細(xì)菌生物膜在腫瘤生物學(xué)進(jìn)程及治療應(yīng)用中的研究進(jìn)展

黃永平 李夢潔 孫玉芳 綜述 項(xiàng)濤 審校

最新癌癥數(shù)據(jù)顯示，2016年中國新發(fā)癌癥病例406.4萬，總死亡人數(shù)241.4萬，整體癌癥粗發(fā)病率持續(xù)上升，粗死亡率也呈上升趨勢[1]，繼續(xù)深入研究癌癥預(yù)防措施、發(fā)病機(jī)制和治療藥物等仍是科研及醫(yī)療工作者的重點(diǎn)。在惡性腫瘤的病因分析中發(fā)現(xiàn)，感染性因素約占惡性腫瘤發(fā)病原因的16%，主要包括病毒性感染(如人乳頭瘤病毒與宮頸癌、人T細(xì)胞白血病病毒I型與T細(xì)胞淋巴瘤、乙肝病毒與肝癌等)和細(xì)菌性感染(如幽門螺桿菌與胃癌、具核梭桿菌與結(jié)腸癌、傷寒沙門氏菌與膽囊癌)[2-5]。

研究認(rèn)為，約80%的細(xì)菌以生物膜的形式存在[6]，生物膜的形成不僅導(dǎo)致感染遷延不愈及擴(kuò)散[7]，還促進(jìn)惡性腫瘤的增殖和轉(zhuǎn)移、增加抗癌藥物的耐藥性，影響惡性腫瘤的生物學(xué)進(jìn)程及治療[8-9]。本文旨在介紹細(xì)菌生物膜并分析總結(jié)其對腫瘤生物學(xué)進(jìn)程及治療應(yīng)用的影響，以期為進(jìn)一步研究感染引起的惡性腫瘤的致病機(jī)制、耐藥性分析及治療思路提供參考。

1 腫瘤微環(huán)境(Tumor microenvironment，TME)及生物膜

TME在腫瘤增殖、代謝和轉(zhuǎn)移中起著重要作用，通常認(rèn)為TME包含腫瘤細(xì)胞、非腫瘤細(xì)胞、細(xì)胞間質(zhì)和細(xì)胞因子等。研究認(rèn)為腫瘤內(nèi)細(xì)菌和腫瘤外細(xì)菌也是TME的重要組成部分(如宿主免疫細(xì)胞和癌細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌)，這些細(xì)菌在不同腫瘤中形成不同的微生物群落(部分以細(xì)菌生物膜的形式存在)[4，10-12]。

細(xì)菌生物膜是一種或多種細(xì)菌為更好地適應(yīng)生存環(huán)境、黏附于生物或非生物表面、并嵌入自身分泌的胞外聚合物內(nèi)形成的含有多細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)群體[7，13]。生物膜的形成是細(xì)菌生長、繁殖、突變和播散的重要途徑，它不僅以自身的多形聚合物形態(tài)起著屏障作用，還抑制宿主免疫細(xì)胞和因子的吞噬殺傷能力，促進(jìn)膜內(nèi)細(xì)菌逃避宿主免疫，保護(hù)著細(xì)菌的生長代謝，在慢性感染和生物材料相關(guān)感染中起著重要作用[7，14]。細(xì)菌生物膜還可能通過促進(jìn)炎癥-癌癥轉(zhuǎn)化(慢性炎癥惡性轉(zhuǎn)化)[15]、改變腫瘤代謝或調(diào)節(jié)宿主免疫等方式影響腫瘤增殖、轉(zhuǎn)移及耐藥性。

2 細(xì)菌生物膜對腫瘤生物學(xué)進(jìn)程的影響

2.1 誘導(dǎo)炎癥-癌癥轉(zhuǎn)化

炎癥是機(jī)體對組織損傷(如感染或應(yīng)激)的適應(yīng)性反應(yīng)，炎癥反應(yīng)可刺激機(jī)體免疫應(yīng)答，促進(jìn)機(jī)體對受損組織的修復(fù)和細(xì)胞增殖。當(dāng)炎癥持續(xù)存在成為慢性炎癥時(shí)，機(jī)體將受到持續(xù)性的損傷以及損傷誘導(dǎo)的細(xì)胞增殖和組織修復(fù)，是炎癥向癌癥轉(zhuǎn)化的重要原因[15]，細(xì)菌生物膜正是細(xì)菌相關(guān)性感染由急性轉(zhuǎn)為慢性的重要途徑。

