腸道菌群失調(diào)與結直腸癌關系的研究進展

孫中，艾江

【提要】 結直腸癌(CRC)是發(fā)生在人體下消化道結腸或直腸的惡性腫瘤。在世界范圍內(nèi)，其發(fā)病率和死亡率均位居癌癥的前三位，對人類健康構成巨大威脅。CRC病因研究指出飲食、遺傳、炎癥等因素與其發(fā)病密切相關，近年來眾多研究表明腸道菌群失衡在CRC的發(fā)生中可能發(fā)揮著重要作用，其可能通過腸道細菌對腸道上皮細胞DNA直接造成損傷、誘發(fā)腸管慢性炎癥反應、干擾免疫反應信號通路誘導炎癥因子釋放或產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物，影響CRC患者化療藥物療效等作用促進腫瘤的發(fā)生。腸道菌群失調(diào)促進CRC發(fā)生具體的作用機制尚未完全闡明。本文通過查閱近幾年相關文獻并總結，就腸道菌群失調(diào)在結直腸癌發(fā)生和發(fā)展中的相關作用及機制進行綜述。

腸道中有數(shù)以億計的微生物，其中99%是細菌，腸道菌群參與宿主的能量代謝過程和調(diào)節(jié)免疫功能，并在其中發(fā)揮重要作用。腸道菌群微生態(tài)失衡對肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎癥性腸病、相關腫瘤的發(fā)展具有促進作用[1-4]。相關研究指出，腸道菌群失調(diào)可能在結直腸癌(colorectal cancer，CRC)的發(fā)展中起重要作用[5]。本文通過查閱近幾年相關文獻并總結，就腸道菌群失調(diào)在CRC發(fā)生和發(fā)展中的相關作用及其機制進行綜述。

1 腸道菌群概述

1.1 腸道菌群的分布特點及生理作用

人體內(nèi)的眾多微生物大部分存在于消化道中，尤其是下消化道。正常人體腸道內(nèi)生活著不同類型、不同含量的細菌多達1×1014個，種類超過1 000種[6]。

由于消化道內(nèi)各部位pH值和生理結構不同造成腸道菌群分布有橫向及縱向差異。在橫向上，因為pH值和食物停留時間不同，胃內(nèi)細菌數(shù)量很少，總菌數(shù)0～103個，以需氧抗酸性細菌為主，如幽門螺桿菌、鏈球菌乳桿菌等。小腸pH值稍偏堿性且含有多種消化酶和胰液，腸道節(jié)律運動快，細菌多數(shù)被沖刷到回腸；空腸中主要以需型細菌為主，細菌數(shù)量約105個；向下至回腸細菌數(shù)量增，且厭氧菌為優(yōu)勢菌群，例如雙歧桿菌、擬桿菌等，細菌總數(shù)約103～107個；結腸內(nèi)菌量最多達1011～1012個，且98%以上為厭氧菌，細菌種類也達300多種，干大便近1/3的重量是由細菌組成[7]。縱向上，腸道內(nèi)的細菌由外向內(nèi)可分為三層，膜菌層：主要為厭氧共生菌，以乳酸桿菌和雙歧桿菌為主；中間菌層：主要為厭氧菌，以糞桿菌、消化鏈球菌、偉榮球菌和優(yōu)桿菌為主；腔菌層：為好氧和兼性好氧菌，主要為大腸桿菌和腸球菌[8]。

生物體內(nèi)物質代謝與轉化離不開正常腸道菌群的生物作用。正常腸道菌群能夠參與合成如碳水化合物、蛋白質、脂肪及維生素，共同將初級膽汁酸轉變?yōu)榇渭壞懼帷Ｄc道菌群分解食物能合成多種人體必需維生素,利用腸道消化作用后的蛋白質殘渣合成非必需氨基酸,同時還能促進多種微量元素的吸收[9]。正常菌群通過與黏膜上皮細胞緊密結合占領腸道重要位置,阻止其他細菌在腸黏膜附著，并且正常菌群通過自身分泌細菌素類物質抑制或殺滅其他外來細菌。正常菌群還能增強宿主的黏膜反應,刺激機體免疫系統(tǒng)的發(fā)育成熟。更有研究證實,腸道內(nèi)正常菌群的分布和存在還具有免疫佐劑活性作用[10]。Beno等[11]研究發(fā)現(xiàn)，腸道中的雙歧桿菌和乳酸菌可通過抗氧化和調(diào)整神經(jīng)內(nèi)分泌-免疫系統(tǒng)而具有抗衰老作用。

