具核梭杆菌与结直肠癌相关性的研究进展

程玉 谭诗云 李明 马凤梅

[摘要] 结直肠癌（CRC）具有高发病率及死亡率，具核梭杆菌（Fn）与CRC发生发展及耐药性关系密切，但作用机制尚不明确，本文拟从炎症、免疫、表型遗传、代谢、耐药等途径对机制进行探讨。此外，Fn还可作为新型生物标志物用于CRC的临床诊断中，粪便检测、血清学检测、电喷雾电离质谱检测等极具临床诊断价值。同时，针对Fn的抗生素治疗及疫苗治疗为CRC治疗提供了新方向。本文拟Fn导致CRC发生发展及耐药机制、诊断价值、治疗方式进行综述。

[关键词] 具核梭杆菌;结直肠癌;机制;诊断;治疗

[中图分类号] R735.37          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）01（c）-0030-04

Research progress on the relationship between fusobacterium nucleatum and colorectal cancer

CHENG Yu TAN Shiyun LI Ming Ma Fengmei1

1.The First Clinical Medical College， Wuhan University， Hubei Province， Wuhan   430060， China; 2.Department of Gastroenterology  Hubei Key laborary of Digestive System Disease， Renmin Hospital of Wuhan University， Hubei Province， Wuhan   430060， China

[Abstract] Colorectal Cancer （CRC） has high incidence and mortality. Fusobacterium nucaleatum （Fn） is closely related to the occurrence， development and drug resistance of CRC， however， the mechanism is not clear. This paper intends to explore mechanisms from inflammation， immunity， phenotypic inheritance， metabolism， drug resistance and so on. Moreover， Fn can also be used as a new biomarker in the clinical diagnosis of CRC， while fecal test， serological test and electrospray ionization mass spectrometry are of great value in clinical diagnosis. At the same time， antibiotic treatment and vaccine therapy for Fn provide a new direction for the treatment of CRC. This article reviews the mechanism of pathogenesis， drug resistance， the diagnostic value and the treatment of CRC caused by Fn.

[Key words] Fusobacterium nucleatum; Colorectal cancer; Mechanism; Diagnose; Treatment

結直肠癌（CRC）在全球恶性肿瘤中，发病率位居第四，死亡率位居第二[1]。越来越多证据显示[2]，利用微生物菌群治疗癌症具有巨大潜力。具核梭杆菌（Fn）作为共生菌，是一种革兰阴性厌氧杆菌，在口腔中含量最高，是CRC组织中最常见细菌种类之一[3]。2012年首次通过微生物基因组分析揭示Fn在CRC中显著富集，Fn与CRC癌的发生相关[4-5]。研究人员发现，40%以上的CRC患者病变部位和唾液中具有相同的Fn，提示CRC中Fn来源于口腔，进一步显示口腔Fn靶向治疗在CRC的应用前景[6]。

1 Fn促进CRC可能机制

1.1 诱导慢性炎症

Kostic等[7]研究显示，被Fn感染后的ApcMin/+小鼠肿瘤生长加速，通过驱动髓样细胞浸润形成促炎症肿瘤环境。核因子-κB（NF-κB）已被确定为炎症与癌症之间的中心联系，Fn还激活了NF-κB通路并诱导了编码促炎细胞因子的表达，为血管生成及肿瘤生长提供炎症微环境。FadA是Fn的黏附因子，Rubinstein等[8]发现，Fn能通过FadA与肠上皮细胞的E-钙黏蛋白结合激活β-连环蛋白信号通路，导致Wnt的转录活性增强，促进炎性因子分泌、癌基因激活和癌细胞增殖。

1.2 调节免疫功能

自然杀伤（NK）细胞属于先天免疫系统，含免疫球蛋白和ITIM基序的T细胞免疫受体（TIGIT）是NK细胞和其他免疫细胞的抑制性受体，Fn细胞表面糖蛋白2（Fap2）能结合TIGIT，抑制NK细胞的毒性作用，保护肿瘤细胞不被免疫细胞杀死[9]。Fn表面Fap2凝集素还能与含有Gal-GalNAc肿瘤细胞结合，导致Fn富集[10]。此外，Fn还能结合并激活人抑制癌胚抗原相关细胞黏附分子（CEACAM1）导致T细胞和NK细胞活性的抑制，导致肿瘤细胞免疫逃避[11]。肿瘤相关巨噬细胞（TAM）参与宿主防御、组织修复、血管生成和诱导炎症，在肿瘤发生、发展中起着重要的作用。Chen等[12]研究发现，Fn免疫抑制作用是通过Toll样受体4（TLR4）依赖性机制促进巨噬细胞M2极化，导致ApcMin/+小鼠中CRC生长，TLR4可能是Fn相关CRC的免疫治疗靶标。Tahara等[13]研究76例Fn阳性CRC患者显示，CRC中Fn数量与CD3+ T细胞密度呈负相关，Fn通过下调T细胞介导的免疫反应促进CRC发生。

