口腔微生物与食管疾病关系的研究进展

李晓芳,曹 旭,师晓阳,李玉婵,王 津,郭嘉璇,吕一豪,王慧洁

食管疾病主要包括胃食管反流病(GERD)、巴雷特食管和食管癌。GERD属良性食管疾病,流行病学资料显示,GERD患病率在全球范围内呈上升趋势[1],我国GERD患病率高达1.9～7.0%[2-3]。食管癌是世界第7大常见癌症,也是第6大癌症死亡原因[4]。2020年我国食管癌发病率为13.80/10万人,排名第6,病死率为12.70/10万人,排名第4,是威胁国民生命健康的主要恶性肿瘤之一[5]。按照组织类型分类,食管癌主要分为食管鳞状细胞癌(ESCC)和食管腺癌(EAC),在我国以ESCC为主[5]。巴雷特食管是由GERD导致的EAC癌前病变。随着GERD患者的增加,我国巴雷特食管和EAC的发病率也随之逐年增加,严重威胁人们的生命健康。目前,使用内镜检查获得食管样本进行组织学检查仍然是诊断食管病变的主要手段。然而,这种方法需要侵入性的操作,是烦琐和昂贵的检查方法。因此,迫切需要探索和开发新的简便有效的检测方法来进行诊断,并提高对食管疾病病理生物学的理解,以最终改善临床结果。

虽然大多数食管疾病的发病机制仍有待明确,但病因学研究的重点是遗传概率、环境因素、宿主免疫调节和共生微生物组之间的相互作用。近年来,临床学者对揭示微生物组在食管疾病中的作用越来越感兴趣。基因组技术的发展使人们能够同时探索微生物、微环境的众多部分,包括微生物组成和功能,并推断群落功能[6]。如下一代测序技术有助于阐明宿主与病原体之间的遗传变异和相互联系[7-8]。

口腔微生物群与食管微生物群密切相关,食管微生物群在很大程度上受口腔微生物群的影响[9]。口腔微生物群紊乱会影响并诱发上消化道和下消化道疾病[10]。口腔细菌可能迁移到食管,从而间接影响食管微生物,促进食管疾病的发生和发展[11]。人类口腔微生物群紊乱可通过免疫途径诱发慢性炎症,从而导致GERD、巴雷特食管和食管癌的发生。

局部生态失调在食管疾病中已有研究[9,12]。新出现的证据表明,固有的食管微生物组与口腔微生物组有相似之处,但存在关键的分类差异[13-15]。近年口腔微生物组与消化系统癌症之间的关联已有研究发表[7,16-18]。本文综述近年人类口腔微生物组与食管疾病之间关联的最新进展。

1 口腔微生物组

人类口腔微生物组是指在口腔及其毗邻延伸部分(止于食管远端)发现的所有微生物,已被广泛研究[19]。口腔有超过775种细菌[20],其组成受许多因素的影响,包括宿主遗传[21]、地理[22]、年龄[23]、口腔健康[24]、生活方式习惯[25]、社会因素[26]和药物[27]等。研究发现,在健康个体的口腔微生物群组成中革兰阳性菌占优势,包括乏养菌属、消化链球菌属、链球菌属、口腔球菌属、放线菌属、双歧杆菌属、棒状杆菌属、真杆菌属、乳杆菌属、丙酸杆菌属、假分枝杆菌属和罗氏菌属等[20]。定居在健康口腔微生物群中的革兰阴性微生物包括莫拉菌属、奈瑟菌属、韦荣球菌属、弯曲杆菌属、二氧化碳嗜纤维菌属、脱硫杆菌属、脱硫弧菌属、艾肯菌属、梭杆菌属、嗜血杆菌属、纤毛菌属、普雷沃菌属、硒单胞菌属、西蒙斯菌属、密螺旋体属和沃林氏菌属等[20]。这个复杂生态系统的平衡对口腔健康至关重要,并影响宿主对疾病的反应[28]。体内平衡的破坏,即生态失调,可对宿主产生显著的代谢和免疫影响,最终导致局部和全身性疾病[29-30]。

2 口腔微生物组与食管疾病

现有研究表明,GERD、巴雷特食管和食管癌患者的口腔微生物组特征都发生了显著变化,由此鉴定出多个与食管疾病相关的差异物种。本文对人类口腔微生物组改变与食管疾病之间关联的相关文献进行了整理,以此来分析食管疾病与口腔微生物组之间潜在联系。

