肠道菌群在结直肠癌中的作用及其机制

杨永涛　屈昌民　李连勇

中国人民解放军第306医院消化内科(100102)

肠道菌群在结直肠癌中的作用及其机制

杨永涛屈昌民李连勇*

中国人民解放军第306医院消化内科(100102)

摘要诸多研究表明肠道细菌是结直肠癌(CRC)的致病因素。目前研究已发现可增加CRC风险的相关菌属。肠道细菌可通过对肠黏膜上皮细胞作用，如影响DNA完整性、调节免疫反应、诱导炎症反应、促进细胞增殖、改变干细胞动力学等，促进CRC发生。调整肠道菌群有望成为预防或治疗CRC的手段。本文就肠道菌群在CRC中的作用及其机制作一综述。

关键词肠道菌群；结直肠肿瘤；环境因素；炎症；基因

微生物参与多种肿瘤的发生、发展，至少15%的肿瘤由感染因素引起[1]。结直肠癌(colorectal cancer, CRC)是世界第三大恶性肿瘤，息肉-腺瘤-癌是CRC的主要演变模式。大部分CRC呈散发性，提示环境因素而非遗传因素是CRC的主要诱因。结肠中的细菌含量约为小肠中的1010倍，同时结肠癌的发生率约为小肠癌的12倍[2]，说明肠道菌群在肠道肿瘤中发挥重要作用。既往研究表明西方化饮食方式与CRC的发生密切相关，饮食结构引起的肠道菌群变化可能介导了CRC发生[3]。肠道菌群可通过产生代谢产物，诱导黏膜免疫反应，调节细胞增殖等方式促进CRC发生。本文就肠道菌群在CRC中的作用及其机制作一综述。

一、肠道菌群的组成和功能

肠道菌群是由超过1 000余种细菌组成的复杂微生物群落。由于不同节段肠管的传输时间、pH值、氧含量、营养成分、分泌功能等的不同，细菌在肠道不同节段的定植存在差异[4]。肠道中的细菌群落主要集中于结直肠(每克肠内容物约含1012个细菌)，主要为厌氧的硬壁菌门和拟杆菌门，此外亦包括放线菌门、变形菌门、疣微菌门等[5]。尽管超过80%的肠道细菌不能体外培养，但DNA序列分析使肠道菌群的分类和定量成为可能。通过提取粪便细菌DNA进行全基因组测序发现，虽然不同个体间肠道菌群存在差别，但成年后个体肠道菌群可保持相对稳定。对欧洲健康志愿者粪便细菌DNA测序发现，根据优势菌属的种类，可将肠道菌群分为三个“肠型”，即拟杆菌属型、普氏菌属型和瘤胃球菌属型，对日本人群的研究亦得到相似结果[6]。

肠道菌群的组成可受饮食因素影响，饮食结构改变可使肠道菌群在数天内发生改变[4]。碳水化合物的摄入可导致厚壁菌门和放线菌门细菌组成发生重大变化。低碳水化合物的食物能够使厚壁菌门中的真杆菌属和放线菌门中的双歧杆菌属等产丁酸盐细菌减少[7]。而以植物为主的饮食(高纤维素、低脂肪、低蛋白质)相对于以动物为主的饮食(低纤维素、高脂肪、高蛋白质)会产生更广泛的肠道菌群变化。动物性饮食会使拟杆菌门细菌增加，放线菌门细菌减少[8]。高蛋白质和高脂肪饮食可促进包括普通脱硫弧菌在内的硫酸盐还原菌生长，并产生过量硫化氢。高脂肪饮食可产生胆汁酸，后者是表达7α脱羟基酶细菌的适合底物，这些细菌可将初级胆汁酸转变为具有潜在致癌作用的次级胆汁酸[9]。

