红肉及加工肉制品与结直肠癌风险关系的研究进展

张月姝,武俊瑞,李春强

(沈阳农业大学食品学院,辽宁沈阳 110866)

我国是肉类消费和生产大国,消费量约占全球消费总量的四分之一[1]。2000～2014年间,我国猪肉、牛羊肉和禽肉的人均消费量分别为17.86、2.40和6.79 kg/年,各占肉类消费总量的65.98%、9.33%和24.68%[2]。然而,随着肉类消费的增加,关于食用肉类消费对人类健康的负面消息也日益增多。因此,消费者越来越关心肉类在健康和安全方面存在的问题。

2015年10月26日,国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)针对加工肉制品和红肉的致癌性作出调查,数据显示,过多摄入红肉会增加患癌症的风险。Alisson-Silva等[3]对红肉消费引起的结直肠癌、动脉粥样硬化性心血管疾病、II型糖尿病以及其他炎症进行了风险分析,结果表明在饱和脂肪、血红素、微生物群等因素的共同干扰作用下,红肉可作为媒介诱发癌症发生。结直肠癌(carcinoma of colon and rectum,CRC)是世界范围内第三大常见癌症,结直肠癌的发病机制复杂,涉及肠道上皮粘膜细胞受损、基因突变及肠道菌群失衡等。有研究证明[4-6],食用红肉及加工肉制品有引起结直肠癌的风险,但也有研究者持否定态度[7-8]。因此,有必要对红肉及加工肉制品与结直肠癌之间的关系进行梳理。

本文就红肉及加工肉制品与结直肠癌相关性所采用的研究方法及其局限性、以及与红肉及加工肉制品相关的潜在结直肠癌致病因素进行了论述,以期揭示红肉及加工肉制品是否存在诱发结直肠癌的风险。

1 研究红肉及加工肉制品与结直肠癌相关性的方法

1.1 流行病学

流行病学是常用来研究人类疾病分布规律及影响因素的方法,包括观察性研究、实验性研究和理论性研究。研究者在运用这种方法来解释肉类消费与结直肠癌之间的关系时,发现二者之间联系存在不确定性,认为肉类摄入与结直肠癌风险之间的关系相对复杂,饮食模式、性别、环境及生活方式等其他因素可能在很大程度上影响结直肠癌的发病[9-10]。

分析流行病学是另一种将病因和健康状况联系起来的研究方法,队列研究和病例对照研究都属其列。研究者以这种方法进一步在特定群体中观察红肉及加工肉制品与结直肠癌发病率之间的关联。Samha等[8，11]对比了加工肉制品和未加工红肉对结直肠癌风险的关联性,认为加工肉制品与结直肠癌风险成正相关,但几乎没有证据证明摄入未加工的红肉会增加患结直肠癌的风险,考虑患癌风险与红肉类型有关。Carr等[12]总结多例针对不同类型的红肉与结直肠癌关系的流行病学研究,并进行系统评价和荟萃分析,发现牛肉消费与结直肠癌(RR=1.11,95% CI=1.01～1.22)风险增加相关;羔羊消费量的增加也与结直肠癌风险增加相关(RR=1.24,95% CI=1.08～1.44);猪肉与结直肠癌风险的关联性极弱(RR=1.07,95% CI=0.90～1.27);并没有观察到禽肉消费与结直肠腺瘤或癌症风险的关联(RR=0.93,95% CI=0.74～1.17)。

然而,对于已经完成的流行病学研究,存在一些方法学问题。研究者基于流行病学研究结果进行的荟萃分析结合了来自世界各地不同地区的研究,有时还会模糊分类,将结肠癌和直肠癌或结直肠腺瘤混淆在一起。除此之外,这些研究还存在其他缺陷,比如各研究之间存在异质性,并且跨亚组分析的关联模式不一致等。鉴于这些问题的存在,关于红肉及加工肉制品对结直肠癌发病风险的争论可能会继续下去。