1.2 腸道菌群失調(diào)的影響因素

研究指出人體年齡、飲食習慣、服用抗生素類藥物、某些疾病狀態(tài)均會影響腸道菌群微生態(tài)平衡，導致菌群失調(diào)的發(fā)生[12]。隨著人們年齡的增長，腸道內(nèi)菌群多樣性會逐漸下降，主要表現(xiàn)為益生菌數(shù)量減少，老年性疾病的發(fā)生和機體功能退化可能是其主要原因[13]。飲食也是腸道菌群多樣性的最重要影響因素之一，相關研究發(fā)現(xiàn)，飲食中含有過多脂肪對腸道菌群的破壞可以促進肥胖的發(fā)展[14]。

腸道菌群失調(diào)的另一種重要方式則是腸黏膜通透性發(fā)生改變時，腸道內(nèi)細菌及其產(chǎn)物內(nèi)毒素透過腸道黏膜屏障及血液轉移到腸道以外的組織器官定植，進一步引發(fā)炎癥和不良免疫反應[15]。在某些疾病狀態(tài)如各種創(chuàng)傷、大出血、心源性或感染性休克發(fā)生時，機體會將血液主要供給給心、腦等重要臟器維持基本生命活動，腸黏膜及黏膜下層血流的減少使黏膜上皮細胞發(fā)生壞死無法及時修復等會造成腸道黏膜屏障通透性改變，為細菌移位創(chuàng)造條件[16]。

2 CRC患者腸道菌群改變

CRC人群與健康人群腸道微生物構成存在差異，在CRC患者中表現(xiàn)出明顯菌群穩(wěn)態(tài)失衡。Scanlan等[17]對CRC和腸息肉切除患者進行糞便菌群分析，觀察到CRC及腺瘤性息肉病患者腸道中球形梭菌和柔嫩梭菌數(shù)量較正常人增多。Zare等[18]發(fā)現(xiàn)CRC人群腸道中出現(xiàn)擬桿菌門和普里沃菌屬數(shù)量增多。Swidsinski等[18]亦發(fā)現(xiàn)CRC患者腸道中發(fā)生大腸埃希菌富集。周凱[20]通過基因測序方法發(fā)現(xiàn)，在腸道癌組織處腸道有益菌如產(chǎn)丁酸鹽細菌相對豐度減少，條件性致病菌數(shù)量明顯增多。

3 腸道菌群失調(diào)導致CRC發(fā)生的機制

3.1 致病菌通過菌體促腫瘤發(fā)生

1969年Aries等[21]首次提出腸道微生物與CRC間具有相關性，人體腸道中存在著多種共生菌,但只有大約10種微生物被認為是有促瘤作用的菌群。Abdulamir等[22]在小鼠模型中發(fā)現(xiàn),牛鏈球菌能通過增加細胞增殖和誘導細胞因子和轉錄因子如白細胞介素1(interleukin-1，IL-1)、干擾素-g(interferon-g, IFN-g)、IL-8和核因子κB(nuclearFactor κB, NF-κB)的產(chǎn)生而促進癌前病變的發(fā)展,同時研究者發(fā)現(xiàn)牛鏈球菌壁提取的特異性抗原能通過過表達環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)來促進人腺上皮細胞癌變。Huycke等[23]采用定量PCR技術鑒定發(fā)現(xiàn)，糞腸球菌數(shù)量在CRC患者中顯著高于正常人，通過體內(nèi)和體外實驗發(fā)現(xiàn)該菌能產(chǎn)生細胞外超氧化物損傷結腸上皮細胞的DNA。Rubinstein等[24]發(fā)現(xiàn)具核梭桿菌可以改變腸黏膜上皮細胞內(nèi)信號通路，細菌通過表達的表面粘附蛋白(FadA)與上皮鈣粘附蛋白(E-cadherin)結合，激活β連環(huán)蛋白(β-catenin)信號，在不同程度上調(diào)節(jié)炎癥和致癌反應。Drewes等[25]發(fā)現(xiàn)卟啉單胞菌可損害上皮細胞層的完整性及抑制細胞凋亡,還可通過提升一氧化氮合酶和腫瘤壞死因子-α(tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)的表達，增加腫瘤發(fā)生的概率。

