肠道菌群对结直肠癌发生及其诊治作用的研究进展

黄丹妮，周喜汉

1右江民族医学院研究生学院，广西 百色 533000；2右江民族医学院附属医院

结直肠癌（CRC）是一种始于结直肠的恶性肿瘤，是消化系统常见的恶性肿瘤之一。据最新的癌症统计数据，2020年全球CRC发病率及病死率在所有癌症中分别位居第3位及第2位［1］。尽管随着科学研究的深入，基因组学、蛋白质组学及代谢组学方法的整合在恶性肿瘤的预防、诊断及治疗方面的研究取得较大进展，使得CRC患者生存率和生活质量得到不同程度的提高；但在中国，CRC仍是一个重大的健康和社会经济负担。国内有学者统计分析了2020年我国癌症发病数及死亡数，CRC分别位居第2位、第5位，CRC发病数已超过胃癌，居我国癌症发生率第2位［2］。因此，详细了解CRC潜在的病因及作用机制，对其防治有重要意义。现就肠道菌群在CRC的作用机制及在其诊断治疗中的应用进展综述如下。

1 肠道菌群在CRC发生中的作用机制

胃肠道是人体内细菌密度最高、种类最多的地方，结肠中约有3.8×1013个细菌，每克管腔内容物中有多达1×1012个微生物，占粪便重量的60%。随着2007年人类微生物组计划（HMP）开启，人们逐渐发现肠道细菌是CRC发生的危险因素之一。

有研究通过对所有基因进行随机测序确定了人类肠道的细菌微生物组，以厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门和疣微菌门为主，其中厚壁菌门和拟杆菌门约占肠道微生物群的90%［3］。在CRC中常表现为部分菌群的富集，如研究发现具核梭杆菌在晚期CRC组织中大量存在［4］，这可能有助于肿瘤侵袭和转移性增殖；研究发现，CRC组织中大肠杆菌（E.coli）、产肠毒素脆弱类杆菌（ETBF）、厌氧消化链球菌、粪肠球菌的丰度显著增加［5］。CRC的发生、发展是在基因突变基础上多因素共同参与的过程。虽然研究发现很多细菌在CRC中富集，但目前尚无明确证据表明某个确切的细菌可以引发CRC。20世纪70年代，国外学者研究首次发现了肠道菌群与CRC的相关性。目前普遍认为，肠道菌群诱导的CRC作用机制与细菌产生的毒素释放增强诱导DNA损伤、肠道有益菌衍生代谢物的减少、肠道上皮屏障功能障碍或肠道菌群生态失调等多方面因素有关。

1.1 肠道菌群失调、屏障功能障碍引发炎症反应正常的肠道菌群在宿主营养代谢、外源物质和药物代谢、维持肠道黏膜屏障的结构完整性、免疫调节和抵抗病原体方面具有特定的功能。西式生活习惯（如肥胖、不健康饮食）、宿主基因和免疫反应的相互作用会引起微生物组的变化，最终导致肠道菌群失调，并将代谢功能的平衡从有益转变为有害。肠道细菌失调导致宿主微生物组从健康相关的稳态持续偏离，转向促进和或维持癌症的表型，这是癌症的病因和发病机制之一［6］。

肠道屏障作为一个动态而复杂的物理和化学屏障，它可以抑制病原生物、抗原和其他入侵细菌进入宿主，其功能障碍是导致肠道菌群失调的始动因素。宿主肠道屏障缺陷和细菌入侵的结合可能会引发大量的免疫反应、肠道黏膜中的细菌易位和免疫过度激活，从而影响肠道菌群，并导致具有遗传易感性的个体进一步转变成为促进疾病的微生物成分，最终导致慢性炎症和恶性转化［7］。