观察性研究不能完全纠正所有混杂因素,也不可能在肉类消费和结直肠癌自身之间建立起因果关系。理想状态下,流行病学中的随机对照试验方法对于调查因果关系具有更高的优势[13]。然而实验性研究的缺点在于它是一种需要人为干预的研究手段,人类的肿瘤发展可能需要10～20年,进行长期食物干预试验成本很高,而且参与者可能在较长时间下不会按照规定摄入食物。人类研究的一个方向是将结直肠癌发病相关的生物标志物作为早期终点,因此,采用动物研究可以更方便地检查这些肉类消费与癌症是否存在因果关系。

1.2 动物实验

数十年来,动物模型实验已经被用以测试不同饮食及饮食衍生化合物对结直肠癌产生的影响。虽然可选择不同的动物模型,但啮齿动物是肿瘤生物研究中使用最多的动物。为了加快实验结果,通过给予啮齿动物致癌物或利用遗传突变来增加易感性[14]。

APCMin小鼠是一种由于腺瘤性息肉病基因APC基因突变而增加易感性的啮齿动物模型[15-16]。研究者利用APCMin小鼠在生物学上与人类结肠癌病理非常相似的这一特性[17]来研究饮食因素与APC基因突变的相互作用。然而,使用这种模型进行大量饮食衍生物的筛选任务量大且花费不菲。因此,研究者也可以选择向动物模型注射结肠特异性致癌物质来进行化学致癌造模,常选用二甲基肼(dimethylhydrazine,DMH)或氧化偶氮甲烷(azoxymethane,AOM),因其具有器官选择性好、致癌效果好、病理性与遗传性改变与人类发散性结直肠癌相似的特点。经过致癌剂诱导的动物模型可以让研究者在结直肠癌产生的早期阶段,通过根据早期病变标志物——异常隐窝灶(aberrant crypt foci,ACF)和粘蛋白贫化灶(mucin depleted foci,MDF)的数量来观察食物成分的致癌效果[18-19]。MDF和ACF的存在会改变APC功能,导致Wnt信号传导途径的活化和多种其他细胞过程的失调,最终导致癌症。Santarelli等[20-21]在2010和2013年研究中,将加工肉制品给予经1,2-二甲基肼预处理的大鼠,以评估它们对结直肠癌发生的作用。试验中不仅记录MDF数量的变化,同时对粪便中的总NOCs和脂质过氧化产物含量进行测定,发现与对照日粮相比,腌制肉类日粮喂食的大鼠产生的MDF均增多,粪便中NOCs含量也高于对照日粮。研究结果可印证流行病学研究中加工肉类与结直肠癌风险相关的观点。

不同的动物模型具有其各自的优缺点,根据不同的实验方法选择相应的动物模型将使研究事半功倍。癌症的成因十分复杂,受环境因素影响较大。在研究结直肠癌的发病机制时,应该考虑到人类与动物模型的差异性,在将动物研究引入红肉及加工肉制品对结直肠癌风险机制分析中时,应持谨慎的态度。

1.3 细胞培养实验

动物实验中将癌症发生率或死亡率当做终点,但在动物还活着的时候很难追踪到肿瘤进展。为了研究肿瘤生物学的潜在分子机制,建立了癌细胞系,例如永生化的小鼠成纤维细胞系[22]和人类HaCaT细胞系[23]等,常利用细胞增殖来体现化学预防剂对癌症的预防作用[24]。当然,癌细胞系的建立也被应用于膳食因素对结直肠癌的诱发机制。

Liu等[25]研究发现血清瘦素促进人结肠癌细胞系HT29的生长,同时动物实验表明高脂饮食会提高大鼠体内血清瘦素含量,这为高脂饮食对结肠癌发生的促进作用可能是由血清瘦素介导提供证据。Glei等[26]利用HT29-19A细胞系证明血红蛋白和氯高铁血红素能显著诱导DNA损伤。Bastide等[27]建立了体外细胞模型,经喂食含血红素铁饮食的大鼠粪便水处理过的细胞系含有比对照组更强的细胞毒性,这个结果与体内实验结果吻合,彼此佐证了血红素铁在红肉促进结直肠癌中的作用。Jiang等[28]研究了亚硝酸盐对相同生长条件下不同结肠癌细胞系(SW116、SW480、HCT15、COLO205)的影响,发现随着癌症阶段的变化和亚硝酸盐浓度的变化所展示出的细胞增殖效果都是有区别的。

