后天获得的一个重要“器官”。菌群的失衡参与了恶性肿瘤发生、发展等多个环节。蔬菜、水果和谷物等植物性饮食物摄入不足加之过量进食肉食和油腻食物所导致的饮食结构失衡会通过影响肠道微生物及其代谢产物促进恶性肿瘤的发生、发展并影响其治疗效果。改变不均衡的饮食结构可以调节肠道微生态，从而降低毒性微生物代谢产物的产生，同时促进保护性代谢产物的生成，使得机体的内环境由促癌向抑癌发生转变。对于癌症患者，调节饮食既是十分有效的防癌手段；从某种意义上说，也相当于没有副作用，且不增加经济负担的治疗。