2.1 GERD

WANG等[31]评估了GERD患者(55例)与年龄和性别匹配的健康对照组(51例)之间唾液细菌群落组成的差异,发现在GERD患者中拟杆菌门、普雷沃菌属、韦荣球菌属、巨球型菌属、消化链球菌属、阿托波氏菌属、假丁酸弧菌属、真杆菌属和毛绒厌氧杆菌属的相对丰度明显增加,而奈瑟菌属、链球菌属、罗氏菌属、颗粒链菌属、孪生球菌属、聚集杆菌属、密螺旋体属、弯曲杆菌属、产丝菌属、棒状杆菌属和纤维弧菌属的相对丰度明显减少。KAWAR等[32]评估了有无使用质子泵抑制剂药物的GERD患者和健康对照组的唾液微生物组,结果发现未使用质子泵抑制剂的GERD患者产黑素普雷沃菌、苍白普雷沃菌、纤毛菌和莫氏细小杆菌以及其他13个物种与GERD存在负相关;相比之下,长期使用质子泵抑制剂的GERD患者与对照组相比,唾液微生物组的差异很小。

2.2 巴雷特食管

巴雷特食管是EAC的前期病变,随着抗生素的出现和幽门螺杆菌感染率的逐渐下降,巴雷特食管和EAC的发病率出现上升趋势[13]。这增加了上消化道微生物组可能在EAC发展过程中起关键作用的可能性,但尚未得到深入探索,目前只有一项研究探索了巴雷特食管和对照组之间口腔微生物组的差异。SNIDER等[33]在内窥镜检查前收集共49例研究对象的唾液样本(32例巴雷特食管,17例对照组),结果显示在门水平上,巴雷特食管患者的口腔微生物组中厚壁菌门具有较高的相对丰度(巴雷特食管组与对照组相对丰度分别是27.1%与14.6%),而变形杆菌的相对丰度较低(巴雷特食管组与对照组相对丰度分别是23.8%与34.5%);在属水平上,巴雷特食管患者中链球菌属和韦荣球菌属富集,奈瑟菌属、口动菌属和棒状杆菌属的相对丰度降低。

2.3 食管癌

ESCC和EAC具有不同的地理和时间模式以及危险因素特征,尽管进行了数十年的研究,但这些地理、时间模式背后的因素仍未完全了解[12]。相比于口腔微生物组与GERD或巴雷特食管的相关性研究,口腔微生物组与食管癌的关联研究更多,研究主要分布在中国、美国和日本。在一些研究中,区别于良性食管疾病患者的口腔微生物组只在菌群组成上显示出显著变化,食管癌口腔微生物组还在丰富度和α多样性上出现显著不同。

1)ESCC:2015年,CHEN等[34]进行了口腔微生物群与ESCC的关联研究。在这项研究中,从87例确诊的ESCC和85例健康对照者中收集了唾液样本,结果显示ESCC患者中链球菌属、普雷沃菌属和卟啉单胞菌属的相对丰度升高,口动菌属、布雷德菌属、卡托氏菌属、棒状杆菌属、毛螺旋菌属、消化球菌属和心杆菌属的相对丰度降低。2017年,在一项前瞻性研究中,PETERS等[35]进一步研究了ESCC中的口腔微生物群,该研究将25例ESCC的漱口水样本与50例匹配的对照组进行比较,发现牙周病原体牙龈卟啉单胞菌的相对丰度与ESCC风险相关(OR=1.30,95%CI:0.96,1.77)。2021年,LI等[36]采集了33例ESCC和35例健康对照者的唾液样本,研究结果发现浮霉菌门、疣微菌门、二氧化碳噬纤维菌属和毛螺菌科在ESCC组富集。2022年,CHEN等[37]纳入了90例新诊断ESCC和50例健康对照者,研究结果发现纤毛菌属、卟啉单胞菌属、链球菌属、罗氏菌属、乳酸杆菌属和消化链球菌属在ESCC患者唾液中的相对丰度高于健康对照者,而嗜血杆菌属、巴斯德菌科和巴斯德菌目等在ESCC患者唾液中相对丰度显著降低。JIANG等[38]的一项关于口腔微生物群预测ESCC的研究(ESCC组56例,对照组53例)中发现,与对照组相比,ESCC组的梭杆菌门、梭杆菌目和纤毛菌属的相对丰度增加,而变形杆菌、奈瑟菌科、巴斯德菌科、奈瑟菌属和聚集杆菌属的相对丰度降低。