事实上,癌细胞系的来源和分化程度不同,在体外细胞模型的建立中所显示的敏感性也不同[29]。其次,细胞培养技术不同,所揭示的癌症发展机制也有所不同。目前常用的细胞培养技术分为二维(2D)细胞培养技术和三维(3D)细胞培养技术。2D细胞培养技术所得到的细胞,在形态学、细胞-细胞和细胞-基质接触方面通常与真实情况不同,无法完全模拟体内生存环境,这限制了它们预测化合物对肿瘤发生的真实作用的能力[30]。3D细胞培养技术的出现缩小了细胞培养模型和动物模型之间的差距[31],其优势在于可以提供更多增殖空间和基因信息,有利于细胞间的信号传递,并允许观察肿瘤细胞的变化,可用作癌症发展的预测因子[32-33]。

总之,与动物实验相比,细胞培养实验有效缩短了时间,且给细胞提供更大生长空间,因此更适于筛选大量化合物并研究癌症发展的潜在机制。然而,不同组织间的相互作用不能在细胞培养中进行研究,如肿瘤发展或死亡率这类与癌症有关的终点也不能直接被观察到。因此,目前体外细胞培养模型仅用于辅助体内实验来确定食物摄入对健康影响。

2 与红肉及加工肉制品相关的潜在结直肠癌致病因素

2.1 红肉及加工肉制品中潜在的结直肠癌致病因素

2.1.1 脂肪 大量研究表明,高脂饮食会促进结直肠癌的发生,且只有来源于红肉的膳食脂肪对结直肠癌有促进作用,而除红肉以外其他来源(包括乳制品、家禽和植物油)的膳食脂肪不会增加结直肠癌的风险[34]。

三种机制可以解释高脂饮食促进结直肠癌的发生。首先,结直肠癌的发生与高脂饮食引起的炎性因子表达有关。O’Neill等[35]研究表明,高脂饮食会引起小鼠肥胖以及胰岛素抵抗,且提高了与肥胖和胰岛素抵抗相关的c-Jun N-端激酶的活性和单核细胞趋化蛋白1的表达;Liu等[36]通过建立高脂饮食诱导的肥胖小鼠模型,发现饮食诱导的肥胖使结肠中炎性细胞因子和肿瘤坏死因子(TNF-α)的表达增加;Day等[37]发现在高脂饮食诱导肠道肿瘤小鼠模型中,巨噬细胞标志物EMR-1的表达增加了2.2倍(p<0.05),CD11c增加了1.9倍(p<0.05),炎症因子IL-12的mRNA表达显著增加了7.8倍(p<0.05),MCP-1增加1.8倍(p=0.06),IL-6增加1.5倍(p=0.1),TNF-α增加1.7倍(p<0.05)。其次,高脂饮食引起的胆汁酸分泌也参与到致癌机制当中[38]。过多的胆汁酸对结肠上皮细胞具有毒害作用,可引起不可修复的DNA氧化损伤、炎症以及结肠上皮细胞过度增殖和凋亡等[39-40]。最后,高脂饮食的摄入也会导致结肠腔内的游离脂肪酸含量增多,同样会损伤结肠上皮细胞并促其增殖[41],从而促进结直肠癌的发生。

然而,Parnaud等[7]在AOM诱导的结肠癌大鼠模型中,发现高脂饮食虽然可以增加大鼠体重,但并不改变粪水中铁、胆汁酸以及粪便中总脂肪酸的含量,也不能促进ACF增长,故高脂饮食和结直肠癌的发生无相关性。

由于目前关于脂肪摄入与结直肠癌风险相关性的结论不一,怀疑脂肪与结直肠癌之间的关系还应该考虑到能量的影响。Itano等[42]研究了不同热量摄入对结肠癌小鼠模型中肠道肿瘤生长的影响,证实了高卡路里饮食会促进肿瘤发生;在同样卡路里摄入时,高脂饮食会增加肿瘤数量;而同样高脂饮食情况下,不同卡路里摄入的肿瘤多样性差异不是很大。