最近研究发现，CRC中可以检测到炎症细胞分泌的促炎细胞因子：肿瘤坏死因子，揭示了CRC与炎症的重要关系［8］。肠道菌群参与慢性炎症、特定细菌感染和慢性炎症后，肠道细胞微环境发生变化，导致癌前病变和最终癌变事件。有研究发现，ETBF产生的脆弱类杆菌毒素（BFT）可通过破坏紧密连接和增加肠道通透性在肠道炎症和上皮屏障损伤中起重要作用［9］。一项体内实验结果表明，肠道屏障的改变允许微生物诱发局部炎症，促进小鼠息肉的形成和癌症的发展［10］。在另一项体内实验中亦证明，屏障功能缺陷有利于脂多糖易位和黏膜免疫细胞源性细胞因子的激活，如IL-23、IL-6和IL-17A，这种独特的炎症环境有利于癌细胞的进展和腺癌的发展［11］。此外，研究发现，饮食和生活方式因素亦会影响宿主和肠道菌群之间的关系，导致肠道屏障功能和免疫反应的改变，引发炎症［12］。

1.2 肠道菌群代谢产物促进CRC发生肠道菌群在多个代谢过程中起重要作用：营养和矿物质吸收、合成不同酶、维生素、氨基酸以及短链脂肪酸（SCFA）等，其中SCFA可为上皮细胞提供能量、增强上皮屏障完整性以及提供免疫调节和抵抗病原体。肠道菌群代谢产物是将肠道菌群与CRC联系起来关键因素之一，不同的代谢产物与黏膜界面的上皮细胞相互作用，刺激上皮，可能直接导致上皮细胞的结构损伤并激活促致癌信号通路，或可间接与肠道菌群相互作用，影响不同疾病的发生、发展［13］。

多胺：肠道内含有大量多胺，包括精胺、亚精胺和腐胺，它们是从饮食中获得或由宿主和细菌生物合成，是正常细胞和癌细胞中细胞增殖、分化和生长的基本要素。目前研究表明，多胺代谢失调可加速CRC的发生，其可能通过促进氧化应激或激活致癌信号发挥作用。有研究通过宏基因组分析确定，CRC相关菌群与氨基酸转化为多胺（如L-精氨酸和L-鸟氨酸降解为腐胺）有关［14］。有学者研究发现，亚精胺/精胺N1消耗CRC细胞中的乙酰转移酶导致亚精胺和精胺水平升高以及pAKT和β-连环蛋白的表达增加，并促进细胞增殖和肿瘤转移，表明多胺可以激活致癌信号［15］。

胆汁酸：在胃肠道中初级胆汁酸主要通过回肠中的肠肝循环被重新吸收，约5%的胆汁酸通过肠道菌群被解偶联转化为次级胆汁酸，次级胆汁酸包括脱氧胆酸（DCA）、石胆酸（LCA）和熊去氧胆酸（UDCA）。在人CRC HCT116细胞中进行的一项研究表明，LCA可刺激IL-8表达，并在肿瘤微环境中诱导内皮细胞增殖和管状形成，表明LCA可能作为CRC启动子诱导肿瘤发生［16］。有研究发现，DCA可诱导CHANGDAO肠道菌群变化促进腺瘤-腺癌转化，具体机制可能是DCA拮抗肠道法尼醇X受体（FXR）功能，进而诱导细胞增殖和Lgr5+癌症干细胞扩增［17］。

SCFA：肠道菌群代谢产物对肠道的作用既可以是致癌的，也可以是抑癌的。SCFA是肠道菌群发酵膳食纤维的产物，主要包括丁酸盐、丙酸盐和醋酸盐，其可通过调节局部免疫反应和保护肠道屏障，对结肠黏膜的健康有重要作用。目前认为，SCFA具有肿瘤抑制特性。研究发现，在CRC中丁酸盐可通过直接抑制组蛋白去乙酰化酶活性来调节肿瘤抑制基因的翻译来抑制肿瘤发生，它还通过替代途径介导其作用，如癌细胞的代谢重新布线、G蛋白偶联受体（GPCR）信号通路的激活，最终导致癌细胞凋亡和抗炎反应［18］。SCFA还可通过增强局部免疫抑制肿瘤发生，SCFA通过促进浆细胞产生IgA促进免疫，IgA抗体阻止细菌黏附上皮细胞，并阻止进一步恶性转化，IgA抗体直接影响细菌毒性，从而防止细菌入侵和感染［19］。目前证据表明，SCFA对CRC具有预防作用，但仍需更深入的研究来了解其在肿瘤发生背景下介导结肠上皮和肠道菌群相互作用中的具体机制。

