肠道微环境对胶质瘤的影响

朱云扬，肖红，刘宏毅

胶质瘤是中枢神经系统(central nervous system，CNS)最常见的恶性肿瘤。对于高级别胶质瘤，主流治疗方式包括外科手术、放疗、化疗等的效果常常不理想，且预后差，复发率高。影响胶质瘤生成、进展、预后的因素很多，如原癌、抑癌基因的突变及免疫因素、胶质瘤微环境改变等。然而，大多数研究只专注于CNS内部，对颅脑以外的相关影响因素研究甚少。人体作为一个有机整体，机体各大系统间均紧密相关。胃肠道作为消化系统的重要部分，其代谢产物、免疫微环境、炎症刺激等因素与各大系统的肿瘤如食管癌、血液肿瘤、骨肿瘤、乳腺癌等密切相关[1-2]。近年来，虽然肠道微环境与CNS疾病的相关性研究越来越受重视，但肠道微环境对胶质瘤生长、增殖的影响的研究却仍相对较少。

人体胃肠道内定居着数万亿的微生物群，其携带的基因序列是人类基因组的约150倍。早在两千多年前，希波克拉底就曾断言：“所有疾病都来自于胃肠道”。如今，微生物及其代谢产物已被证明在人脑的生长、发育、免疫调节、能量代谢、信号转导等方面具有重要调节作用[3]。肠道被视为人体第二个大脑，“肠脑轴”这一概念包含了肠道代谢与人脑神经信号的传递、免疫诱导、神经系统微环境调节等之间的相互作用[4]。大脑与胃肠是双向紧密联系的，紧张、焦虑所产生的神经信号，往往引起肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)等疾病。肠道菌群与各种肠道代谢产物，如各种激素、色氨酸、谷氨酸(glutamate，Glu)、五羟色胺(5-HT)、短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)等都会影响着人脑的抑郁、焦虑、自闭等精神状态。此外，肠脑轴通过神经、免疫、内分泌等途径，影响着精神分裂症、老年痴呆症、帕金森病等多种神经精神疾病的发生与进展。肠道菌群与肠道内环境的改变，已被证实与胶质瘤的增殖相关；如饮食、肠道菌群等产生的肠道代谢产物，可以激活胶质瘤中的芳基烃受体(aryl hydrocarbon receptor，AHR)，并通过抑制细胞免疫等机制促进胶质瘤的恶性进展。

以往，肠道微环境影响CNS肿瘤的研究报道较少，只在近期才逐渐受到业界的重视。现对肠道菌群与各类肠道代谢产物通过神经信号传导、小胶质细胞调节、能量代谢等方式，对脑胶质瘤发生、发展的影响进行综述，希望能为胶质瘤的研究提供新的思路。

1 肠脑相关神经因子与信号

胎儿的肠道在出生前呈无菌状态，在出生后，随着双歧杆菌、乳酸杆菌、大肠杆菌、各类球菌、细菌以及其他微生物的定植，神经肽Y(NpY)、多巴胺(dopamine，DA)、5-HT、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)、乙酰胆碱(acetylcholine，Ach)和Glu等神经递质、神经肽被合成与传递。这些神经信号因子可通过下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴、迷走神经通路、肠脑谷胱甘肽通路等影响压力、焦虑、抑郁等心境变化，影响神经退行性疾病和脑胶质瘤的进展。下面，着重介绍几种与胶质瘤密切相关的肠脑神经信号。

1.1 AHR AHR在胶质瘤，特别是胶质母细胞瘤中广泛高表达。AHR除了被胶质瘤自身的犬尿氨酸激活外，还能被环境、饮食、肠道菌群产生的AHR配体所激活，且AHR的高表达常常与胶质瘤患者的预后不良相关。

肠道微生物群将膳食中的色氨酸催化成AHR激动剂，与星形胶质细胞及胶质瘤的AHR结合并诱导其相关作用，如诱导T细胞的激活[5]，调节树突状细胞(dendritic cell，DC)，通过缺氧因子1(hypoxia factor，HIF1)来招募肿瘤相关巨噬细胞(tumor associated macrophages，TAM)；DC与TAM中的AHR还能作用于CD8+T细胞来调控胶质瘤的生长[6]。此外，胶质瘤通过消耗内源性色氨酸，生成免疫调节色氨酸，从而激活AHR并抑制T细胞功能，诱导T细胞凋亡，促进CD39表达，诱导白介素10(interleukin-10，IL-10)产生Tr1细胞的分化等作用[7]。

AHR相关信号通路会改变氨基酸代谢途径，抑制胶质瘤相关巨噬细胞、T细胞、抗原呈递细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞等免疫细胞的功能，造成胶质瘤发生、发展过程中免疫微环境的抑制性改变，并促进胶质瘤侵袭、迁移、克隆形成等功能[6,8]。AHR通路激活的关键因子有IL4诱导因子1(IL4I1)、吲哚胺-2,3-双加氧酶1/2(indoleamine dioxygenase，IDO1/2)和色氨酸-2,3-双加氧酶(tryptophan dioxygenase,TDO)。无论在高级别胶质瘤还是低级别胶质瘤中，IL4I1与AHR活性正相关，与患者生存期负相关[9]。IDO1/TDO激活犬尿氨酸-AHR信号通路，与胶质瘤的病理分级、Ki67指数正相关，与总生存期负相关[10]。总之，AHR是饮食与肠道菌群影响胶质瘤进展的重要因素，且与胶质瘤的级别相关。