综上所述,脂肪和能量摄入虽然都有促进肿瘤发生的作用,但脂肪更可能是红肉及加工肉制品引发结直肠癌的因素之一。

2.1.2 亚硝酸盐和N-亚硝基化合物(NOCs) 硝酸盐和亚硝酸盐一直用于肉制品保鲜,可抑制致病微生物的生长,在一定程度上控制肉制品的氧化和酸败,改善肉制品的色泽,提高消费者的购买欲。一般来说,大部分食物中的硝酸盐和亚硝酸盐在早期会被人体上消化道吸收,唾液、尿液和粪便中也含有被排出的亚硝酸盐。过多的亚硝酸盐会与肉中蛋白质等物质分解产生的胺类物质发生硝化反应,生成包括亚硝胺和亚硝酰胺在内的NOCs[43]。高温或烟熏等加工手段也会促进加工肉制品中NOCs的形成[44]。大量研究表明,生成的NOCs会增加结直肠癌的发病率。膳食中的硝酸盐和亚硝酸盐在人体内是否转化成致癌性NOCs取决于饮食和环境因素,包括食物、胃酸度、微生物菌群和食糜平均通过时间等[45]。例如,对于食用大量红肉的人来说,亚硝酸盐通过血红素蛋白的催化容易在结肠中发生内源性亚硝化,增加罹患结直肠癌的风险。Lewin等[46]研究发现,血红素含量较高的红肉及加工肉制品的摄入与NOCs的内源性形成及粪便排泄显示出剂量-效应关系,对于白肉则没有这种关系。

摄入红肉和肉制品产生的NOCs可通过多种机制增加结直肠癌发病率。蔡鲁峰等[47]研究表明,NOCs会引起DNA烷基化,生成DNA加成物,这种物质具有极大的细胞毒性,易引起癌症的发生。Van等[48]建立体外消化模型,发现经亚硝酸盐固化的红肉过度煮熟后,在结肠消化物中发现含有更高浓度的DNA加合物——O6-羧基-甲基鸟嘌呤,说明红肉摄入在消化过程中提高结直肠癌变风险。除此之外,Hebels等[49]证实了NOCs在结直肠癌发展中的作用与其遗传毒性相关的基因表达修饰相关,用红肉进行人为干预研究之后,结肠活检材料中也发现了类似的基因表达变化[5]。这些结果都支持了红肉中亚硝酸盐在结直肠癌发生中的潜在作用。

2.1.3 血红素 血红素是由卟啉大杂环组成的一种化合物,其有机环中心为一个亚铁离子。血红素存在于肌肉肌红蛋白、红细胞血红蛋白和细胞色素中。血肠和肝脏中的血红素特别丰富,其次是红肉及加工肉制品,禽类只含有少量血红素。最近的两项前瞻性研究发现高血红素铁摄入量与结直肠癌风险增高有关:Bastide等[50]利用Cox比例风险模型对法国女性健康进行了队列研究,结果表明血红素铁对结直肠癌的危险比(HR)为1.36(95%CI=1.13～1.65);Qiao等[51]采用前瞻性分析指出血红素铁摄入对结直肠癌的相对风险(RR)为1.14(95% CI=1.04～1.24)。Pierre等[52]通过动物实验佐证了这个观点,他们用含不同浓度血红素的肉类喂食经AOM处理的大鼠,结果发现只有含血红素的饮食促进了肠道内MDF的形成,但所有肉类食物都促进了ACF的形成。

四种机制可能解释血红素促进癌变:(a)血红素在结肠腔内被代谢成具有细胞毒性的促进因子[53];(b)血红素铁在蛋白氧化中起到高度催化且刺激活性氧形成的作用[54]。活性氧参与DNA损伤中,并且具有破坏结肠上皮细胞正常细胞增殖的能力,当损伤未被修复时导致癌症风险增加;(c)血红素诱导食物和肠道中脂肪的过氧化作用,产生的脂过氧化物(如丙二醛)会促进小鼠粘膜中的细胞增殖,从而促进结直肠癌发生[55];(d)血红素催化内源性亚硝酸化[56],这增加了如上所述的NOCs的形成。所以通常认为血红素可能与肠道癌症的发展有关,其作用机制可能是单独作用于结肠或诱导其他因素以提高致癌风险。

