肠道微生物群衍生的代谢产物调控结直肠癌的新进展

王朗玥 赵琦 综述 吴华星 审校

结直肠癌是最常见的癌症之一，它在所有癌症中的发病率排名第3，死亡率排名第2[1]。肠道生态系统的改变与人类健康和疾病的变化有关，人体肠道微生物在结直肠癌病因学中发挥作用，这不仅源于某些特定病原体的专门致癌作用，也源于更广泛的微生物群落尤其是它们代谢产物的影响[2]。多项研究表明，短链脂肪酸(Short chain fatty acids，SCFA)、肌苷、长链脂肪酸(Long chain fatty acids，LCFA)和吲哚等代谢产物有助于宿主抵抗结直肠癌。总胆汁酸、三甲胺N-氧化物(Trimethylamine N-oxide，TMAO)、N-亚硝基化合物(N-nitroso compounds，NOC)、乙醛、硫化氢(Hydrogen sulfide，H2S)和细菌毒素等代谢产物与结直肠癌的发生发展有关。

1 肠道微生物群代谢产物的来源

肠道微生物群在人体内进行着复杂活跃的代谢活动，不仅为自身提供生长和繁殖所需的能量和营养，也产生大量的代谢产物进入到人体中。来自菌群的代谢产物主要分为三类[3]：(1)肠道微生物群直接从饮食成分中产生的代谢物。主要包括SCFA、吲哚衍生物和多胺。SCFA是由肠道微生物群发酵宿主无法代谢的食物而产生的碳原子小于6个的有机脂肪酸。肠道中的SCFA主要是乙酸、丙酸和丁酸，比例通常为3∶1∶1。乙酸和丙酸主要由拟杆菌产生，丁酸主要由厚壁菌产生[4]。除SCFA以外，肠道微生物群还会从宿主无法消化的食物中产生不同的吲哚衍生物，它们可以充当宿主细胞中芳烃受体(Aromatic hydrocarbon receptor，AhR)的配体。AhR是配体激活的转录因子，在肠道中起着重要作用[5]。AhR缺乏的小鼠患有多种免疫缺陷疾病，比如自身免疫性脑脊髓炎和对细菌或真菌感染的抵抗力降低等[6]。事实证明，丁酸和乙酸盐等SCFA可以显著改善人类结直肠癌细胞系和小鼠结肠细胞中与Ah相关的基因表达，这证明了SCFA和AhR配体之间在保护结直肠癌方面具有协同作用[7]。肠道微生物群还可以加工饮食中的精氨酸产生多胺(主要为腐胺和亚精胺)，多胺在基因表达和增殖中起重要作用[8]；(2)宿主产生并由肠道微生物群进行生物化学修饰的代谢物。主要包括次级胆汁酸、牛磺酸、支链氨基酸等。肠道微生物群不仅代谢饮食成分，还代谢宿主分泌到胃肠腔中的底物。Duboc等[9]发现无菌(GF)小鼠粪便中的胆汁酸含量比常规小鼠更高，并且在GF小鼠的粪便样品中几乎未检测到次级胆汁酸；(3)肠道微生物群合成的代谢物。主要包括ATP、多糖A(Polysaccharide A，PSA)。肠道微生物群不仅会改变饮食成分和宿主代谢产物，而且自身还会合成并分泌信号分子。例如，部分肠道微生物群会主动分泌ATP，并且GF小鼠的肠道中ATP浓度低于对照组[10]。

2 肠道微生物群代谢产物与结直肠癌的关系

2.1 DNA损伤

肠道微生物群可以产生直接导致DNA损伤的蛋白质、分子和次级代谢产物。这些产物可以直接与宿主DNA相互作用，从而使其突变[11]。结直肠癌的发生发展与相关基因结构和功能发生改变有关。菌群代谢产生的NOC通过DNA烷基化促进癌症并发挥致癌作用[12]。肠道微生物群代谢乙醇为乙醛，乙醛具有高毒性和致癌性并且会引起DNA损伤[13]。脆弱芽孢杆菌毒素(Bacillus fragilis toxin，BFT)可以通过诱导基因突变，破坏DNA以及最终破坏上皮细胞基因组导致结直肠癌的进展[14]。梭状芽胞杆菌产生的胆汁酸水解酶催化次级胆汁酸(包括胆石酸和脱氧胆酸)的增加，这些次级胆汁酸影响有丝分裂过程，致使活性氧(Reactive oxygen species，ROS)增加和DNA损伤，从而导致结直肠癌的发病风险增加[15]。Wilson等[16]在家族性息肉病患者中鉴定出了一种能产生基因毒素colibactin的pks+大肠杆菌。colibactin可与腺嘌呤发生烷基化反应形成DNA加合物，从而损伤DNA结构，是促进结直肠癌的潜在分子机制。这种DNA加合物或许能作为pks+大肠杆菌暴露的生物标志物，用于预测结直肠癌的风险，其临床价值有待进一步研究。