1.2 迷走神经 迷走神经是副交感神经系统的重要组成部分。迷走神经的内脏感知功能，能将肠道代谢的信息传递给CNS，构成微生物-肠-脑轴信号传递网络。肠道菌群的各种代谢产物，通过toll样受体刺激肠道内分泌细胞，产生的5-HT、缩胆囊素(cholecystokinin，CCK)、胰高血糖素肽等激素，向迷走神经的传入纤维传递信息至CNS。除了通过迷走神经化学感受器来间接传递信号之外，Glu、短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFA)等神经递质还能直接向迷走神经传递肠道-神经信号[11]。α-突触核蛋白通过肠道信号刺激迷走神经而在CNS中产生并积聚，可造成帕金森病等疾病。近期研究发现，α-突触核蛋白也在胶质母细胞瘤中高表达[12]。迷走神经及其胆碱受体信号能调节肿瘤相关微环境以及肿瘤免疫环境，甚至向大脑提前作出肿瘤预警，通过抑制肿瘤因子来减缓各种肿瘤的进展[13]。虽然许多研究揭示了迷走神经与肿瘤的微环境间的关联，但迷走神经刺激能否确切而有效地影响胶质瘤的增殖，仍有待进一步研究。

1.3 肠道炎症相关因子对胶质瘤的影响 在肠道炎症患者中，许多与胶质瘤增殖相关的蛋白、因子被陆续发现。如胶原蛋白十六、血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)等均在肠道炎性疾病中大量存在。胶原蛋白十六可充当一种适配器蛋白，连接、构成大型纤维网络，调节细胞外基质的完整性和稳定性。胶原蛋白十六在胶质母细胞瘤中，可作为粘附和侵袭的细胞基质，诱导胶质瘤的侵袭性[14]。血管活性肠肽具有抗胶质瘤细胞增殖的特性[15]。在过半胶质母细胞瘤(glioblastoma,GBM)样本中发现的血管活性肠肽受体(vasoactive intestinal polypeptide receptor，VPAC)特别是VPAC1的增强核定位作用，促进了胶质瘤的增殖与迁移[16]。

富亮氨酸重复序列的G蛋白偶联受体4(Lgr4)涉及肠道、胃和表皮细胞功能，LGR5是肠道粘膜和皮肤毛囊中的干细胞标记，其均被证实与恶性胶质瘤的进展及不良预后相关[17-18]。Anoctamin-1(ANO1)在胃肠道中介导上皮细胞的液体分泌功能和平滑肌细胞的蠕动功能，对胃肠道内环境具有重要调节作用。ANO1的异常表达与IBS、病理性腹泻等胃肠道内环境紊乱性疾病密切相关[19]。除调节胃肠道内环境外，ANO1被发现在GBM中过表达，ANO1的高表达通过激活MAPK、PKB、NF-κB等信号通路促进胶质母细胞瘤的增殖、迁移、侵袭和血管生成等恶性进程[20-21]。ANO1可能是连结肠道内环境与脑胶质瘤间潜在的桥梁。

2 小胶质细胞成熟与活化

2.1 小胶质细胞与胶质瘤 胶质瘤组织不仅仅由肿瘤细胞单独组成，还有许多非肿瘤细胞共同构成的。其中，以小胶质细胞为主的TAM占比多达30%～50%。如此高比例的小胶质细胞，为胶质瘤的治疗提供了可能性。针对小胶质和巨噬细胞的免疫治疗，可能会成为胶质瘤新的辅助疗法。

虽然小胶质细胞是CNS中有免疫与吞噬功能的细胞，但在胶质瘤中，其却不攻击或很少吞噬胶质瘤细胞。研究发现，胶质瘤表面蛋白CD47高表达，该蛋白与吞噬细胞上的同源受体STRP+结合，以抑制其吞噬活性。另外，小胶质细胞在胶质瘤中通过TLR2、TLR4等toll样受体、T淋巴细胞等获得重新编码[22]；这可能与胶质瘤的免疫逃逸有关。胶质瘤组织中，小胶质细胞等TAMs，不仅难以吞噬胶质瘤细胞，反而为胶质瘤细胞的迁移和侵袭创造支持性基质[23]。故而虽然小胶质细胞是恶性胶质瘤中比例最高的免疫细胞，其却与患者的存活率成反比[24]。此外，研究还发现，在胶质瘤复发时，外周来源的单核细胞减少，中枢性的巨噬细胞/小胶质细胞的亚型依赖性增加[25]。胶质瘤微环境很大一部分由以小胶质和巨噬细胞为首的炎症渗透物组成，能促进肿瘤生长、耐药、复发[26]。因此，将小胶质细胞作为治疗靶标，具有较高的可行性。