2.2 中介因素——肠道细菌

肠道细菌是关联食物和肠道健康之间的重要媒介[57],肠道细菌介导的饮食因素在结肠癌的发展和抑制中发挥作用[58]。一些研究证明,肠道菌群结构的改变会形成有毒或健康的肠道环境[59],认为肠道微生物群及其代谢物与饮食性肥胖和结直肠癌有关[60-61]。因此,人类肠道微生物群逐渐成为结直肠癌的一种筛查工具[62],可以通过肠道菌群结构的改变来观察肠道健康情况。在对大肠癌患者的粪便进行分析时发现,对肠道健康有益的双歧杆菌和乳酸杆菌数量明显减少,而拟杆菌,粪肠球菌、大肠埃希菌和酵母菌等更多潜在有害的细菌数量增加[63],这些致病细菌被认为可能破坏肠道屏障功能,引发炎症和癌症[64]。

肠道细菌与红肉及加工肉之间的关系可以通过以下途径来阐述。红肉及加工肉进入肠道中时,细菌培养消化物的活动开始,时间越长越有可能产生有害物质,经肠道微生物发酵后产生氨气、胺类、酚类、硫化氢等[65]。低浓度氨气在肠道内的存在可诱发结肠癌;胺类经细菌酶转化成NOCs后会改变细胞DNA的组成;红肉及加工肉属于高硫饮食,在肠道内由硫酸盐还原细菌转化为硫化氢,造成结肠上皮细胞的DNA氧化损伤,具有引发细胞凋亡、诱发炎症的危险[66]。此外,红肉中的脂肪含量也被认为是结直肠癌的风险因素[67],高脂饮食摄入量与硫化氢和继发性胆汁酸产生菌的丰度增加相关。继发性胆汁酸产生菌的增多使得结肠原发性胆汁酸转化为更具有细胞毒性、致突变性和抗凋亡的继发性胆汁酸的可能性升高[68-69],而产硫酸盐细菌则在高脂饮食的激发下产生具有毒害性的硫化氢。可见,肠道菌群可能会通过多种途径参与到红肉及加工肉制品对结直肠癌发展中来。

3 前景与展望

虽然红肉及加工肉制品中脂肪、亚硝酸盐和血红素等不利因素具有引发肠道细胞毒性、基因突变以及危害肠道健康的可能性,且人体肠道细菌也会作为中介因素参与其中。但目前的研究结果不足以明确证明红肉及加工肉制品能够引起结直肠癌。一方面说明研究者需要作进一步的研究,了解不同类型的肉类及加工肉制品之间的具体差异,另一方面也说明了膳食对人类健康的影响机制非常复杂。此外,红肉及加工肉制品引起结直肠癌的不确定性,也与研究方法存在缺陷有关。目前常用的研究方法有流行病学、动物实验和细胞培养实验。这三种方法均存在一定缺陷:流行病学方法可控性较差,干扰因素多;而动物模型终究与人体有一定差异;细胞培养不能直接观察到癌症终点，因此采用不同研究方法所得的数据存在不一致的情况。将流行病学与生物标志物、炎症标志物、肠道微生物群、遗传易感性、环境因素以及个体差异等相关信息相结合,全面分析红肉及加工肉制品对结直肠癌风险的影响,将更有利于研究者得出可信度更高的结论。同时,研究者应根据试验假设开发新的试验方法,以期获得更准确的数据和结论。这也启发我们在未来的研究中,可通过动物饲养、育种改变肉类成分，研究肉制品加工新方法(如添加抗性淀粉、多酚等植物化学物质或增高钙含量等)来改善肠道损伤,为今后倡导健康饮食和防治结直肠癌提供新思路。