1.3 影响表型遗传

Fn富集可能与表型遗传因素相关，包括微卫星不稳定性（MSI）、CpG岛甲基化表型（CIMP）和微小RNA（miRNA）。各种miRNA对CRC发生起着重要的作用，miRNA-21被认为是Fn的作用靶点，髓样分化因子（MYD88）是TLR信号通路中的一个关键接头分子，在传递上游信息和疾病发生发展中具有重要的作用，Fn通过激活CRC细胞的TLR4/MYD88/NF-κB信号途径上调miRNA-21的表达[14]。Ito等[15]研究465个癌前病变和511个CRC，确定高丰度Fn的CRC发生与CIMP高病变有关。Mima等[16]研究推测微卫星不稳定性（MSI）可能影响抗肿瘤T细胞介导的适应性免疫。Tahara等[13]研究149例结肠直肠癌组织、89例癌旁正常组织和72个正常组织，证实Fn与CIMP、MSI有关。细胞周期依赖激酶抑制剂2A（CDKN2A）是失活率最高的肿瘤抑制基因，是CIMP标志物的一种。相关研究[17]对160个高MSI的CRC中Fn的DNA状态分析，Fn富集与高MSI的CRC组织中CDKN2A（p16）启动子甲基化显著相关，提示Fn能使CDKN2A基因启动子甲基化而失活，并证明Fn在高MSI的CRC中发挥积极作用。Yang等[18]研究发现，Fn通过TLR4/MYD88途径导致NF-κB活化、上调miR21，Fn和miR-21水平共同升高与不良预后相关。

1.4 代谢产物影响

硫化氢（H2S）是一种已知的基因毒性产物，在结肠癌细胞中观察到H2S酶的表达增加，过量的H2对CRC的增殖有着重要的作用[19]。Fn可产生挥发性硫化物，如H2S等，即使浓度很低，对组织也是致癌的，可能导致基因组不稳定或累积突变，通过激活增殖、侵袭等信号传导途径影响肿瘤生长和转移，并增强肿瘤血管生成[20]。丁酸盐因能减缓结肠癌细胞生长、激活癌细胞凋亡，对结肠癌有预防作用。Fn能够消耗丁酸盐，并通过多种途径诱导CRC的发生[21]。Fn产生的氨基酸代谢产物，如甲硫氨酰、亮氨酸、苯丙氨酸以及短链脂肪酸，均是髓系细胞趋化剂，可能是癌内髓样细胞扩张的原因[22]。

1.5 诱导化疗耐药

大多数晚期CRC患者初期对联合化疗有反应，然而最终由于耐药导致肿瘤复发。目前认为，Fn调节Toll样受体、miRNA和自噬的信号通路，实现CRC的化疗耐药。凋亡抑制因子BIRC3通过抑制癌细胞凋亡诱导化疗抗性。有研究[23]显示，Fn通过TLR4/NF-κB途径上调CRC细胞中的BIRC3表达促进对5-氟尿嘧啶（5-Fu）的化疗耐药性，Fn丰度与晚期CRC患者的化学耐药性相关，且Fn和BIRC3可作为降低晚期CRC中5-Fu化疗耐药性的治疗靶点。另有研究[24]显示，Fn作为潜在CRC治疗的靶向药物，可下调miRNA-18a和miRNA-4082，诱导CRC细胞从凋亡转变为自噬途径，促进CRC患者对奥沙利铂和5-Fu的化疗抵抗。

2 Fn临床检测方法

Fn作为潜在微生物标志物，可能代表未来筛选CRC的重要策略，选择具有“高危”Fn感染的患者进入下一步的诊疗流程（如结肠镜检查等），是非常有临床前景的诊断方式。

糞便免疫化学试验（FIT）用于筛查CRC，然而FIT阳性可能是许多非CRC的先兆，许多摄入的物质也可能导致假阳性。添加微生物标志物（如粪便Fn丰度）可以作为非侵入性筛查CRC的补充手段。Tunsjo等[25]研究对CRC患者粪便和黏膜中的Fn进行检测，发现CRC中粪便中的Fn含量明显高于正常组和息肉组，且粪便中Fn与CRC组织中Fn比较，差异无统计学意义，反映了粪便中高丰度的Fn可用于CRC患者肿瘤组织中Fn的检测。Wong等[26]研究显示，当Fn的粪便定量显著提高CRC检出的灵敏度及特异度，与FIT联合测试时可以挽救超过75%的独立FIT遗漏CRC患者。证实Fn的粪便定量可作为诊断CRC有价值的生物标志物，以及FIT漏诊的补充诊断，对筛查晚期结直肠腺瘤有着巨大的潜力。Liang等[27]研究显示，Fn和其他肠道菌群的联合诊断与单独Fn诊断比较，对CRC特别是对于非转移性CRC癌的诊断效能提高，提示微生物联合诊断具有广阔的应用前景。

