肠道菌群对结直肠癌发生的研究状况

刘 毅，杜 航，杨 远,唐景玲，甄运寰

结直肠癌(CRC)是常见的癌症之一，也是全球主要的健康负担，2020年相关数据显示，CRC发病率、病死率分别在全球恶性肿瘤中居于第三位、第二位[1]。西方发达国家为CRC高发地区，其发病率大约为发展中国家的3倍[2]。CRC是一种由多种因素共同作用导致的恶性肿瘤，诱因包括饮食、乙醇、肠道菌群等环境因素和家族性息肉病、遗传性肥胖等遗传因素，在这些因素中，遗传因素在导致散发性CRC中的作用较弱，环境因素作用较大[3]。在环境因素中，肠道菌群受肥胖、西方饮食模式及乙醇等因素的影响，使其组成和丰富度均发生改变，这对CRC的发生和发展产生了不同程度的影响[4]。肥胖可能通过减少肠道中产生短链脂肪酸细菌的丰富度，从而降低短链脂肪酸的产量，从而增加患CRC的风险[5]。在美国，估计有5%的CRC患者是由于肥胖导致的[6]。西方饮食模式可以导致肠道菌群失衡、肠道黏膜屏障受损、肠壁通透性增加，使有毒细菌代谢物排泄到循环中，促进全身炎症反应发生，最终使得CRC发生[7]。不仅如此，部分肠道菌群可以在肠道组织中通过诱导异常的免疫反应，使肠道上皮屏障功能削弱，同时产生致癌毒素再作用于肠道上皮细胞，导致细胞异常增殖，从而改变了肠道的局部免疫微环境，进一步发挥肠道菌群的致癌作用。产生的致癌毒素还会生成致癌代谢物、活性氧和其他自由基等，导致宿主细胞中的DNA损伤并引发突变，最终导致CRC的发生[8]。目前，一项有关早期CRC危险因素的荟萃分析表明，乙醇是CRC的危险因素之一，饮酒与早期CRC的发生有显著的相关性(合并相对危险度为1.71；95%CI为1.62，1.80)[9]。相关报道指出，过度饮酒者体内柯林斯菌、普雷沃菌和铜绿假单胞菌可以使乙醛过多积累，直肠内乙醛水平高于最低诱变浓度，同时伴有肠道菌群的结构改变，最终促使直肠癌发生[4]。越来越多的证据表明，CRC的发生是由一种或多种肠道细菌参与，这些肠道细菌可不同程度影响CRC的发生。故阐明肠道菌群在CRC发生发展中的作用，对预防和治疗CRC具有重要临床和科研价值。

1 肠道菌群与菌群失调

微生物在人类出生时就存在于胃肠道、呼吸道、生殖道等自然腔隙中。其中，消化道是微生物种类最为繁多、作用最为复杂的一个器官。在结直肠内，大约含有3×1013个细菌，就数量而言，细菌要远超于其他类型的微生物，占据肠道微生物的绝大部分[10]。肠道菌群主要以厌氧菌为主，其中包含500～1000个菌种[11]。然而，在不同的生物个体之间，肠道菌群的组成及丰富度却存在很大差异。根据肠道菌群和人体之间的关系，将肠道菌群分成3种类型：①有益菌群，如乳酸杆菌、双歧杆菌等；②有害菌群，如屎肠球菌等；③机会致病菌，如大肠杆菌等[12]。这些菌群在肠道中形成动态平衡，当有害的肠道菌群产生细菌毒素和致癌代谢物过多积累，而有益菌群产生对人体有益的代谢物减少时，就会打破原有的动态平衡，导致肠道菌群失调，使肠黏膜屏障功能受损，促进了细胞的异常增殖，这可能导致CRC的发生。与健康人群相比，CRC患者的肠道菌群伴有不同程度的菌群失调，有益菌群的多样性和丰富度均降低，而机会致病菌群的多样性和丰富度均出现增多[13]。当肠道菌群失调时，机体可以通过“乘客-驱动”模型和“毒性”肠道菌群模型来促使CRC的发生。TJALSMA等[14]首次提出“乘客-驱动”模型。该模型将CRC的致病菌群分为两类。首先是“乘客菌群”，即产生遗传毒性物质来破坏上皮细胞DNA的菌群；其次是“驱动菌群”，其介导了肿瘤环境的变化，进而导致了“乘客菌群”失衡，在这两种菌群的共同作用下，最终致CRC发生。SEARS和PARDOLL[15]基于产肠毒素的脆弱拟杆菌在ApcMin/+小鼠中具有致癌作用，提出“毒性”肠道菌群模型，认为这些“毒性”细菌不仅可分泌一些毒性蛋白引起肠上皮癌变，而且还可重塑细菌群落，诱导肠道黏膜免疫反应异常，使肠上皮癌变细胞清除障碍，从而增强致癌作用，最终促使CRC发生。