2.2 肠道代谢产物、微生物对小胶质细胞成熟、活化的影响 肠道微生物群是小胶质细胞活化所必须的[27]。在没有或缺乏肠道微生物群的情况下，虽然CNS中小胶质细胞的总数保持不变，但成熟小胶质细胞的数量却大幅减少[28]。研究表明，进入循环的肠道微生物群及其代谢产物的含量也会影响CNS小胶质细胞的功能[29]。如由膳食碳水化合物和纤维的细菌发酵而成的SCFA，能管控小胶质细胞成熟的过程，缺乏SCFA将导致CNS小胶质细胞结构和免疫功能受损[30-31]。一项将老年小鼠的粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)到年轻小鼠的实验显示，在FMT移植后，小胶质细胞与其他CNS免疫细胞的表型发生了变化[32]。肠道炎症小鼠模型实验发现，小鼠CNS中出现了明显的可逆性炎症反应，其特征是小胶质细胞活化和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)表达水平增高[33]。另一项急慢性结肠炎模型的实验发现[34]，急性结肠炎模型小鼠的海马体中，来自外围的巨噬细胞和炎症性骨髓细胞的渗透增强，以及炎症M1样小胶质细胞增多。在慢性结肠炎模型实验研究中发现，组织修复M2样小胶质细胞的百分比增加，同时抗炎细胞因子水平升高。除了肠道菌群外，肠道TLR4信号的激活导致肠道中高流动性组框1的释放，能够促进大脑的小胶质细胞活化与神经功能障碍[35]。

虽然肠道微生物影响人脑小胶质细胞的确切机制仍不明晰，但小胶质细胞与肠道菌群的多样性、特异性密切相关。3种细菌的最小菌落(类杆菌、唾液乳杆菌、ASF356)即可维持小胶质细胞的异常活化与生长[31]。近期，一项研究首次发现[36]，通过两种抗生素来改变肠道菌群的家族性分布，便可通过产生NK细胞的早期损伤，诱导小胶质细胞表型改变，来促进胶质瘤的生长。总之，通过调节肠道菌群，诱导小胶质细胞活性与表型的改变，从而改变脑胶质瘤的免疫微环境。

3 能量代谢

饮食来源、肠道代谢、合成的蛋白与氨基酸不仅可以作为信号因子向胶质瘤传递神经信号，还能调节胶质瘤的代谢，从而促进或抑制肿瘤的增殖。大量研究表明，饮食和代谢疗法对胶质瘤的治疗具有积极作用。如在一项实验中，给胶质瘤荷瘤小鼠喂食去除甲硫氨酸(methionine,Met)、半胱氨酸(cysteine,Cys)的饮食后，能显著抑制胶质瘤的增殖；其机制与Met、Cys缺乏后，增多的活性氧(reactive oxygen,ROS)通过诱导肿瘤自噬效应以满足自生能量及代谢需求有关[37-38]。除了直接改变饮食成分外，肠道各菌群的变化也会造成Met、Cys等氨基酸水平的显著改变[39]。调节饮食或肠道菌群，通过营养代谢途径来抑制胶质瘤的增殖是一个值得研究的新方向。

谷氨酰胺(glutamine,Gln)在胶质瘤能量代谢中起着重要作用，Glu与Gln在CNS中有参与能量代谢与神经信号传递的功能。虽然胶质瘤生长、代谢极度依赖Gln，Gln饥饿疗法也被证明可减少胶质母细胞瘤细胞的增殖活力[40]。但胶质瘤代谢所需要的Gln过半是在CNS中原位合成；故外周血循环的Gln对胶质瘤能量代谢的影响有限。目前大多数Gln与胶质瘤能量代谢的研究均局限于CNS内。研究表明，胶质瘤患者外周血液循环中的Gln含量低于正常人[41]。这可能是因为其被用来补偿胶质瘤细胞过度的能量消耗所致。肠道的Gln大部分来自于饮食，还有一部分由肠道各类细菌合成。在肠道环境病变时，如炎症性肠病或IBS时，肠道屏障、血-脑屏障对Gln的渗透性增加，通过微生物群-肠-脑轴影响CNS中Glu能受体，导致CNS能量代谢的改变。此外，肠道腐生微生物群落的变化也通过多种途径直接或间接地改变脑中Glu含量[42]，进而影响胶质瘤的能量供应。限制热量和限制生酮的饮食是新的胶质瘤代谢疗法，通过减少血循环中葡萄糖和Gln，可以限制胶质瘤能量代谢，诱导代谢性氧化应激与凋亡反应，改善胶质母细胞瘤的预后[43]。

4 结 论

肠道菌群、肠道代谢产物、炎症等肠道微环境的改变，能通过神经、免疫、内分泌等多种途径影响着胶质瘤的发生与发展。神经因子、神经信号通过肠脑轴的传递，小胶质细胞的活化，以及能量代谢是其中三种重要的机制。过去的研究多关注胶质瘤本身或瘤周微环境，而忽视了人体作为一个整体，脑与其他各大系统的紧密联系。如果将胶质瘤的研究视角投向CNS以外，如肠道微环境为代表的消化系统中，相信能取得更多的研究成果。