具核梭杆菌在结直肠癌中的作用

朱耘函，郝朗松，何奎，邓洋，王波，陈琪颖

【提要】 结直肠癌(CRC)是全球第三大常见癌症和第四大常见癌症死亡原因。近年来，越来越多的证据支持肠道微生物在结直肠癌的发生、发展中起到了重要作用。在这些结直肠癌患者中经常观察到健康微生物平衡紊乱，称为失调。引起肠道失调的病原微生物已成为在肿瘤发生中作用的重要靶点。有趣的是，在结直肠癌患者的组织和粪便中检测到不同菌株的存在，如具核梭杆菌(Fn)。具核梭杆菌是一种居住在口腔内的革兰氏阴性需氧菌，与牙周病、呼吸道感染、心血管疾病、阿尔茨海默病、炎症性肠病和几种癌症有关。在结直肠癌患者的组织和粪便中检测到Fn的存在并且丰度高于正常人水平，同时还有研究报道Fn与化疗耐药性和低生存率显著相关。因此，本篇综述中我们将回顾具核梭杆菌在结直肠癌发生、发展中的作用，以及其对于化疗抵抗的作用，希望能将具核梭杆菌作为癌症预防、治疗、化疗抵抗的新靶点。

结直肠癌(colorectal cancer，CRC)是男性第三常见的癌症，女性第二常见的癌症，2018年全球共有180万例，88.1万人死亡[1]。其病因可能非常复杂。目前已确定的结直肠癌病因包括：高龄(>50岁)、结直肠癌或腺瘤的个人病史、炎症性肠道疾病、遗传易感性、低纤维、高脂肪和红肉的饮食、久坐的生活方式、糖尿病、肥胖、吸烟、酒精和放疗[2]。肠道菌群通过调节免疫反应、遗传损伤和凋亡在宿主生理和癌症等疾病中发挥作用[3-5]。大量研究表明，肠道微生物群的失调与CRC有着密切的关系[6]。

具核梭杆菌(Fusobacteriumnucleatum，Fn)是一种革兰氏阴性细菌，是人类口腔的正常成分[7]。作为口腔微生物群的常住成员，具核梭杆菌主要因其在牙周健康和疾病中的作用[7]而被研究，该菌被认为是一种机会性病原体，不仅参与炎症过程，如牙周炎、炎症性肠病、胰腺脓肿、早产儿和肝脓肿，还参与癌症的发展和进展，包括结直肠癌和口腔癌[8]。

之前的研究表明，具核梭杆菌的丰度在结肠癌组织中含量明显高于正常组织，并与结肠癌的转移有关[9]。此外，结直肠癌组织中的具核梭杆菌的数量与患者生存期显著缩短有关[10]，这些发现表明具核梭杆菌可能是结直肠癌的一个重要风险因素，已有许多先例表明微生物在各种癌症的发展中发挥作用，如人乳头瘤病毒(HPV)和宫颈癌、E-B病毒和鼻咽癌、幽门螺杆菌和胃癌。因此，探索具核梭杆菌和结直肠癌之间的潜在关系非常重要。本文综述了具核梭杆菌引起CRC以及化疗抵抗的各种机制。从而为肿瘤的预防和治疗提供参考方向。

1 具核梭杆菌促进结直肠癌发生发展的机制

具核梭杆菌可以通过多种途径促进结直肠癌的发展。具核梭杆菌粘附蛋白(Fap2)通过与D-半乳糖-β(1-3)-N-乙酰-D-半乳糖胺(Galnac)结合，从而促进结直肠癌的发展[11]。此外，具核梭杆菌粘附素A(FadA)可以帮助具核梭杆菌粘附肠上皮细胞的E-钙粘蛋白[12]。因此，具核梭杆菌可以通过Fap2和FadA选择性地定植于结直肠癌组织，当与肠上皮细胞接触时，激活β-连环蛋白，导致不受控制的细胞生长[8,12-13]。当注射到癌前和恶性结直肠癌小鼠模型的尾静脉中时，也发现具核梭状芽孢杆菌定植于大肠组织，这表明具核梭状芽孢杆菌通过造血途径从口腔到达大肠组织[13]。在ApcMin/+小鼠模型中，具核梭杆菌增加了肿瘤的多样性，激活了核因子-κB(NF-κB)途径，并促使髓样细胞浸润到肿瘤中，产生促进结直肠癌发展的促炎症环境[11]。此外，具核梭杆菌可以通过TLR4信号激活增加结直肠癌细胞的增殖和肿瘤的发展[14]。

