肠道菌群与癌症发生及治疗的研究进展

乐 婧，李睿莹，李 雪，甘 巧，孟庆雄

(昆明理工大学 生命科学与技术学院，云南 昆明 650500)

0 引 言

近年来，研究发现体内微生物在人体健康方面起着非常重要的作用[1]，而肠道微生物作为体内微生物的重要部分，对人体健康有着很大的影响.肠道微生物可参与机体的物质吸收代谢以及能量转化，还影响组织发育、炎症和免疫的进程及状态，以及改变机体对激素和化疗药物的反应[2-5].肠道微生物群的失调，可能会导致一系列疾病的发生.之前的研究发现，肥胖人群与偏瘦人群相比，肠道微生物群中拟杆菌(Bacteroidetes)更少而厚壁菌(Firmicutes)更多；而在肥胖人群减肥之后，他们的肠道微生物组成会更接近偏瘦人群[6].随着近年来研究的继续深入，除了通常认为的与饮食密切相关的疾病外，一些心脑血管疾病或是某些精神类疾病与肠道微生物也存在一定的联系[7-9].

最初人们认为酸性环境的胃里没有微生物的存在，直到发现幽门螺杆菌(Helicobacterpylori)与胃炎胃癌之间的关系，并接受了胃里有微生物存在的观点，也打开了肠道微生物与癌症关系研究的大门.随着癌症的发病率与死亡率不断上升[10-11]，其已成为世界性的重大公共卫生问题[12].目前癌症治疗的主要方式为化学药物治疗以及癌症放射治疗，但它们在治疗癌症的同时对人体也存在一定的副作用，例如导致身体衰弱、免疫功能下降、消化障碍，或是对某些器官具有一定的毒性等.除此之外，癌症的治疗方法还发展出了精准治疗以及免疫治疗；但这些治疗方法同样存在一定的缺陷，例如单一药物靶向单一癌症标志物无法对异质性丰富的癌症进行治愈[13].由于不同患者免疫系统与癌症之间的相互作用不同，免疫治疗(尤其是检查点抑制剂)在不同个体间治疗效果也不尽相同[14].

近年来发现，肠道菌群在癌症的发生发展及治疗中具有极为重要的作用.因此，本文归纳总结了肠道微生物在不同方面对癌症的发生、发展及治疗产生的影响，并对肠道微生物作为癌症诊断与治疗的靶标进行了展望.

1 肠道微生物与癌症之间的关系

肠道微生物被称为人体的“第二基因组”，与人体健康息息相关.近年来有大量研究表明肠道微生物与胃癌、肠癌、肝癌、腺癌等消化道相关癌症有着密切联系.胃癌是一种与炎症相关的癌症，而幽门螺杆菌可以刺激免疫反应与炎症，调节许多信号通路，因此可以通过幽门螺杆菌对胃癌进行预警及预防[15-16].肝细胞癌(Hepatocellular Cancer, HCC)和胆管癌(Cholangiocarcinoma,CCA)是最常见的肝癌类型，有研究发现，HCC患者粪便中的大肠杆菌(E.coli)远远高于健康对照组[17]，而CCA患者的胆管样本中的二烯菌科(Dietziaceae)、假单胞菌科(Pseudomonadaceae)和草酸杆菌科(Oxalobacteraceae)比非CCA患者更为丰富.因此，科学家们认为肠道内某些微生物的过度生长可能会促进肝癌的发展[18]，例如通过使胆汁排出量减少和肠道抗肿瘤激素分泌改变微生物肽和IgA引起肝硬化等[19].

但微生物不仅存在于肠道内，各器官及血液中也存在着微生物，而这些微生物与癌症的发生发展同样存在联系，见表1.与肠道微生物相似，呼吸道微生物群失调可能是肺部疾病发生及发展的原因.呼吸道微生物的多样性以及丰度相对较低，可能与不成熟的免疫反应和过敏性炎症易感有关[20]，除此之外，肺部微生物还可能导致囊性纤维化、哮喘、特发性肺纤维化等疾病的发生[21].人们通常认为，血液中是不存在微生物的，但近年来的研究发现，血液中不但存在着微生物，它们还与某些疾病有密切联系.Poore等[22]对一万多名癌症患者的组织和血液进行测序，检测到微生物的存在，并且这些微生物的组成可以用来对不同的癌症进行区分，更加体现出体内微生物与人体疾病之间存在密切联系.