3.2 細菌毒素作用

腸道菌群失調(diào)使腸道正常菌群占位抑制作用減弱，致菌群大量繁殖引起細菌毒素增加，同時炎癥反應使腸道屏障功能的損傷會引起細菌毒素入血及非致病性細菌發(fā)生移位，進而誘導結腸癌的發(fā)生[26]。致病機制可能為通過產(chǎn)生的細菌毒素與模式識別受體發(fā)生特異性結合，如Nod樣受體(nucleotide binding oligomerization domain-like receptors,NLR)和Toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)，導致相應的信號通路被激活，出現(xiàn)腫瘤細胞增殖活躍、凋亡降低、侵襲轉移能力增強等惡性生物學行為，使結直腸癌病情進一步惡化[27]。有研究證實,大腸桿菌毒素可引起DNA雙鏈斷裂、DNA修復不全和細胞周期阻滯，染色體發(fā)生畸變，進而導致癌癥發(fā)生[28-30]。Toprak等[31]研究發(fā)現(xiàn),脆弱擬桿菌分泌的脆弱擬桿菌毒素具有緊密連接特異性作用，能使動物小腸表面上皮細胞皺縮腫脹形態(tài)發(fā)生改變，致腸黏膜通透性升高，同時還能刺激腸上皮細胞(HT29、T84細胞和Caco-2)分泌IL-8，導致多形核白細胞聚集到腸黏膜下層，引起炎癥反應，增加癌變風險[32]?？漳c彎曲桿菌可產(chǎn)生一種基因毒素—細胞膨脹毒素(cytolethal distending toxin, CDT)具有DNA酶活性，可引起DNA雙鏈斷裂，研究者發(fā)現(xiàn)與未感染空腸彎曲桿菌小鼠相比，感染該菌小鼠腫瘤明顯增大[33]。

3.3 炎癥因子活化及免疫機制作用

腸道發(fā)生菌群失調(diào)后，腸道內(nèi)有效的屏障功能會減弱，細菌移位概率增加。移位的細菌能介導慢性炎癥發(fā)生，并刺激免疫細胞及其產(chǎn)生的細胞因子增多。研究發(fā)現(xiàn)，炎癥過程中產(chǎn)生的細胞因子和趨化因子可促進腫瘤的增殖和存活，這些細胞因子包括TNF-α、IL-6、IL-17和IL-23等[34]。腸道微環(huán)境中這些細胞因子、生長因子可激活相關的信號通路，如轉化生長因子β(transfroming growth foctor-β,TGF-β)、Notch、Wnt等，這將降低結腸黏膜上皮細胞的自我更新能力；激活轉錄因子NF-κB和STAT3，結腸組織免疫穩(wěn)態(tài)發(fā)生失衡和組織修復減弱；激活通路MAPK和Akt/PKB，結腸細胞的有絲分裂能力受到影響[35]。

高豐度具核梭桿菌會使腸道上皮細胞TNF-α、β-catenin和NF-κB表達增加[36]，通過激活的NF-κB信號和STAT3信號通路使上皮來源的腫瘤細胞發(fā)生間充質化，進一步提升腫瘤細胞的遷移和侵襲能力[37]。產(chǎn)腸毒素類脆弱擬桿菌在腸道中過度繁殖可導致上皮促炎性因子的釋放增多，炎癥反應增強[38]，并進一步活化NF-κB信號通路[39]，刺激炎性細胞產(chǎn)生基質金屬蛋白酶-9(matrix metallopeptidase 9,MMP9)，使細胞遷移能力增強[40]。Round等[41]發(fā)現(xiàn)約氏乳酸桿菌能增強炎性反應抑制性細胞因子IL-10與TGF-β的分泌,減少促炎因子IL-1b和IFN-γ的濃度,降低T細胞以及自然殺傷細胞的浸潤,降低炎癥反應程度以此減少CRC發(fā)生率。

