胃肠道微生态与胃癌相关性及其诊治作用研究进展

付浩然 赵雪峰

河北医科大学第四医院外三科,石家庄 050000

根据世界卫生组织(World Health Organization,WHO)资料,2020年我国胃癌(gastric cancer,GC)病例新增47.9万例、死亡37.4万例,分别占全球胃癌发病和死亡人数的44.0%和48.6%[1]。了解GC潜在病因及发病机制,对防治GC具有重要意义。人体微生态系统对机体的健康和疾病都有影响,通过对人体微生态系统的认识,可能为癌症的预防提供新的靶点,有助于我们有针对性地进行一级预防;或是采取更有效的治疗以改善消化道肿瘤患者症状,从而提高预后。人体微生态系统包括口腔、皮肤、泌尿系统、胃肠道4个,其中胃肠道微生态是构成及相互作用最为复杂的微生物生态系统,影响机体许多生理功能,如能量收集和储存、免疫系统的发育和调节、中枢神经系统的调节以及解毒等。随着人们对胃肠道微生态的认识,发现其在GC发生、发展、预防中发挥重要作用。幽门螺杆菌(helicobacter pylori,HP)作为最主要的胃内菌群,被认为是GC重要的高危因素。肠道菌群是胃肠道局部微环境形成的重要组成部分。本文现就胃肠道微生态在GC发生、发展中的作用及诊断、治疗中的应用展开综述。

1 胃肠道微生态功能及检测方式

人类共生微生物群落包括细菌、病毒、真菌和原生动物在内的100万亿个微生物,这些菌群主要生活在人体上皮细胞表面,包括皮肤、消化道和呼吸道[2],其中胃肠道是人体内细菌密度最高、种类最多的地方。胃肠道微生物群在健康人体中处于一个相互依赖、相互制约的动态平衡状态,通过消化吸收、物质代谢和能量转化的过程来维持胃肠道微生态系统的稳定,并与饮食、环境应激源、生活方式、抗生素和其他药物等因素密切相关[3]。当菌群动态被打破时,将会导致微生态失调,这与消化道肿瘤的发生密切相关。

研究[4]显示,胃肠道微生态的失调不仅会使消化道功能紊乱,还与GC的发生、发展有关。传统胃肠道菌群检测依赖管腔内容物的培养或黏膜的活检,很容易受到外界因素的影响,并且难以发现不可培养的微生物。随着微生物分子生态学、计算机技术以及生物信息学的加速发展,可对复杂微生物种群进行遗传分析[5]。新一代基因组测序和生物信息学工具的发展,使人们对微生物-微生物和宿主-微生物相互作用的复杂关系有更深刻理解。16S rDNA序列分析为广泛揭示人体相关的细菌种类开辟了一个新领域。未来的研究应进一步利用宏基因组学来揭示肠道菌群的潜在功能及其与特定疾病的相关性。

2 胃肠道微生态与胃癌相关性及作用机制

每年全球新确诊的GC病例中,有79%是由HP引起的[6]。有研究通过基因测序发现,人类肠道微生物群在生理状态下以厚壁菌门、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%[7];如厚壁菌门和拟杆菌门菌群比例失调,可增加GC的发生风险[8]。GC的发生还与胃内菌群结构和功能的变化相关,从非萎缩性胃炎到肠上皮化生再到GC,胃内菌群菌种多样性和丰富程度显著降低,例如厚壁菌门中的链球菌、拟杆菌门中的卟啉单胞菌及普氏菌、变形菌门中的奈瑟菌及嗜血杆菌的数量明显减少,而变形菌门中的肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌以及厚壁菌门中的肠球菌、乳杆菌等却大量增加[9-10]。菌群紊乱导致消化系统免疫防御功能被破坏,菌群代谢物刺激胃肠道黏膜,最终导致肿瘤的发生,其中具体机制目前仍不明确。未来需要开展更多关于菌群分布与宿主癌变之间关系的研究,详细了解胃肠道微生物群组成变化对机体的影响将有助于制定癌症预防策略。

胃内菌群失调可通过产生促肿瘤代谢物、损伤DNA、抑制抗肿瘤免疫、激活致癌信号通路等途径促进GC的发生发展。胃微生物群与包括癌症在内的许多上消化道疾病密切相关,细菌释放的遗传毒素和促肿瘤代谢物会促进癌症的发生。HP是胃癌发生的主要危险因素之一[8],HP可以改变胃内微环境而导致GC发生,胃内微环境的改变与毒力因子、细菌和宿主基因型、地理和环境因素有关。国际癌症微生物群联盟发布了一份共识声明[11],描述了健康胃肠道微生物群的4个关键特征,包括与宿主协同发挥免疫功能、代谢互惠、对干扰的恢复力和适应能力、肿瘤抑制。