表1 消化道癌症与微生物

最近的研究还发现，除了肠道、呼吸道或是血液中，癌症组织中也存在着少量微生物.有研究发现在113例人类胰腺导管腺瘤组织中，有86例(76%)呈细菌阳性，主要是丙型变形菌(Gammaproteobacteria)[23].Riquelme等[24]发现在胰腺导管腺癌(Pancreatic Ductal Adenocarcinoma, PDAC)患者的癌症组织中存在着微生物群，并且在进行手术切除的PDAC患者中，预后较好的患者(Long-Term Survival, LTS)的癌症组织中，微生物多样性较预后较差的患者(Short-Term Survival, STS)更丰富，他们发现假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas)、糖多孢菌属(Saccharopolyspora)及链霉菌属(Streptomyces)在LTS患者的肿瘤组织中富集，表明肿瘤内微生物也能对患者预后起到预测的作用.乳腺癌已成为世界上十分常见的一种癌症，在全球女性中的发病率高达24%，在我国，乳腺癌的发病率也呈现逐渐上升趋势.近年来，科学家发现乳腺组织中存在大量微生物[25]，并且这些微生物与乳腺癌的发生也有一定的联系.有研究发现，对同一患者的乳腺癌组织及其邻近的正常组织进行微生物组测序，在癌组织中抗辐射甲级杆菌(Methylobacteriumradiotolerans)的丰度相对更多，而在邻近的正常组织中延髓鞘氨醇单胞菌(Sphingomonasyanoikuyae)表现更加富集，同时他们还发现较高的细菌DNA水平与较低的乳腺癌发展进程有关，认为微生物可能通过刺激宿主免疫监视和抗肿瘤反应达到保护的目的[26].

2 肠道菌群影响癌症发生的可能机制

癌症是对人类健康造成极大威胁的病症之一，目前已有许多研究表明肠道微生物与癌症的发生发展存在着密切联系.Coleman等[29]在肿瘤形成前从肠上皮细胞特异性表达转录激活因子6(ATF6)活性形式(nATF6IEC)的小鼠中收集盲肠菌群，转入无菌nATF6IEC小鼠使其发生结直肠癌；但对其使用抗生素后，该小鼠的结直肠癌发生率大大降低，并且在无菌条件下培养的nATF6IEC小鼠则完全避免了肿瘤的发生.这一研究支持了肠道微生物群的改变可能会导致癌症发生的观点.

2.1 肠道菌群通过干预代谢系统影响癌症的发生发展

代谢失调会导致多种疾病的发生，而肠道微生物可以通过干扰宿主代谢对癌症的发生及发展产生影响.核梭杆菌(Fusobacteriumnucleatum)是结直肠癌的一种重要致病菌，有研究发现，它可以通过上调膜联蛋白A1的表达从而导致细胞周期蛋白D1的过度表达，促进细胞癌变，加剧癌症进展[30].通过使用抗生素甲硝唑对结直肠癌异种移植的小鼠进行治疗，能够有效地抑制癌细胞的增殖与肿瘤的生长[27].Yoshimoto等[31]发现衰老相关分泌表型(Senescence-Associated Secretory Phenotype,SASP)在促进小鼠肥胖相关肝细胞癌(HCC)的发生中起重要作用；因饮食或遗传肥胖引起肠道菌群的改变，会激发SASP表型导致其在肝脏中分泌各种促炎促癌因子，从而促进化学致癌物诱导小鼠肝癌的发生.最新的研究还发现，肿瘤细胞会通过代谢乳酸促进Treg细胞增殖，从而抑制效应T细胞的功能进而导致免疫逃逸[32]；使用合生元治疗后肠道微生物的组成改变，导致细胞内的致癌途径及耐药性相关基因的表达有所下调，同时使肿瘤代谢物乳酸的水平下降，有效地治疗了结直肠癌[33](见图1).

图1 黑色素瘤细胞通过分泌乳酸进行免疫逃逸[32-33]

2.2 肠道菌群通过干预免疫系统影响癌症的发生发展

除了对代谢进行干扰进而影响癌症的发生发展外，肠道微生物也会作用于免疫系统，例如其代谢产物短链脂肪酸可以调节B细胞的活化与分化，并且可以通过上皮细胞、T细胞和髓细胞亚群间接影响B细胞[34].免疫检查点(checkpoint)对防止自身免疫反应有着重要作用，当免疫检查点分子过度表达或是功能过强时会导致机体免疫力低下，从而容易患癌症等疾病[35].在接受抗PD-1免疫治疗的黑色素瘤患者的肠道中，有应答患者与无应答患者的肠道微生物组成有显著差异：在有应答患者的粪便微生物组样本中，α多样性更高且瘤胃球菌(Ruminococcaceae)的相对丰度显著高于无应答组；将有应答者的肠道微生物通过粪便移植至无菌小鼠体内发现其系统免疫及抗肿瘤免疫增强[36]，说明肠道微生物可以通过增强免疫系统达到抗肿瘤的效果.针对PD-1/PD-L1轴的免疫检查点抑制剂(ICI)在相当多的癌症患者中诱导持续的临床反应，有研究发现对 ICI的主要耐药性可归因于异常的肠道微生物组组成，口服补充阿肯曼氏粘液菌(Akkermansiamuciniphila)可通过增加白细胞介素12依赖性方式恢复PD-1阻断的疗效[28].