正常肠道菌群与人体间存在共生关系，细菌在促进人体免疫系统发育、成熟，参与形成黏膜屏障，防止病原菌定植，解毒环境中致癌因子等方面发挥重要作用[10]。另一方面，人体的遗传背景、免疫系统以及激素水平等因素可影响肠道菌群组成，因此由人体遗传背景和生活方式差异造成的肠道菌群差异可能是导致不同个体对肥胖、哮喘、自身免疫性疾病、CRC等细菌相关性疾病易感性不同的原因[5]。

二、肠道菌群在CRC发生中的作用

高纤维素尤其是谷物和粗粮的摄入可降低CRC风险。食物中的膳食纤维仅小部分在小肠吸收，约95%未被消化的纤维到达结肠，在肠道菌群作用下被分解或转换，提示肠道菌群在CRC发生中发挥重要作用[4]。诸多证据表明肠道菌群是CRC的重要致病因素。

1. 动物研究：APCmin/+小鼠是广泛应用的CRC动物模型，其携带APC基因杂合突变，能自发形成肠道肿瘤。Son等[11]的研究显示，与正常环境下饲养的APCmin/+小鼠相比，无菌条件下饲养的APCmin/+小鼠肠道腺瘤的数目和体积明显减少。同样，无菌环境下饲养，经氧化偶氮甲烷(AOM)和葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的白细胞介素(IL)-10-/-、Tcrb/p53-/-、Gpx1/Gpx2-/-和Tgfb1/Rag2-/-小鼠模型较有菌环境下饲养的具有相同遗传背景的小鼠模型产生肠道腺瘤的数量明显减少，证实肠道微生物参与了CRC的发生[3]。Nagamine等[12]的研究发现，肝螺杆菌可促进AOM诱导IL-10-/-小鼠发生结肠炎相关肿瘤，而拟杆菌可抑制IL-10-/-小鼠肠道肿瘤形成，说明相同遗传背景下不同细菌在结肠癌发生中的作用不同。与无菌动物相比，移植人体肠道菌群小鼠的肠黏膜上皮细胞增殖更活跃，抗菌药物可降低小鼠结肠炎相关CRC的发生风险，而通过共同饲养或菌群移植的方式可将结肠炎相关结肠癌传递给遗传易患子代小鼠[13]。上述研究说明肠道菌群在CRC的发生中发挥重要作用。

2. 临床研究：1977年Savage DC等报道了与CRC相关的13种细菌，但由于样本量较小以及CRC诊断技术的限制，其结果并未获得广泛认可。随后有研究发现幽门螺杆菌、黏附侵袭性大肠杆菌与CRC相关[14]。肠道菌群的组成、分布以及代谢改变可使结肠组织向炎症、异型增生以及肿瘤发展[5]。Marchesi等[15]发现，CRC患者粪便中用于构建系统发育树的核心基因发生显著变化。McCoy等[16]的研究表明，与健康人群相比，腺瘤患者肠黏膜细菌多样性增加，粪便拟杆菌属数量增加，产丁酸盐细菌数量减少，具有潜在致病性的具核梭杆菌属数量增加。然而，Pagnini等[17]的研究发现，黏附于结肠腺瘤组织上的细菌数量较正常组织少20倍，可能是由于腺瘤组织相对正常组织分泌更多的α-防御素所致，但并无更多证据支持此种假设，有待进一步研究证实。

三、菌群失调在CRC发生中的作用机制

对于肠道菌群引起CRC的机制，有学者[18]提出起始菌-过路菌模型，该模型指出致病菌通过引起肠上皮细胞DNA损伤诱发CRC，CRC亦可进一步引起肠道环境改变使机会致病菌增殖、起始菌减少。