2.1 细菌遗传毒素

HP是唯一获国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)认定为一类致癌物的细菌。细菌和宿主遗传因素会对HP感染诱导的慢性炎症、胃黏膜肠上皮化生和胃肿瘤的发生产生影响[12]。HP主要通过2个毒性因子即细胞毒素相关基因A(cytotoxin-associated gene A,CagA)和空泡细胞毒素A(vacuolating cytotoxin A,VacA)来影响胃内菌群的组成,从而引起癌变。CagA是一种特异性蛋白,通过产生尿素酶进入胃黏膜。尿素酶是一种与嗜中性代谢物反应的酶,催化尿素转化为氨,从而中和胃酸。CagA通过将IV型分泌蛋白递送到上皮细胞质中,然后CagA被酪氨酸激酶磷酸化,与SHP2结合并激活Ras-Erk通路,使下游细胞信号传导失调,促进细胞增殖,破坏上皮屏障并拆除细胞骨架[13];也通过抑制肿瘤蛋白P53减少上皮细胞凋亡[14]。HP可导致转录因子上游启动子区的超甲基化,降解P53蛋白酶体,促进基因突变,从而加速GC的发生[15]。VacA诱导宿主细胞形成空泡,最终破坏细胞膜完整性。HP黏附于具有外膜蛋白的上皮细胞并触发白介素-6(interleukin-6,IL-6)、IL-8、IL-1β、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)的释放,NF-κB的活化促进细胞因子释放并抑制细胞凋亡。HP还与DNA甲基化、组蛋白变化和活性氧(reactive oxygen species,ROS)诱导的DNA双链断裂有关[13];HP表达VacA,可通过抑制T细胞活化和诱导调节性T细胞来抑制宿主免疫,从而促进癌变[16]。

2.2 代谢产物

胃肠道微生物群代谢产物对消化道肿瘤的发生与发展有重要影响[17]。肠道菌群和宿主细胞产生的多胺类物质可影响机体的各种生理功能,如翻译功能、抗氧化应激、基因调节以及细胞分化和增殖[18]。有研究称乳酸菌产生的乳酸盐是癌细胞的主要能量来源[19],乳酸盐具有促癌形成作用,如促进肿瘤血管生成和转移[20]。一项基于小鼠模型的研究表明,脱氧胆酸可通过损伤食管黏膜DNA进而促进Barrett食管和食管腺癌的发展[21]。胃肠道微生物群代谢产物除了会促进胃肠道肿瘤外,同时还有抑制肿瘤发生发展的作用。部分菌群产生短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)如丁酸等,SCFAs可以维持微生物群稳态和肠道屏障完整性,并抑制炎症和癌症[22]。为此,我们可以开展更多以胃肠道微生物群或其代谢物为药物治疗靶点的研究。

2.3 免疫调节

肠道菌群可与宿主免疫系统相互作用,调节机体的免疫功能。HP毒力因子参与宿主免疫应答[23],激活Th1/Th17细胞应答有助于细胞介导HP感染[24],并刺激TNF-α、IL-17和γ-干扰素(interferon-γ,IFN-γ)等炎症介质的释放。先天免疫是一种快速免疫应答,以非特异性方式识别保守的微生物结构,通常通过宿主细胞上表达的模式识别受体,包括Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)和核苷酸结合寡聚化结构域样受体[25],来激活宿主免疫调节功能。适应性免疫对B细胞和T细胞遇到的病原体类型具有特异性,并随后产生记忆细胞[26]。胃肠道微生物群在T细胞分化中发挥重要作用,有证据表明菌群产生丁酸盐,可通过与G蛋白偶联受体43相互作用,诱导调节性T细胞产生IL-10,抑制组蛋白脱乙酰酶活性而实现抗肿瘤作用[27]。我们可以通过研究胃肠道微生物群作用于消化道肿瘤的机制,根据其遗传特性和代谢物作用,发现抑癌信号通路,从而实现对于肿瘤的发生和预防。其他肠道细菌,如口腔消化链球菌、咽峡炎链球菌、微小单胞菌,在胃中定植也会影响GC的发生风险[28],其在胃内定植已被证明可促进HP相关胃癌发生,目前详细的菌群免疫调节机制还有待进一步研究。

3 调节胃肠道微生态对胃癌的治疗及预防

部分肠道菌群失调会促进肿瘤的发生、发展,然而,部分菌群在肿瘤治疗、预防中发挥重要作用,包括化疗、免疫治疗、放疗[29]和围手术期治疗,这有利于患者消化道功能恢复,减少应激带来的创伤,减轻患者痛苦。