研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物膜可作為“炎-癌轉(zhuǎn)化”觸發(fā)因子，促進(jìn)上皮細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子IL-6或IL-8，誘導(dǎo)機(jī)體對黏膜上皮細(xì)胞DNA的損傷，促進(jìn)結(jié)直腸癌、膽囊癌、口腔癌和頭頸癌的發(fā)生(表1)[16-19]，雖然相關(guān)研究沒有得出具體促進(jìn)腫瘤發(fā)生的機(jī)制，但都指向了細(xì)胞因子IL-6。研究表明，IL-6促進(jìn)腫瘤增殖主要是通過激活Janus激酶2(Janus kinases 2，JAK2)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3(Signal transducers and activators of transcription，STAT3)信號(hào)通路發(fā)揮作用[20-22]。TME中IL-6/JAK2/STAT3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路與多種腫瘤細(xì)胞增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移及抑制機(jī)體免疫反應(yīng)相關(guān)，IL-6通過與膜表面受體IL-6R結(jié)合，激活JAK2，暴露轉(zhuǎn)錄激活因子STAT3結(jié)合位點(diǎn)，聚集并活化STAT3，激活的STAT3既可進(jìn)入細(xì)胞核調(diào)控癌基因的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，又可正反饋調(diào)節(jié)IL-6的釋放，放大炎癥級聯(lián)反應(yīng)，還可通過抑制樹突狀細(xì)胞的成熟來增加腫瘤對機(jī)體免疫系統(tǒng)的逃避能力[21-22]。因此，我們認(rèn)為細(xì)菌生物膜促進(jìn)“炎-癌轉(zhuǎn)化”的主要機(jī)制是激活I(lǐng)L-6/JAK2/STAT3信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，這與Dejea等[23]的研究結(jié)果一致，細(xì)菌生物膜促進(jìn)上皮細(xì)胞釋放炎癥因子IL-6，通過激活STAT3信號(hào)通路促進(jìn)結(jié)直腸癌的進(jìn)展。

2.2 促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖

穩(wěn)定的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝水平是維持組織細(xì)胞生長的重要條件，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的異?；罨蚣?xì)胞代謝水平的紊亂是正常組織細(xì)胞發(fā)生癌變的重要原因。研究認(rèn)為，磷酯酰肌醇3激酶(Phosphoinositide 3-kinase，PI3K)/蛋白激酶B(Protein kinase B，PKB/Akt)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是目前發(fā)現(xiàn)的參與惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展的主要細(xì)胞信號(hào)通路之一[24]。PI3K是具有絲氨酸/蘇氨酸激酶和磷脂酰肌醇激酶活性的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路蛋白，當(dāng)PI3K受各種上游信號(hào)分子(如活化的酪氨酸激酶受體或Toll樣受體)激活后，催化生成磷脂酰肌醇-3，4，5-三磷酸(Phosphatidylinositol-3，4，5-trisphosphate，PIP3)，PIP3進(jìn)一步激活下游信號(hào)分子Akt，活化的Akt可激活鼠雙微體同源基因MDM2或雷帕霉素靶蛋白等，抑制p53表達(dá)、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、促進(jìn)上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(Epithelial to mesenchymal transition，EMT)和新生血管生成，參與腫瘤生物學(xué)進(jìn)程的各個(gè)環(huán)節(jié)[25-26]。Ranganathan等[27]的研究結(jié)果指出，口腔細(xì)菌生物膜可以生成革蘭氏陰性細(xì)菌抗原脂多糖(Lipopolysaccharide，LPS)和革蘭氏陽性細(xì)菌脂磷壁酸(Lipoteichoic acid，LTA)，LPS和LTA聯(lián)合刺激口腔癌細(xì)胞Cal27導(dǎo)致PI3K相關(guān)蛋白表達(dá)上調(diào)和抑癌基因p53相關(guān)蛋白表達(dá)下調(diào)，促進(jìn)口腔癌細(xì)胞Cal27的增殖(表1)。

多胺(包括精胺、亞精胺和腐胺等)在正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞代謝中起著穩(wěn)定核糖核酸結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)核酸和蛋白質(zhì)合成等作用[24，28]。N(1)，N(12)-二乙酰精胺是精胺的二乙?；苌铮纱龠M(jìn)細(xì)胞從G1期向S期轉(zhuǎn)變，縮短腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞周期進(jìn)程，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖[29]。Johnson等[30]研究發(fā)現(xiàn)，生物膜陽性結(jié)直腸癌和正常組織中N(1)，N(12)-二乙酰精胺的表達(dá)水平較生物膜陰性癌組織和正常組織顯著增高，認(rèn)為細(xì)菌生物膜改變了多胺代謝水平，產(chǎn)生促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖的作用。Dejea等[8]研究也認(rèn)為細(xì)菌生物膜促進(jìn)N(1)，N(12)-二乙酰精胺的表達(dá)，促進(jìn)結(jié)直腸癌細(xì)胞增殖(表1)。