3.4 細菌代謝產(chǎn)物和相關酶作用

腸道細菌參與了多種腸道物質的合成及代謝過程，代謝產(chǎn)物及相關酶又與腸道菌群共同參與了腸道微生態(tài)平衡的調(diào)節(jié)[42]。硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)可還原硫酸鹽產(chǎn)生硫化氫(H2S)氣體[43]。硫化氫主要通過結腸黏膜炎癥、誘導DNA損傷、結腸黏膜過度增生、自由基釋放，并同時抑制細胞色素氧化酶、丁酸鹽利用、黏液合成和DNA甲基化等機制促進結腸癌的發(fā)生發(fā)展[44]。高脂飲食條件下，腸道梭菌屬代謝作用產(chǎn)生的次級膽汁酸具有影響有絲分裂過程作用，并誘導DNA損傷，提高結腸癌的發(fā)生概率[45]，主要通過誘導氧化應激反應、激活細胞因子NF-κB及表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)等途徑促腫瘤發(fā)生[46-47]。腸道菌群發(fā)酵食物產(chǎn)生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸家族中的丁酸鹽被證實具有強大的抗炎和抗腫瘤能力[48]。Wu等[49]指出腸道中產(chǎn)生丁酸鹽的柔嫩梭菌群減少會促進CRC的發(fā)生。腸道內(nèi)微生物將某些植物來源的食物代謝有生物活性的化合物，如腸木脂素可能在癌癥形成中起了一定的作用[50]。

除此之外，腸道菌群代謝產(chǎn)生相關酶同樣在癌癥的發(fā)生發(fā)展中具有一定影響，如精胺氧化酶、硝基還原酶、偶氮還原酶、β-葡萄糖醛酸酶、活性氧、活性氮等[51]，這些相關酶主要能夠造成細胞DNA損傷、增加基因突變率以及激活致癌物來增加腫瘤發(fā)生風險[52]。戴起寶等[53]測定了結直腸癌灶黏膜組織中細菌β-葡萄糖醛酸酶活性，結果發(fā)現(xiàn)其活性較非結直腸癌人群顯著增高。Geier等[54]發(fā)現(xiàn)正常腸道中的乳酸桿菌和雙歧桿菌等可降低偶氮還原酶、硝基還原酶和β-葡萄糖醛酸酶的活性，從而使CRC的發(fā)生率下降。

3.5 影響腫瘤化療療效

CRC患者腸道菌群與化療療效具有一定相關性，腸道共生菌能夠改變腫瘤微環(huán)境，提高機體對于寡核苷酸介導的腫瘤治療和鉑類化療的療效[55]。研究者發(fā)現(xiàn)，腸道共生菌群對化療藥物奧沙利鉑、順鉑療效有較明顯的影響，奧沙利鉑治療的作用機制是通過細胞毒性殺死免疫相關細胞,增加活性氧族的分泌[56]。研究者觀察到，腸道某些內(nèi)共生菌如乳酸桿菌等數(shù)量減少，可導致化療藥物奧沙利鉑的細胞毒性一定程度地下降，活性氧族分泌化療效果也出現(xiàn)明顯減弱[57]。Viaud 等[58]在使用環(huán)磷酰胺對黑色素瘤和非轉移性的肉瘤進行化療的模型研究中發(fā)現(xiàn)，因炎癥及免疫損傷腸黏膜上皮細胞，腸道共生菌群革蘭陽性菌可以通過其遷移進入二級淋巴組織脾臟和淋巴結中，促進輔助性T細胞17(T helper cell 17, Th17) 和記憶性Th1細胞的分化成熟，并促進IL-17和IFNγ的分泌，該作用提高了環(huán)磷酰胺的化療效果。

綜上所述，腸道菌群失調(diào)主要通過腸道細菌對腸道上皮細胞DNA直接造成損傷、誘發(fā)腸管慢性炎癥反應、干擾免疫反應信號通路誘導炎癥因子釋放或產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物或酶，影響CRC患者化療藥物療效，進而對結直腸癌的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生一定影響。目前已經(jīng)較為明確的促腸道腫瘤微生物主要為產(chǎn)腸毒素大腸埃希菌、牛鏈球菌、產(chǎn)毒素脆弱擬桿菌、具核梭桿菌，抑瘤性微生物包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、鼠李斯特菌等。未來可能出現(xiàn)通過檢測上述腸道菌群結構變化的技術方法來進行結直腸癌的早期篩查，為CRC的預防、及時診斷和有效治療提供新標準和新途徑。