3.1 胃肠道微生态对胃癌的治疗

研究[30]表明,有益的肠道菌群可增强化疗疗效,降低耐药性,减少不良反应;通过益生菌补充剂调节微生物组群,可减少小鼠和人类的化疗毒性和随后的不良反应事件。丁酸盐可通过激活IL-12信号通路和促进CD8+T细胞应答来调节抗肿瘤细胞毒性,从而促进奥沙利铂的疗效[31]。这些研究表明肠道菌群可能会对癌症化疗的疗效和毒性产生一定的影响。

肠道菌群调节放疗反应的机制尚不清楚,菌群本身对肠道组织的放射敏感性有一定调节作用。摄入益生菌可抑制辐射诱导的细胞损伤,促进造血和肠道损伤修复,从而帮助宿主抵抗辐射诱导的损伤和死亡[32]。深入了解放射治疗的非靶向机制和细菌的调控机制,对于提高放射治疗的有效性、减少肿瘤放射治疗的不良结局、优化放射治疗患者的治疗方案具有不可估量的价值,可为减轻放射性损伤和降低放射治疗的不良反应提供潜在的治疗靶点。

目前的研究已经证实,肠道菌群具有调节免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors,ICIs)治疗反应的潜力,这意味着靶向肠道菌群对于ICIs治疗至关重要。在免疫治疗中,胃肠道微生物群对ICIs的疗效和毒性的影响也得到了很大程度的探索[33]。细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(cytotoxic T-lymphocyte-associated protein 4,CTLA-4)、程序性死亡受体1(programmed death receptor 1,PD-1)或程序性死亡配体1(programmed death ligand 1,PD-L1)可有效增强各种癌症中的抗肿瘤T细胞活性。研究表明,无菌小鼠口服多形拟杆菌或脆弱拟杆菌可增强CTLA-4特异性治疗性抗体的抗癌效果[34],口服双歧杆菌可增强CD274特异性治疗性抗体的抗癌效果[35]。目前我们需要开展更多的前瞻性研究以确定特定的细菌种类,与抗PD-1/PD-L1抗体联合作用可使肿瘤治疗效果显著增加。

3.2 胃肠道微生态对胃癌的预防

消化道手术已被证明会影响肠道菌群的组成。消化道手术可能会产生术后并发症,如食管空肠Roux-en-Y吻合术后患者发生营养不良、微量元素缺乏和倾倒综合征的风险显著增加[36],也会增加消化道手术后吻合口瘘的风险。肠道益生菌可调节胃肠道微生物群的稳态,维持肠道屏障和免疫状态,有利于术后恢复及改善预后[37],胃肠道微生物群稳定可以增强疗效,降低耐药性和副作用。

目前人们正在积极探索新的抗菌化合物,研究发现多酚具有抗HP和抗肿瘤活性,可用于癌症防治药物的研发[38]。多酚类化合物可以增加肠道菌群的丰富度,降低致癌菌HP的活性,调节HP等其他菌群来维持肠道微环境的稳态,抑制GC的发生。微生物群可以通过改变所用药物的药代动力学,从而改变其吸收、分布和代谢,影响治疗效果[39]。益生菌及其代谢产物可改善宿主微生态平衡,它们治疗胃肠道疾病的作用逐渐被关注。益生菌和益生元具有减少细菌遗传毒性、促进肿瘤代谢以及抑制致癌信号通路等功能,从而使肠道菌群的平衡得到恢复。未来或许可以开发一种提高肿瘤免疫治疗安全性的益生菌,包括以PD-L1和CTLA-4为靶点的免疫治疗,使其促进免疫应答,最终导致肿瘤消退[40]。在感染HP的患者中,菌群的多样性低于健康人群,使用抗生素可使GC风险降低75%,并成功清除消化道中的HP[41]。在根除HP后,其他菌群也在癌前病变的发展中持续发挥抑癌作用,这些菌群可能作为预防GC的治疗靶点[42]。

4 结语

肠道菌群在营养、肠上皮细胞增殖和分化、病原体保护、免疫调节和代谢等方面为宿主提供益处,在肿瘤发生、发展中的作用也不容忽视,但其具体机制尚未明确。肠道菌群具有多样性和复杂性,随着新的核苷酸测序技术和生物信息学工具的发展,肠道菌群可作为潜在的生物标志物和癌症治疗反应预测因子。调节菌群稳态可作为消化道肿瘤综合治疗的一部分,为放疗、化疗、免疫靶向治疗以及围手术期治疗提供有益环境。了解菌群制剂在消化道重建后的作用,可为预防术后并发症的发生提供新的机会。有必要探索和更深入地了解胃肠道微生物群与宿主反应相关联的潜在机制,开展更多以肠道菌群或其代谢物为靶点的抗癌药物研究,进行药物基因组学分析,为肠道菌群在胃癌治疗和潜在预防方面的应用提供新的思路,有助于消化道肿瘤的个体化、精准化治疗。