2.2 免疫反应

肠道微生物群衍生的代谢产物与宿主免疫系统之间的相互作用会影响结直肠癌的发生发展[17]。产肠毒素型脆弱拟杆菌(Eeterotoxigenic-Bacteroides fragilis，ETBF)释放一种毒素，该毒素引起上皮细胞脱落和上皮钙粘蛋白裂解[18]，ETBF除了直接破坏上皮屏障功能外，还可以激活Toll样受体导致IL-6和TNF-α的产生以及STAT3和NF-kB的进一步激活来促进结直肠癌发生发展[19]，这也提示ETBF可作为检测结直肠癌的潜在标志物。菌群衍生的次级胆汁酸可调节肠道调节性T细胞(T regulatory cells，Treg)稳态[20]。SCAF通过上调GPR15表达促进肠道Treg细胞增殖来发挥抗肿瘤作用[21]。菌群来源的ATP已显示出可促进肠道Th17细胞的分化功能[22]。最新的一项研究中，科研人员从小鼠中分离出了约氏乳杆菌、假长双歧杆菌和欧氏菌属，假长双歧杆菌的代谢产物肌苷作用于T细胞表达的腺苷2A受体，在常规树突状细胞的共刺激下，可促进Th1细胞的分化和活化，促进抗肿瘤免疫反应，这些益生菌及代谢产物可在结直肠癌模型小鼠中增强免疫检查点抑制剂(Immune checkpoint inhibitor，ICI)治疗的疗效[23-24]。该研究鉴定出了一个能强化ICI的微生物代谢产物-免疫途径，对于研发基于微生物的辅助疗法具有重要参考意义。

2.3 肠道粘膜屏障

肠道屏障功能受损会促进结直肠癌的发生发展，致癌代谢物的分泌增加以及有益代谢物的分泌减少会损害肠道屏障功能[25]。在大鼠实验中已验证肠道微生物群的代谢产物氨会使粘膜屏障受损并且增加结肠腺瘤的数量[26]。硫化物对结肠细胞有毒并抑制丁酸盐氧化，会破坏结肠细胞屏障[27]。有些菌群代谢产物可以增强肠道粘膜屏障功能。SCFA是肠道上皮细胞的重要营养素，促进肠道上皮细胞分化和生长并保持肠道上皮的完整性[28]。肽链球菌来源的色氨酸代谢产物吲哚可以通过AhR发出信号诱导杯状细胞增殖从而维持粘膜屏障功能，吲哚还可以调节细胞骨架蛋白来增强肠道上皮的屏障功能[29-30]。

2.4 炎症反应

肠炎诱发结直肠癌需要肠道微生物群及其衍生的代谢产物参与，已有研究证明通过靶向促肿瘤肠杆菌的代谢可以降低小鼠肠炎相关结直肠癌发生率[31]。SCFA发挥重要抗炎作用，丁酸结合其受体并通过信号传导促进巨噬细胞和树突状细胞的抗炎活性，还会触发Treg细胞和T细胞的分化并促进抗炎细胞因子IL-10的表达[32]。在小鼠实验中发现，高水平的丁酸盐可以抑制组蛋白脱乙酰酶(Histone deacetylase，HDAC)的活性，并上调由甲氧基甲烷/右旋糖酐硫酸钠(Azoxymethane/dextran sodium sulfate，AOM/DSS)诱导的结直肠癌鼠模型肠道中的抗炎反应[33]。由于丁酸盐可以维持肠道健康并具有抵抗结直肠癌的能力，因此鼓励研究人员确定潜在的产生丁酸盐的细菌作为下一代益生菌。大肠杆菌Nissle1917(EcN)相比于其它大肠杆菌菌株，可产生更多的一种特定长链脂肪酸(LCFA)，这种LCFA可结合并激活过氧化物酶体增殖物激活受体PPARγ以发挥抗炎作用，从而抑制DSS诱导的小鼠结肠炎[34]。这种特殊的大肠杆菌也可做为结直肠癌的治疗靶点。脆弱拟杆菌通过外膜囊泡释放PSA诱导Treg细胞增加和IL-10介导的T细胞和树突状细胞的抗炎反应[35]。熊去氧胆酸(Ursodeoxycholic acid，UDCA)可以阻止COX-2的产生和抑制脱氧胆酸(Deoxycholic acid，DCA)的作用，并且能用作结直肠癌的化学预防剂[36]。一些菌群代谢产物有致炎作用。研究发现通过刺激结直肠癌细胞系中促炎细胞因子的表达，在Apc(min/+)小鼠中施用DCA可促进肠腺瘤和肠癌的生长[37]，但施用双果糖酐III(Difructose anhydride III，DFAIII)作为益生元可通过调节胆汁酸代谢来减少大鼠DCA的产生[38]，或许可以用DFAIII来拮抗DCA的作用以减缓结直肠癌的发展。产生硫化物的细菌会通过产生H2S来破坏肠壁的屏障功能，从而引起炎症和成瘤[39]。Hebels等[40]在患有溃疡性结肠炎的大量患者中发现了粪便NOC，通过将溃疡性结肠炎患者的粪便NOC水平与基因表达相关联，或许可以预测NOC在结直肠癌进展中的作用。Guo等[41]发现受到高剂量辐射后的小鼠与GF小鼠相比，粪便中微生物衍生的丙酸和色氨酸代谢产物的浓度增加，这些代谢产物发挥了放射防护作用、减轻了造血和胃肠综合征并降低了促炎反应。这也为减轻癌症放疗的毒副作用和治疗辐射损伤提供了潜在的治疗靶点。