2)EAC:PETERS等[35]的研究同样分析了EAC的口腔微生物群特征,该研究将81例EAC的漱口水样本与160例匹配的对照组进行比较,发现牙周病原体福赛斯坦纳菌与EAC风险增加有关(OR=1.21,95%CI:1.01,1.46),而奈瑟菌属和肺炎链球菌的相对丰度降低与EAC低风险相关。

3 口腔微生物对食管疾病的可能作用机制

目前,关于口腔微生物与食管疾病机制的研究比较少。由于细菌迁移,口腔在一定程度上塑造了食管微生物群[35]。食管癌前病变的微生物群发生了改变,例如革兰阳性菌和革兰阴性菌之间比例的异常,这种从具有较高革兰阳性菌比例到革兰阴性菌更占优势的转变被认为与GERD、巴雷特食管以及食管癌的发生发展有关[39-40]。

众所周知,脂多糖是革兰阴性菌中最丰富和最重要的细胞壁成分,对细胞完整性、生存能力和抗环境压力至关重要[41]。Toll样受体4是人体响应脂多糖诱导信号转导的受体之一,上皮屏障破坏后,脂多糖-Toll样受体4结合增加,激活白细胞介素-18产生,引起级联炎症反应[42]。Toll样受体4激活对感染和非感染相关炎症至关重要,并是革兰阴性菌引起炎症性疾病的主要机制[42]。再者,Toll样受体信号传导可以促进促炎性趋化因子的转录,包括白细胞介素-1、白细胞介素-6、白细胞介素-8和肿瘤坏死因子-α以及一氧化氮合酶等介质[43],其中一氧化氮和环氧化酶-2的产生会分别导致食管下括约肌松弛和胃排空减慢,进而导致GERD的发生[44]。宿主对革兰阴性菌固有脂多糖升高的反应导致上皮细胞核因子-κB活化。核因子-κB分子途径是对有害刺激的初始反应步骤,并承担上调炎症反应、先天性免疫反应、适应性反应、凋亡抑制、细胞增殖和分化的作用[44]。核因子-κB激活导致白细胞介素-1B和白细胞介素-8的表达增加,形成正反馈环,引发巴雷特食管更稳健的先天免疫应答[44]。此外,革兰阴性菌脂多糖的表达以及随后Toll样受体4-核因子-κB通路的激活与白细胞介素-8和环氧化酶-2的表达有关。这两者的水平与化生向异型增生转变直接相关[45]。

食管肿瘤组织的微生物群已被表征为受口腔微生物群和源自口腔牙周病相关物种的严重影响[35]。然而,即使在ESCC和EAC之间,微生物群也存在差异。具体到比较明确的物种而言,福赛斯坦纳菌与EAC之间存在关系,而牙龈卟啉单胞菌与ESCC的风险增加相关[35]。在一项关于福赛斯坦纳菌和牙龈卟啉单胞菌在食管癌发病机制中作用的综述中,描述了二者在负责癌症发展信号通路中的作用[46]。福赛斯坦纳菌通过增加癌细胞中葡萄糖转运蛋白-1和葡萄糖转运蛋白-4的表达促进了癌细胞的营养供应和细胞增殖,并通过CD4+ T辅助细胞和肿瘤坏死因子-α诱导促炎细胞因子干扰宿主的表皮屏障并诱导炎症[46];而牙龈卟啉单胞菌产生的牙龈卟啉单胞菌素K通过降解免疫球蛋白和补体(C3和C5成分)影响宿主免疫系统[47],同时也促进了基质金属蛋白酶的产生,这对于ESCC的发展起着重要作用[46]。

4 问题及展望

口腔微生物群和食管疾病之间关联的流行病学调查仍处于早期阶段,不仅研究数量有限,而且目前无法确定是否存在因果关系。当前相关研究存在一些问题:首先是样本收集(包括漱口水、唾液、牙菌斑等)的可变性、研究的横断面性质以及研究设计的异质性,对这些研究结果进行直接比较和分析可能具有挑战性;其次是使用16S rRNA测序作为研究方法,虽然16S rRNA测序现仍是细菌分类学分析的标准,但其在表征病毒和真菌,以及物种水平上细菌的能力不足,并且不能直接评估宿主和微生物之间的功能或相互作用;而宏基因组学和宏转录组学不仅能在物种水平上提供有关微生物组成的信息,还可以提供对所涉及代谢途径的见解[48]。

建立口腔微生物组和食管疾病之间的关联可以加深对食管疾病的理解,促进新型非侵入性诊断方法的开发,并有可能通过使用药物或靶向治疗来改变口腔微生物组以改善食管疾病的临床效果。