2 肠道菌群在CRC发生中的作用

2.1肠道菌群及代谢产物 现已有大量研究表明，CRC的发生、发展和肠道菌群失调之间有一定的相关性，而菌群失调受多种环境因素的影响。肠道内双歧杆菌受高脂饮食的影响，丰富度逐渐降低，这将使肠道产生黏液的速度受限，黏液形成的透明黏液层就难以抵抗有害菌群的入侵，导致有害细菌与肠上皮直接接触，引发不利的宿主反应，如炎症反应，使得自发性CRC的发生[16-17]。与正常饮食相比，高脂饮食可以使盲肠和结肠中的具核梭杆菌的丰富度提高[18]，而具核梭杆菌在肿瘤细胞-血管内皮细胞模型中可以诱导一种新的模式识别受体α蛋白激酶-1(ALPK-1)激活核因子-κB(NF-κB)通路，导致细胞间黏附分子-1(ICAM-1)表达上调，从而增强CRC细胞的黏附能力，促进CRC细胞与内皮细胞黏附，使CRC细胞发生外渗和远处转移[19]。与此同时，这种模式识别受体激活NF-κB通路还可以调节miR-1322/CCL20的表达，诱导M2巨噬细胞极化，促进CRC细胞转移，从而增加了转移灶的数量，然而当CCL20敲除后，具核梭杆菌诱导的CRC肺转移却出现转移灶显著减少的现象[20]。HAN[21]发现具核梭杆菌在癌组织中的检出率明显高于正常组织，这种机会性病原体是促进肿瘤发生的相关细菌，它可以附着、入侵多种宿主细胞，如上皮细胞、内皮细胞和成纤维细胞，从而发挥它的细菌毒力和致病力。在肿瘤组织中，具核梭杆菌可以促进高糖代谢，为肿瘤发生提供能量[22]，通过TLR4/MYD88/NF-κB通路，上调miR-21基因的表达，这对CRC细胞的增殖和肿瘤的发展具有促进作用[23]，除此之外，这种细菌还可以刺激CRC细胞产生miR-1246/92b-3p/27a-3p外泌体，通过靶向GSk3β基因激活Wnt/β-catenin通路，最终诱导CRC转移[24]。在CRC肝转移患者中，通过检测CRC肝转移标本中的DNA及肝转移组织中的CD8+ T淋巴细胞、CD33细胞和CD163细胞，具核梭杆菌阳性与阴性CRC肝转移标本比较，前者CD8+ T淋巴细胞的密度显著降低、髓源性抑制细胞的密度增高[25]，证实了具核梭杆菌与CRC的发生具有高度相关性。部分肠道菌群不仅可以产生膳食纤维、蛋白质和多肽，还可以合成、调节和降解大量生物活性代谢物，而部分代谢物对CRC的发生具有促进作用[26]。具核梭杆菌中的一种毒力因子(FadA黏附素)可以激活E-cadherin/β-catenin通路，使细胞周期检测点激酶2(Chk2)表达增加，引发DNA损伤，从而促使CRC的发生和发展[27]。YANG等[28]研究发现，溶血磷脂酰胆碱、溶血磷脂酸可以降低人结肠癌细胞和人克隆结肠腺癌细胞中E-钙粘蛋白和闭合蛋白的表达，使结肠细胞异常增殖并损害肠道屏障功能，进一步促进肠道肿瘤的发生。不仅如此，在高脂饮食的作用下，使ApcMin/+小鼠肠道内细菌的丰富度降低，条件致病菌增多时，粪便中脱氧胆酸的水平会明显增高，而脱氧胆酸却可以激活血管内皮生长因子受体-2(VEGFR-2),从而诱导肿瘤细胞上皮-间充质转化，进一步促进血管生成拟态的形成，最终促使肠道肿瘤的发生[29]。