1.3 细菌毒力因子诱导DNA损伤肠道菌群不仅可通过炎症疾病及代谢产物诱发CRC，还可通过毒力因子诱导DNA损伤促进癌变。目前研究发现，很多在CRC组织中富集的细菌都可以诱导DNA损伤，从而促进CRC发生。早期研究发现，大肠杆菌和空肠弯曲菌产生的细胞致死性扩张毒素（CDT）可以通过其DNA酶活性诱导双链DNA断裂。最近一项在CRC小鼠模型中实验结果表明，CDT缺陷菌株致癌潜力降低，间接证明CDT的致癌作用［20］。研究发现，大肠杆菌、ETBF、核杆菌属等微生物会破坏肠道屏障内衬和结肠细胞DNA，增加促炎细胞因子和氧化因子，并产生潜在的致癌毒素［6］。沙门氏菌产生的伤寒毒素可通过结肠上皮细胞中的磷酸肌醇3激酶（PI3K）途径损伤DNA［21］。粪肠球菌菌株会产生活性氧和细胞外超氧阴离子，导致DNA损伤和染色体不稳定［22］。目前研究表明，肠道细菌可以通过产生不同的毒力因子诱导DNA损伤促进CRC发生，这可能成为CRC治疗的一个重要靶点。

1.4 激活或增强免疫反应促进CRC发生除了上述作用机制，某些肠道菌还可通过激活或增强免疫反应促进CRC发生。如具核梭杆菌可通过下调抗肿瘤T细胞介导的适应性免疫而促进结肠肿瘤的发展［23］；有研究发现，厌氧消化链球菌诱导促炎症免疫微环境并促进肿瘤生长，该菌株可通过在小鼠模型中增加促炎细胞因子的表达，并招募肿瘤浸润性免疫细胞，如免疫抑制性髓源性抑制细胞，在肿瘤形成中发挥作用［24］；此外，沙门氏菌可通过激活结肠肿瘤细胞中的Wnt/β-catenin和激活免疫反应STAT3信号通路促进结肠肿瘤的发生［25］。

2 肠道菌群在CRC诊断及治疗中的应用

众所周知，早期发现、早期诊断及早期干预是提高CRC患者生存率及生活质量的重要途径。肠道微生物组作为肿瘤微环境的反映，和代谢组学在不久的将来会成为诊断和治疗CRC的可靠无创靶点。

目前研究发现，ETBF检测可能是结直肠癌的潜在标志物。国外两项荟萃分析表明，分类和功能性肠道菌群图谱在诊断时均能高精度预测CRC［14，26］。微生物基因标志物作为粪便宏基因组生物标志物在CRC早期诊断中有潜在优势，并在不同种族的队列研究中验证了结果［27］。但目前由于技术及费用的问题，并且缺少可信的临床证据，这些标记物并未进入到临床应用中。

肠道菌群不仅可作为检测肿瘤的生物标志物，还可调节CRC治疗和预防措施的效果，肠道菌群调节是医学中改善个体健康的最有前景的新策略之一。研究表明，可以通过饮食干预、益生元、益生菌、后生物、抗生素和粪便微生物群移植调节肠道菌群［28］。在一项随机对照实验中证实，定期食用益生菌可以改善肠道微生物群的多样性和丰富性，降低慢性炎症，并减少肠道失调期间致癌化合物的产生［29］。研究发现，益生菌不仅有助于增强抗癌治疗剂的效果，还可减轻传统癌症治疗所造成的不良反应［30］。研究发现，具核梭杆菌可通过调节自噬促进CRC的化疗耐药，减少CRC患者的特定肠道微生物可能会改善他们对化疗的反应并减少癌症复发［31］。此外，有研究发现，靶向大肠杆菌素可控制大肠杆菌素诱导的基因毒性和促肿瘤作用［32］。上述研究发现可能是治疗CRC的治疗靶点。但目前对于补充如可能具有抗炎和抗癌作用的微生物发酵产物、SCFA是否对CRC患者有益，尚缺乏令人信服的证据。

综上所述，肠道菌群在CRC发生、发展中发挥重要作用，肠道菌群在CRC中的作用机制及诊治中的作用是目前研究热点。对于CRC中肠道菌群的研究及探索，不仅有助于更加深入了解CRC发生、发展的分子机制，还有助于建立基于肠道菌群的肿瘤标志物，达到早期发现、早期干预CRC的目的。