几项研究表明，在患有高度异型增生和腺瘤的大肠组织中，具核梭杆菌富集[15-16]。毒力因子FadA可促进E-钙粘蛋白介导的肿瘤生长，并诱导宿主产生促炎性细胞因子，腺瘤和腺癌患者结肠组织中的FadA基因水平比健康人高出10～100倍[12]。具核梭杆菌的Fap2蛋白还可以直接与具有Ig和ITIM结构域(TIGIT)蛋白的T细胞免疫受体相互作用，抑制自然杀伤细胞的细胞毒性[17]。

2 肠道细菌代谢物

具核梭杆菌可以利用氨基酸和肽作为肿瘤微环境中的营养来源。Fn产生的各种氨基酸代谢物：包括甲酰甲氧基亮氨酸、苯丙氨酸和短链脂肪酸可以作为髓细胞刺激物，导致肿瘤中的髓细胞扩张。与肠腔中的许多其他专性厌氧细菌相比，具核梭杆菌还具有基本的电子传递链，可以限制它们吸入氧气的能力[18]。因此，具核梭杆菌可以在缺氧肿瘤微环境中持续存在并缓慢复制。此外，各种粘附分子可以增强具核梭杆菌促进细菌聚集和生物膜形成的能力，从而提高耐氧性[19]。总的来说，各种具核梭杆菌代谢物可通过直接促进肿瘤细胞增殖、血管生长或免疫细胞入侵，使肿瘤微环境随着时间的推移变得更易于肿瘤生长。

3 骨髓源性抑制细胞(MDSCs)和自然杀伤细胞(NK)介导的免疫机制

骨髓间充质干细胞被认为是骨髓、脾脏或肿瘤微环境中的髓样细胞，是肿瘤相关巨噬细胞(M2型巨噬细胞)、粒细胞和树突状细胞(DC)的前体。MDSCs是一种免疫抑制细胞，参与免疫抑制，促进血管生成和癌变[20]。研究也表明，大肠癌的发生可能与肠道微生物群有关。例如，结直肠癌中具核梭杆菌的富集可以选择性扩增免疫抑制性髓系细胞，形成免疫抑制性肿瘤微环境(TME)，可有效抑制大肠癌T细胞增殖，诱导T细胞凋亡，浸润性T细胞亚群(即CD3+、CD8+、CD45RO+和FOXP3+细胞)水平较高，预后较好[21]。此外，在肿瘤的发生和发展过程中，骨髓间充质干细胞也能对不同的信号做出反应，并分化为M1和M2表型。这两种表型的巨噬细胞与肿瘤的发生呈相反作用。观察到M1表型阻碍了肿瘤的形成和发展，而M2表型促进了肿瘤的形成和迁移。此外，还发现抑制M2极化或促进M1极化在介导抗肿瘤作用中发挥积极作用[22]。此外，以前的研究也发现M2型巨噬细胞是人类大肠癌中巨噬细胞的主要表型，而具核梭杆菌感染促进了M2型巨噬细胞极化以及肿瘤微环境中的肿瘤生长[22-23]。在不同的临床实验中也发现了类似现象，结直肠癌小鼠肠道微环境中M2型巨噬细胞的数量在喂食具核梭杆菌后显著增加7-8倍[11]。此外，发现通过感染具核梭杆菌可以激活IL-6/p-STA T3/c-MYC和TLR4/NF-κB/S100A9信号通路，以TLR4依赖的方式促进M2型巨噬细胞的极化和大肠癌的进展[11]。

NK细胞可以通过释放各种趋化因子和细胞因子来杀死感染病原体和肿瘤细胞，从而积极参与早期防御机制。胃肠道中高水平的具核梭杆菌可显著降低NK细胞活性[24]。带有免疫球蛋白和ITIM结构域的T细胞免疫受体(TIGIT)是一种能有效抑制NK细胞和其他免疫细胞的受体，可被脊髓灰质炎病毒受体(PVR)和连接蛋白-2分子激活。这些配体与TIGIT结合后，主要通过影响细胞质结构域和免疫受体酪氨酸基抑制基序(ITIM)来启动抑制信号[25]。Fap2蛋白参与具核梭杆菌与癌细胞的结合，并可直接与NK、Treg、CD8+和CD4+T细胞上的TIGIT相互作用[26]。Fap2与TIGIT的结合可抑制NK细胞对抗肿瘤细胞的活性，从而导致大肠癌的生长和进展。

4 DNA损伤

基因组不稳定性是大肠癌的重要特征之一，如微卫星不稳定性(MSI)、CpG岛甲基化表型(CIMP)以及KRAS、BRAF和PIK3CA基因突变[27]。 具核梭杆菌介导的炎症可通过增强活性氧(ROS)的产生和刺激促炎基因表达，从而导致异常DNA甲基化和DNA损伤，从而影响结直肠癌的进展[28]。MSI可因DNA修复机制的缺失而产生，该机制可显著降低细胞修复短链DNA或串联重复的能力，错误修复的累积即可导致基因突变。