除了粪便诊断，血清中针对Fn-IgA或Fn-IgG抗体的检测也具有作为诊断潜力。Wang等[28]将Fn阳性的CRC患者血清分别与HRP-IgA、HRP-IgG孵育。研究显示，Fn蛋白抗原可引起强烈的体液反应，并在CRC患者中产生高水平的特异性抗体。血清抗Fn-IgA和抗Fn-IgG显示出诊断Fn感染的能力，抗Fn-IgA和癌胚抗原（CEA）的组合更好地用于诊断CRC（灵敏度和特异性分别为53.10%和96.41%）。然而，还需要进一步审查血清抗体测试的特异性和敏感性，并且Fn的遗传和抗原多样性以及牙周炎或其他梭杆菌感染的病史可能是混杂因素。

电喷雾电离质谱（ESI-MS）是一种新型诊断技术，特别适用于疑似厌氧菌感染以及培养呈假阳性。在传统微生物检测和PCR/ESI-MS技术检测Fn前瞻性比较中，抗菌治疗后获得的72%的培养物是阴性的，而运用ESI-MS技术在60%培养假阴性的病例中检测到Fn，极大提高了Fn检测的灵敏性，对于指导抗Fn治疗具有极高的意义[29]。

3 抗Fn治疗

除青霉素外，大多数Fn的临床分离菌株对许多抗生素都很敏感，包括甲硝唑、克林霉素和许多β-内酰胺类抗生素。Bullman等[30]研究显示，在高负荷Fn的CRC来源的异种移植模型中，甲硝唑可以通过减少Fn数量、减少肿瘤体积，进一步强调了微生物菌群调节作为Fn相关CRC的潜在治疗方法的必要性。然而，部分厌氧菌的存在改善了放化疗的反应，而甲硝唑广泛靶向作用于厌氧菌及其耐药性，都是需要解决的问题。由于对抗生素耐药性的担忧，抗病毒策略可能更为合适。抗氧化蛋白烷基氢过氧化物还原酶亚基C（AhpC）可在各种病原体感染期间诱导强烈的抗菌免疫应答，相关研究[31]显示，AhpC重组蛋白可以被CRC患者血清中的抗体特异性识别，AhpC/明矾的全身预防性免疫在77.3%小鼠中有抗Fn作用，具有高抗AhpC抗体滴度的血清可抑制Fn生长。研究结果支持使用AhpC作为针对肠道中Fn居住或感染的潜在疫苗候选物，可以提供预防与Fn感染相关的CRC的实用策略。

4 小結

目前已经证实，Fn在CRC发生发展、化疗耐药中起着重要的作用，Fn的诊断、治疗价值也被发现。近年来，微生物群菌群相关疾病的研究成为热点，Fn作为微生物菌群中的一员，诊治在临床领域有着广阔的应用前景。流行病学研究也已开始讨论改变生活方式、调节肠道微生物菌群，如饮食、调节肠道菌群药物、抗生素等，旨在影响体内Fn水平从而防治CRC。考虑针对性诊断及治疗Fn之前，必须更多地了解基本生物学特性，包括天然生态位置和其他可能与疾病相关的位置、与宿主细胞及与其他微生物相互作用、与众多疾病的因果关系，只有掌握共生关系和致病机制，才能更好的用于诊断、预防和治疗。

[参考文献]

[1]  Bray F，Ferlay J，Soerjomataram I，et al. Global cancer statistics 2018：GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries [J]. CA Cancer J Clin，2018，68（6）：394-424.

[2]  Garrett WS. Cancer and the microbiota [J]. Science，2015， 348（6230）：80-86.

[3]  Brennan CA，Garrett WS. Fusobacterium nucleatum-symbiont，opportunist and oncobacterium [J]. Nat Rev Microbiol，2019，17（3）：156-166.

[4]  Kostic AD，Gevers D，Pedamallu CS，et al. Genomic analysis identifies association of Fusobacterium with colorectal carcinoma [J]. Genome Res，2012，22（2）：292-298.

[5]  Castellarin M，Warren RL，Freeman JD，et al. Fusobacterium nucleatum infection is prevalent in human colorectal carcinoma [J]. Genome Res，2012，22（2）：299-306.

[6]  Komiya Y，Shimomura Y，Higurashi T，et al. Patients with colorectal cancer have identical strains of Fusobacterium nucleatum in their colorectal cancer and oral cavity [J]. Gut，2019，68（7）：1335-1337.