2.5 其他

胆汁酸作为激素与核受体相互作用并激活促进细胞凋亡的细胞信号传导途径[42]。菌群代谢产物没食子酸可破坏突变型p53对WNT通路的抑制功能，诱导由WNT驱动的肠细胞恶性程度增加[43]。菌群代谢产生芳香族氨基酸可以增加细胞膜通透性从而破坏细胞结构[44]。

3 肠道微生物群代谢产物在早期结直肠癌筛查中的潜在应用

除了对肠道微生物群衍生的代谢产物及其致癌机制进行评估外，就结直肠癌检测而言，一些代谢组学研究也支持肠道中存在的代谢产物水平与结直肠癌进展之间的关联。通过鉴定和消除癌前病变进行合适的结直肠癌筛查有可能早期发现并降低结直肠癌的发生率和死亡率。Williams等[45]使用代谢组学方法检查恶变前息肉转基因模型中的粪便代谢谱，与对照小鼠相比，转基因小鼠的脂肪酸和胆汁酸代谢产物(如牛磺酸或次黄嘌呤/黄嘌呤)显著升高。在另一项研究中，研究人员使用NMR代谢组学定量结直肠癌患者粪便样品中的代谢产物，结直肠癌患者粪便中的戊酸酯、异戊酸酯、支链脂肪酸、苯乙酸酯和异丁酸酯的浓度较高，糖、甲醇、氨基酸、胆酸盐的含量很低[46]。最近的数据显示，结直肠癌中粘膜内癌患者粪便中的胆汁酸、苯丙氨酸和支链氨基酸含量明显升高，结直肠癌中肠道微生物群衍生代谢物的动态变化是从早期到晚期，表明对粪便样品代谢组学的评估可以揭示结直肠癌患者肠道微生物群的不同阶段特异性表型[47]。

越来越多的代谢组学数据收集为诊断结直肠癌提供了丰富的资源，但由于微生物群及其代谢产物在个体之间的高度变异性，目前尚无用于结直肠癌检测的通用生物标志物。一些因素如抗生素治疗、诊断程序的标准化和验证，对确定通用生物标志物构成了挑战[48]。一种代谢产物可能不是筛查结直肠癌患者粪便代谢组的有效生物标志物，因此，将需要在不同种族的患者群体中引入多种生物标志物，以得出更完整的代谢组学数据，以便在将来进行结直肠癌检测。

4 小结与展望

菌群衍生的代谢产物不仅可以影响结直肠癌的发生发展，也可以影响结直肠癌的治疗。未来，研究人员可以研究专门针对产生有害毒素和代谢产物的微生物酶的药物来减少有害产物的积累，也可以补充对结直肠癌防治具有有益作用的菌群衍生产物如丁酸盐、肌苷和LCFA。一些代谢产物对结直肠癌的确切作用的证据有限，如琥珀酸盐、乳酸、H2S、TMAO和NOC等。这些产物对未来的研究具有挑战性。因此，阐明肠道微生物群代谢产物与结直肠癌之间的确切机制对于理解代谢产物在人类结直肠癌形成和消退中的作用至关重要。总之，探索肠道微生物群代谢产物在结直肠癌中的作用可能有助于开创结直肠癌管理的新策略。