2.2肠道菌群与炎症相关性CRC 结直肠内存有许多保护性因素来维持肠道内环境的平衡和稳定，一旦这些保护性因素在体内、体外因素的作用下失去保护性作用，那么肠道内环境就会失去原有的平衡，慢性炎症就很有可能因此而产生[30]。部分学者研究认为，在肠道菌群的作用下，肠道慢性炎症与以下几种特殊的诱导方式有关：①肠道菌群通过合成并分泌细胞毒性生物分子或代谢物；②黏附于肠黏膜上皮细胞；③经转移进入机体；④通过结合和(或)激活Toll样受体调节T淋巴细胞，并激活免疫反应[31]。慢性炎症性肠病患者和正常人群比较，患CRC的概率会有所升高，这种现象提示CRC的发生可能与肠道慢性炎症存在紧密联系。肠道菌群通过介导结直肠产生慢性炎症，招募大量炎性细胞，释放众多炎性因子，如白细胞介素-6(IL-6)、IL-17、IL-22、IL-23、前列腺素E2(PGE2)及肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等，调控NF-κB、转录激活因子3(STAT3)等多种信号通路，促进CRC的发生[32]。例如在ApcMin/+小鼠模型中，表达脆弱芽孢杆菌毒素的脆弱类杆菌诱导IL-17分泌增多和信号转导及STAT3信号通路的激活，并通过激活远端结肠上皮细胞中的NF-κB来促进远端结肠癌的发生[33]。同时，肠道菌群代谢产生的PGE2、IL-6及TNF-α等炎性因子也参与了CRC的发生[34]。除此之外，某些细菌如具核梭杆菌，通过激活NF-κB通路并在ApcMin/+小鼠肠道中招募肿瘤浸润性免疫细胞来诱导促炎环境的形成，从而导致CRC的发生[35]。厌氧假单胞菌也可以在ApcMin/+小鼠中广泛诱导促炎细胞因子的表达，进而招募一系列肿瘤浸润性免疫细胞，特别是髓系衍生抑制性细胞、肿瘤相关性巨噬细胞和肿瘤相关性中性粒细胞，进一步促进了肿瘤的发生[36]。当CRC组织表面屏障功能丧失时，癌细胞间紧密连接，使共生细菌的降解产物进入肿瘤间质，从而导致髓系细胞进入肿瘤微环境，而且共生细菌本身可侵入肿瘤组织，诱导肿瘤浸润性髓系细胞产生炎性细胞因子，促进CRC发生[37]。

2.3肠道菌群与乙醇相关性CRC 饮酒是现代社会一种常见的生活习惯。但是，部分流行病学研究表明，即使是少量饮酒也会增加CRC的发生风险。在肠道中，乙醇与肠道菌群间的相互作用可能会产生致癌物质，从而导致CRC的发生。结肠中的某些细菌如肠杆菌科细菌，同时具有乙醇脱氢酶(ADH)和乙醛脱氢酶(ALDH)的活性，其中它们的ADH活性往往高于ALDH活性，这将导致此类细菌对乙醇进行生物代谢时会产生大量的乙醛[38]。不仅如此，结肠中的一些厌氧菌如瘤胃球菌，也会将乙醇代谢为乙醛[39]，在肠道黏膜受损的情况下，具有诱变活性的乙醛促进了CRC的发生[40]。除此之外，乙醛也能引起DNA损伤、改变端粒长度和诱导活性氧产生，从而促使CRC的发生[41]。

3 肠道菌群与CRC早期诊断

生物标志物是诊断肿瘤的一个重要指标。相关数据显示，局限性CRC的5年存活率为90%，而转移性CRC的5年存活率仅为14%[42]，所以CRC的早期诊断需要准确的生物标志物进行诊断，有利于后续治疗。肠道菌群作为一种新型生物标志物，对CRC的早期诊断具有非常重要的作用。GUO等[43]研究表明，具核梭杆菌在CRC的早期诊断方面具有不可替代的作用。该研究指出，具核梭杆菌与双歧杆菌的比值在CRC早期诊断方面具有很高的敏感度和特异度(分别为84.6%和92.3%)，当具核梭杆菌与双歧杆菌的比值和具核梭杆菌与布氏杆菌的比值联合用于诊断CRC时，其诊断价值有很大提高(曲线下面积为0.943)，从而证实了具核梭杆菌与布氏杆菌和双歧杆菌的比值可提高CRC早期诊断的特异度，二者联合应用筛查早期CRC具有较好的诊断价值。还有研究发现，CRC患者具核梭杆菌水平较高，这表明具核梭杆菌对CRC的早期诊断具有积极作用[44]。此外，分析粪便样本中的基因变化可以准确反映肠道菌群状况，这可能为CRC的早期诊断提供重要线索[45]。

4 展望

肠道菌群是一把双刃剑，它既可以介导CRC的发生，同时又对CRC的治疗具有不可替代的作用。粪菌移植(FMT)是一种新兴的生物疗法，这种治疗方法将健康人群的粪便移植到患有胃肠道疾病患者的下消化道中，特别是在复发性艰难梭菌感染、炎性肠病、肠易激综合征等方面具有良好的治疗效果[46]。JAN等[47]在难治性梭状芽孢杆菌感染患者中分析了FMT前后结肠活检标本中IL-25水平，发现将一种复杂的微生物混合物移植给难治性梭状芽孢杆菌感染患者后，这些患者结肠微生物的α多样性和结肠组织中IL-25水平均有所升高，同时患者复发率降低，表明FMT可以抑制组织炎症，对结直肠炎性病变的治疗具有积极作用。但是，这种方法用于CRC治疗的相关研究非常有限，而且安全性、伦理性、可接受性、患者的个体差异都是不可忽略的问题。或许在未来的研究中，随着CRC基因组学、代谢组学和免疫学的不断突破，可能会将这些学科与肠道菌群更好地结合在一起，把我们带入CRC研究的新领域。在不久的将来，肠道菌群很可能会成为对抗CRC的新型治疗方向。