已经证实，各种肿瘤抑制基因的突变均可导致结直肠癌发生[29]。例如，在Okita等[27]报告的一项研究中，具核梭杆菌感染与结直肠癌中两种不同类型的微卫星改变有关。高浓度或中等浓度的具核梭杆菌DNA分别与微卫星高不稳定性突变(MSI-H)和微卫星低不稳定性(MSI-L)结直肠癌相关，并能触发DNA损伤。

Koi等[30]报告说，CIMP/MSI-H和具核梭杆菌之间可能存在关联。CIMP/MSI-H和Fn感染之间的关联可以用MSH2和MSH6(MutSα)之间形成的错配修复(MMR)蛋白复合物的作用来解释，即修复由ROS产生的异常碱基，形成7,8-二氢-8-氧代鸟嘌呤(8-oxoG)。由ROS在富含CpG的区域(包括启动子)形成的聚集的8-oxoG对碱基切除修复(BER)是难于修复的。在这些条件下，MutSα与DNA甲基转移酶(DNMTs)和多瘤抑制复合体4(PRC4)合作启动修复。受损部位的DNMTs对CpG岛进行甲基化，以抑制目标基因的转录并促进修复反应。因此，通过慢性Fn感染持续产生的ROS可能启动1)以 MSH2/MSH6依赖的方式启动CIMP阳性腺瘤和癌，2)以MSH3依赖的方式启动低水平的微卫星不稳定性(MSI-L)和选定的四核苷酸重复序列中的微卫星改变(EMAST)类型的CRC。

5 具核梭杆菌通过自噬作用促进结直肠癌的化疗抵抗

在晚期大肠癌患者中，化疗的目的是缩小肿瘤大小，减少肿瘤生长，抑制肿瘤转移。一般来说，细胞活性毒性药物，包括5-氟尿嘧啶(5-FU)和卡培他滨，在DNA复制过程中能抑制胸苷酸合成酶的酶活性[31]，从而抑制肿瘤细胞生长。另一种化疗药物奥沙利铂通过共价结合DNA并形成铂-DNA加合物抑制肿瘤细胞生长并导致细胞G2期阻滞[32]。这些化疗药物的组合广泛用于CRC的治疗[33]。大多数晚期大肠癌患者最初对联合化疗有反应。然而，由于耐药性，患者最终会经历肿瘤复发，因此，阐明大肠癌患者化疗耐药的机制至关重要。

微生物群通过调控肠道炎症[34-35]和肿瘤相关信号通路[36]促进或者抑制结直肠癌的发生和发展。Yu等[37]的研究发现，具核梭杆菌通过激活自噬途径促进结直肠癌的化疗耐药性，自噬元件ULK1和ATG7参与了具核梭杆菌介导的结直肠癌细胞化疗耐药性，并且在mRNA和蛋白质水平上通过选择性丢失miR-18a*和miR-4802，诱导pULK1、ULK1和ATG7上调从而激活自噬，增强肿瘤的化疗抵抗。

6 具核梭杆菌是CRC的潜在生物标志物

在大肠癌筛查中，粪便潜血试验、AFP、CEA等指标通常用于辅助诊断，结肠镜检查主要用于检查，不仅繁琐，而且对患者的创伤也很大。关于Fn的一些研究显示，它在大肠癌患者的粪便和组织中显著富集，比较后有显著的统计学差异[38]，这表明Fn可作为诊断结直肠癌的有用标志物。

但冷冻组织和FFPE组织标本的使用受到手术或结肠镜检查的限制。而结直肠癌患者粪便标本较容易获得，但往往会导致高假阳性检出率[39]。因此，仍需一种更为准确且经济的检测方式以检测结直肠癌患者体内具核梭杆菌丰度，从而辅助患者的诊断及诊疗。

7 总结与展望

CRC的发生及发展与多种肠道微生物有关，肠道菌群的失调与结直肠癌之间的潜在联系是复杂的。目前研究表明，具核梭杆菌是结直肠癌的重要致病危险因素，能在通过多种机制(免疫调节、毒力因子、肠道代谢物、DNA损伤)积极参与大肠癌的发生和转移，并且可以通过自噬途径来促进CRC的化疗抵抗。因此，需要深入研究和干预具核梭杆菌诱导的结直肠癌通路可能为结直肠癌的靶向治疗和预防提供新的方向。此外，具核梭杆菌在一定程度上可以作为检测大肠癌的一种可能的生物标志物，但其检测效率不稳定，需要进一步研究以提高该技术的检测性能，相信以后具核梭杆菌可以为结直肠癌的预防及治疗开辟新的途径。