綜合上述有關(guān)生物膜對腫瘤細(xì)胞增殖作用的研究，細(xì)菌生物膜促進(jìn)惡性腫瘤細(xì)胞增殖的潛在機(jī)制包括激活PI3K/Akt信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和調(diào)節(jié)多胺代謝水平。

2.3 增強(qiáng)侵襲、轉(zhuǎn)移能力

EMT是上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化為間質(zhì)細(xì)胞表型的過程，在腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用。上皮鈣黏蛋白(E-cadherin)是一種跨膜糖蛋白，具有維持細(xì)胞極性、組織完整性和穩(wěn)定性的作用，在細(xì)胞分化、組織形成和細(xì)胞癌變中起著細(xì)胞間黏附以及調(diào)節(jié)腫瘤侵襲相關(guān)基因表達(dá)的作用，是發(fā)生EMT的“前哨”蛋白分子[31-32]。Dejea等[23]發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌生物膜可下調(diào)結(jié)直腸癌和正常人群結(jié)腸上皮細(xì)胞E-cadherin的表達(dá)，增加黏膜上皮細(xì)胞通透性，促進(jìn)結(jié)直腸癌的進(jìn)展。此外，Arzmi等[17]在研究單一或混合生物膜對口腔角質(zhì)形成細(xì)胞的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，白色念珠菌生物膜或混合生物膜(白色念珠菌、粘性放線菌和變異鏈球菌)誘導(dǎo)惡性角質(zhì)形成細(xì)胞H357與層粘連蛋白I的接觸，增強(qiáng)了H357對細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular matrix，ECM)的黏附，具有促進(jìn)口腔癌轉(zhuǎn)移作用，但是這項(xiàng)研究未發(fā)現(xiàn)H357與E-cadherin之間的聯(lián)系(表1)。

2.4 增強(qiáng)耐藥性

化療是治療惡性腫瘤的主要手段之一，腫瘤化療耐藥的產(chǎn)生是腫瘤繼續(xù)增殖、復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的重要原因。化療耐藥的主要機(jī)制包括細(xì)胞凋亡機(jī)制的缺陷、藥物外排增加、藥物靶點(diǎn)的改變、腫瘤細(xì)胞保護(hù)性自噬的產(chǎn)生、基因突變或表觀遺傳學(xué)變化等[33-34]。細(xì)菌生物膜對腫瘤化療耐藥性的產(chǎn)生有何影響目前仍不清楚。

陸詩媛等[35]研究發(fā)現(xiàn)，具核梭桿菌相關(guān)細(xì)菌及生物膜培養(yǎng)上清液可上調(diào)結(jié)腸癌細(xì)胞耐藥基因MDR1、Abcb1a和Abcb1b的表達(dá)，增強(qiáng)結(jié)腸癌細(xì)胞的化療耐藥性，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)具核梭桿菌相關(guān)細(xì)菌生物膜培養(yǎng)上清液具有相比浮游細(xì)菌培養(yǎng)上清液更強(qiáng)的促癌細(xì)胞耐藥性作用。也有文獻(xiàn)報(bào)道稱細(xì)菌生物膜具有外膜樣包裹腫瘤組織的作用，可抵抗化療藥物對膜內(nèi)腫瘤細(xì)胞的損傷，還可通過產(chǎn)生細(xì)胞外DNA增強(qiáng)癌細(xì)胞間的緊密接觸，增強(qiáng)腫瘤耐藥性，但具體作用機(jī)制未進(jìn)一步闡明[9](表1)。

表1 細(xì)菌生物膜對腫瘤生物學(xué)進(jìn)程的影響

3 細(xì)菌生物膜的抗腫瘤治療作用

3.1 細(xì)菌生物膜對抗癌藥物的協(xié)同作用

細(xì)菌抗腫瘤治療是近年來癌癥治療的研究熱點(diǎn)之一。細(xì)菌以其特異的腫瘤靶向性、免疫原性和免疫反應(yīng)性在抗癌治療中取得了一定的研究成果[36-38]。相對浮游細(xì)菌而言，細(xì)菌生物膜的抗癌研究較為滯后。研究認(rèn)為細(xì)菌生物膜在抗腫瘤治療中起著重要作用，是抗癌治療的新手段。