以上研究表明，肠道微生物会通过不同的方式来影响癌症的发生及发展.因此，对肠道微生物的生态结构进行改变或许是维持宿主代谢健康以及预防和治疗疾病的有潜力的方式.

3 肠道微生物可能作为癌症预防和治疗的靶标

肠道微生物的生态结构具有很大的不确定性，服用药物、益生菌以及不同的饮食结构，或者是通过粪便移植等，都可以改变肠道微生物的生态结构.肠道微生物不仅影响癌症的发生及发展，对癌症的治疗效果也存在一定的影响，其中包括影响药物的代谢、转化与吸收，或是产生新的抑癌物质.氟吡嘧啶是结肠直肠癌的一线治疗药物，但其疗效在不同患者之间存在很大差异，而有研究发现微生物可以通过涉及细菌维生素B6、B9和核糖核苷酸代谢的代谢性药物相互转换来增强或抑制氟嘧啶的作用[37].Ho等[38]通过对共生微生物进行改造，与结直肠癌细胞上的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖结合并分泌芥子酶，将寄主摄取的十字花科蔬菜中的天然成分芥子苷转化为已知具有抗癌活性的有机小分子硫代嘌呤.对结直肠癌小鼠模型喂食改造后的共生微生物以及十字花科蔬菜后，发现肿瘤显著消退.

近年来有许多研究表明，针对肠道菌群进行改变，可以对一些其他疾病进行治疗，例如使用二甲双胍改变肠道微生物组成对2型糖尿病进行治疗[39]，或是将健康捐赠者的肠道微生物通过粪便移植到重症结肠炎患者身上对肠道微生物生态结构进行重建以对相关性结肠炎进行治疗[40].可以看出，通过不同的方式改变肠道微生物的生态结构可以对许多疾病进行治疗.

梭杆菌(Fusobacterium)是结直肠癌组织中最普遍的细菌种类之一，Bullman等[27]对结直肠癌异种移植小鼠使用甲硝唑抗生素治疗，发现可以降低梭杆菌的含量，并且可以抑制癌细胞的增殖和肿瘤整体的发展.Tanoue等[41]从健康人群粪便中分离出一个由11株细菌组成的联合体，该联合体能够在肠道内强有力地诱导产生干扰素γ的CD8 T细胞，这11株菌在小鼠肠道的定植，改变了小鼠肠道的生态结构，增强了免疫检查点抑制剂在同基因癌症模型中的治疗效果(见图2).Sivan等[42]比较了具有不同共生微生物群的小鼠的黑色素瘤生长情况，通过16S核糖体RNA的序列分析发现双歧杆菌(Bifidobacterium)具有显著抗肿瘤作用.小鼠单独口服双歧杆菌即可控制癌症的发展，其功效与程序性细胞死亡蛋白1配体1(PD-L1)特异性抗体治疗方案相近，而这两种方法联合治疗可几乎阻滞肿瘤生长.显然，一些癌症已然可以通过改变肠道内微生物的生态结构进行治疗，或许肠道微生物生态结构的调整可以作为更加广泛的癌症预防和治疗的靶标.

图2 肠道微生物干扰免疫系统影响癌症的发生与发展[42]

4 结语与展望

人体肠道中存在着种类及丰度十分丰富的微生物，这些微生物对于人体健康有着重要的影响，但肠道菌群是一个复杂的生态系统，其影响因素及改变途径有很大的不确定性，这可能是不同个体间癌症治疗效果存在差异的关键因素.因此，临床上根据不同个体的肠道菌群差异定制个性化治疗方案，或许能为提高癌症患者生存率起到极其重要的作用.与过去认为的组织中不存在微生物的观点不同，近年来的研究发现不同的肿瘤组织中存在着不同种类微生物.总之，通过对肿瘤组织中的微生物组成进行分析进而对肿瘤性质进行预警，以及通过改变其组成对癌症进行治疗，都可能成为将来研究的新方向.肿瘤组织中的微生物与肠道微生物是否有关以及是否存在相互影响，也仍需进一步探讨.微生物通过肿瘤微环境抑制免疫细胞功能，从而促进肿瘤的生长；或是通过刺激免疫系统对肿瘤进行监视，从而达到抑制肿瘤的效果.但免疫系统是如何对人体自身微生物以及外来有害微生物进行分辨，目前仍待深入探索.