[7]  Kostic AD，Chun E，Robertson L，et al. Fusobacterium nucleatum potentiates intestinal tumorigenesis and modulates the tumor-immune microenvironment [J]. Cell Host Microbe，2013，14（2）：207-215.

[8]  Rubinstein MR，Wang X，Liu W，et al. Fusobacterium nucleatum promotes colorectal carcinogenesis by modulating E-cadherin/beta-catenin signaling via its FadA adhesin [J]. Cell Host Microbe，2013，14（2）：195-206.

[9]  Gur C，Ibrahim Y，Isaacson B，et al. Binding of the Fap2 protein of Fusobacterium nucleatum to human inhibitory receptor TIGIT protects tumors from immune cell attack [J]. Immunity，2015，42（2）：344-355.

[10]  Abed J，Emgard JE，Zamir G，et al. Fap2 Mediates Fusobacterium nucleatum Colorectal Adenocarcinoma Enrichment by Binding to Tumor-Expressed Gal-GalNAc [J]. Cell Host Microbe，2016，20（2）：215-225.

[11]  Gur C，Maalouf N，Shhadeh A，et al. Fusobacterium nucleatum supresses anti-tumor immunity by activating CE-ACAM1 [J]. Oncoimmunology，2019，8（6）：e1581531.

[12]  Chen T，Li Q，Wu J，et al. Fusobacterium nucleatum promotes M2 polarization of macrophages in the microenvironment of colorectal tumours via a TLR4-dependent mechanism [J]. Cancer Immunol Immunother，2018，67（10）：1635-1646.

[13]  Tahara T，Yamamoto E，Suzuki H，et al. Fusobacterium in colonic flora and molecular features of colorectal carcinoma [J]. Cancer Res，2014，74（5）：1311-1318.

[14]  Hashemi GN，Heidarzadeh S，Jahangiri S，et al. Fusobacterium nucleatum and colorectal cancer：A mechanistic overview [J]. J Cell Physiol，2019，234（3）：2337-2344.

[15]  Ito M，Kanno S，Nosho K，et al. Association of Fusobacterium nucleatum with clinical and molecular features in colorectal serrated pathway [J]. Int J Cancer，2015，137（6）：1258-1268.

[16]  Mima K，Sukawa Y，Nishihara R，et al. Fusobacterium nucleatum and T Cells in Colorectal Carcinoma [J]. JAMA Oncol，2015，1（5）：653-661.

[17]  Park HE，Kim JH，Cho NY，et al. Intratumoral Fusobacterium nucleatum abundance correlates with macrophage infiltration and CDKN2A methylation in microsatellite-unstable colorectal carcinoma [J]. Virchows Arch，2017， 471（3）：329-336.

[18]  Yang Y，Weng W，Peng J，et al. Fusobacterium nucleatum Increases Proliferation of Colorectal Cancer Cells and Tumor Development in Mice by Activating Toll-Like Receptor 4 Signaling to Nuclear Factor-kappaB，and Up-regulating Expression of MicroRNA-21 [J]. Gastroenterology，2017，152（4）：851-866.

[19]  Hellmich MR，Szabo C. Hydrogen Sulfide and Cancer [J]. Handb Exp Pharmacol，2015，230：233-241.

[20]  Kezuka Y，Ishida T，Yoshida Y，et al. Structural insights into the catalytic mechanism of cysteine（hydroxyl）lyase from the hydrogen sulfide-producing oral pathogen，Fusobacterium nucleatum [J]. Biochem J，2018，475（4）：733-748.

[21]  Scharlau D，Borowicki A，Habermann N，et al. Mechanisms of primary cancer prevention by butyrate and other products formed during gut flora-mediated fermentation of dietary fibre [J]. Mutat Res，2009，682（1）：39-53.

[22]  Kostic AD，Chun E，Robertson L，et al. Fusobacterium nucleatum potentiates intestinal tumorigenesis and modulates the tumor-immune microenvironment [J]. Cell Host Microbe，2013，14（2）：207-215.

[23]  Zhang S，Yang Y，Weng W，et al. Fusobacterium nucleatum promotes chemoresistance to 5-fluorouracil by upregulation of BIRC3 expression in colorectal cancer [J]. J Exp Clin Cancer Res，2019，38（1）：14.

[24]  Yu T，Guo F，Yu Y，et al. Fusobacterium nucleatum Promotes Chemoresistance to Colorectal Cancer by Modulating Autophagy [J]. Cell，2017，170（3）：548-563.

[25]  Tunsjo HS，Gundersen G，Rangnes F，et al. Detection of Fusobacterium nucleatum in stool and colonic tissues from Norwegian colorectal cancer patients [J]. Eur J Clin Microbiol Infect Dis，2019，38（7）：1367-1376.