馬徵薇等[39]將大腸桿菌的細(xì)菌外膜囊泡(Outer menmbrane vesicless，OMVs)包裹含5-氟尿嘧啶(5-FU)的介孔二氧化硅(Mesoporous silica nanoparticles，MSN)獲得復(fù)合型藥物載體OMVs-MSN-5-FU應(yīng)用于結(jié)腸癌細(xì)胞Caco-2和HT-29的研究發(fā)現(xiàn)，OMVs-MSN-5-FU比傳統(tǒng)納米載體藥物更易被腫瘤細(xì)胞攝取，對結(jié)腸癌細(xì)胞具有更高的抑制率，且對小鼠肝腎等靶外器官的損傷更小。林靚茹等[40]的研究指出，多功能納米顆粒PEF(大腸桿菌包裹Fe3O4孵育培養(yǎng)得到的鐵礦化大腸桿菌內(nèi)膜和聚乳酸-羥基乙酸共聚物結(jié)合物)通過調(diào)節(jié)結(jié)腸癌CT26細(xì)胞鐵代謝，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞鐵死亡，抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖。Kumeria等[41]將從鉆孔系統(tǒng)中的生物膜提取到的氧化鐵納米線作為抗癌藥物多柔比星的運(yùn)載體用于治療乳腺癌細(xì)胞(MDA-MB231-TXSA)和小鼠巨噬細(xì)胞(RAW 264.7)的研究發(fā)現(xiàn)，氧化鐵納米線具有觸發(fā)有效藥物釋放的能力，具有良好的抗癌細(xì)胞增殖潛力，可潛在應(yīng)用于抗癌治療中。

3.2 細(xì)菌生物膜促抗癌藥物靶向化

目前的化療藥和免疫抑制劑等藥物因其對癌細(xì)胞以及正常組織細(xì)胞的雙重殺傷作用，帶來很大的藥物不良反應(yīng)及對宿主非癌器官組織的損傷。如何使抗癌藥物更精準(zhǔn)地作用于癌細(xì)胞，也是目前研究的重點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)菌生物膜藥物遞送載體具有促進(jìn)抗癌藥物靶向錨定于癌組織的作用。

Wang等[42]研究團(tuán)隊(duì)在納米載體靶向治療結(jié)直腸癌的研究中發(fā)現(xiàn)，具有羅伊氏乳桿菌生物膜涂層的細(xì)菌仿生納米粒子具有抵抗胃酸消化和在結(jié)直腸腫瘤區(qū)域靶向釋放5-FU的功能，這種納米粒子幾乎不進(jìn)入血液，避免了對肝臟和脾臟等免疫器官的損害，具有新的口服靶向藥物治療結(jié)直腸癌的應(yīng)用前景。馬徵薇[39]研究也發(fā)現(xiàn)復(fù)合型藥物載體OMVs-MSN-5-FU能在腫瘤部位特異性釋放藥物，對周圍組織器官損傷小。

3.3 細(xì)菌生物膜增強(qiáng)免疫反應(yīng)

宿主的免疫反應(yīng)能力是腫瘤發(fā)生發(fā)展的重要因素之一，低免疫能力人群可能更易罹患腫瘤。因此，調(diào)節(jié)宿主免疫能力是抗腫瘤治療的另一方式。細(xì)菌生物膜藥物遞送體可通過調(diào)節(jié)機(jī)體免疫系統(tǒng)，協(xié)同抑制腫瘤增殖。

Han等[43]關(guān)于益生菌調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)抗腫瘤的研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌和乳桿菌在蒙脫石上形成了細(xì)菌生物膜，將這種生物膜制劑飼養(yǎng)黑色素瘤小鼠，可維持小鼠腸道內(nèi)較穩(wěn)定的雙歧桿菌和乳桿菌菌群水平，同時(shí)觀察到結(jié)腸中樹突狀細(xì)胞的減少、腫瘤中樹突狀細(xì)胞的增加以及小鼠結(jié)腸、血液及腫瘤中細(xì)胞毒性T細(xì)胞的增加，他們認(rèn)為這種生物膜制劑通過Toll樣受體2信號(hào)通路激活小鼠抗腫瘤免疫反應(yīng)，抑制腫瘤增殖。林靚茹[40]研究也發(fā)現(xiàn)多功能納米顆粒PEF被樹突狀細(xì)胞攝取，促進(jìn)促炎細(xì)胞因子IL-6和TNF-α等的分泌和成熟，激活機(jī)體免疫反應(yīng)，抑制腫瘤增殖。

4 小結(jié)與展望

細(xì)菌生物膜的形成在惡性腫瘤尤其是消化道腫瘤的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用，抗腫瘤治療聯(lián)合抗菌治療可能有利于部分惡性腫瘤的治療，但生物膜在促癌機(jī)制中起到何種作用，仍需要更多的研究去證實(shí)。盡管目前多數(shù)研究認(rèn)為生物膜的存在為抗感染和抗腫瘤治療帶來阻礙，但生物膜也可為新型抗腫瘤治療提供價(jià)值，研究細(xì)菌及其生物膜提取物、經(jīng)工程改造的生物膜及生物膜載體有望成為抗癌治療的新方向。