1. 肠道菌群对肠上皮细胞致畸作用：正常肠黏膜上皮细胞沿隐窝-绒毛轴进行快速更新，由于位于肠黏膜隐窝底的干细胞及其前体细胞突变易累积额外突变，因此CRC被认为是由基因突变所致。研究显示部分肠道致病菌可引起肠上皮细胞基因突变。脆弱类杆菌可诱导结肠上皮细胞表达精胺氧化酶，产生反应性氧自由基，引起DNA损伤[3]。粪肠球菌可产生细胞外超氧化物和过氧化氢，损伤结肠上皮细胞DNA[19]。具核梭杆菌可产生黏附分子FadA，后者不仅可帮助细菌黏附至肿瘤细胞，亦可结合E-钙黏蛋白，活化β-连环蛋白(β-catenin)信号通路，从而上调转录因子、癌基因以及炎症相关基因，最终诱发CRC细胞增殖，促进肿瘤的生长[20]。部分肠致病性大肠杆菌可编码聚酮肽基因毒素“Colibactin”，使宿主细胞DNA双链断裂，激活DNA损伤信号级联反应，导致慢性有丝分裂和染色体畸变以及基因突变频率增加，从而引发肿瘤。基因敲除聚酮化合物合成的致病岛后，大肠杆菌引起的炎症水平无显著改变，但肿瘤细胞侵袭能力有所减弱，提示细菌合成的聚酮化合物可促进肿瘤发生[21]。在CRC发病早期阶段，β-catenin和APC基因突变可导致结肠上皮屏障功能缺失，导致微生物产物转运至肿瘤微环境，此过程可使产生IL-23的髓系细胞活化，产生大量细胞因子促进肿瘤生长[22]。

2. 细菌代谢产物对黏膜上皮细胞的作用：纤维饮食中的碳水化合物经细菌分解发酵后，可产生包括丁酸、丙酸、乙酸在内的短链脂肪酸(SCFAs)，其中丁酸盐具有抗肿瘤特性，可降低CRC发病率[23]。梭菌Ⅳ群中的柔嫩梭菌属和梭菌ⅩⅣa群中的真杆菌属是人体结肠内产生丁酸盐的主要细菌[23]。SCFAs可与结肠上皮细胞和免疫细胞表面的G蛋白耦联受体(GPCRs)结合并被转运至细胞内，细胞内的SCFAs可抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)的活性，导致组蛋白过乙酰化[24]。HDAC的抑制和GPCRs介导的信号转导能使结肠调节性T细胞数量增加，并且诱导抗炎性细胞因子IL-10等产生。GPCRs信号转导亦可通过非依赖HDAC途径抑制核转录因子(NF)-κB活化，从而引起细胞凋亡[25]。同时，丁酸盐和丙酸盐可通过活化AP-1信号通路抑制细胞增殖以及选择性诱导细胞凋亡[23]。

肠道微生物可参与植物化合物和外源性有毒物质的生物转化，这些物质在肠道吸收后，在肝脏与葡萄糖醛酸等物质结合，通过胆汁排入肠道。肠道细菌中的β葡萄糖醛酸酶可将葡萄糖醛酸转换为苷元重新吸收，延长了上述物质在人体内的存留时间。已有研究[26]证实，高β葡萄糖醛酸酶活性可增加CRC风险，提示肠道细菌可通过β葡萄糖醛酸酶参与CRC发生。高蛋白饮食会使细菌水解发酵肠道内过量的蛋白，产生具有致炎和致癌作用的酚、氨、支链短链脂肪酸和其他含氮代谢产物。高蛋白和高脂肪饮食可促进硫酸盐还原菌生长，产生大量具有基因毒性的硫化氢[4]。未经小肠重吸收的部分初级胆汁酸在结肠内经细菌作用后脱去甘氨酸和牛磺酸残基，再经过7α脱羟基细菌作用，生成包括脱氧胆酸和石胆酸在内的次级胆汁酸，后者通过产生具有基因毒性的活性氧和活性氮，参与CRC的发生[27]。此外，过量摄入乙醇亦是诱发CRC的危险因素，其氧化产物乙醛具有较强的毒性和致癌作用，可导致细胞从DNA损伤至叶酸降解等不同程度的损害。研究表明，口腔微生物有助于乙醇转化为乙醛，提示肠道微生物亦可能通过此途径参与CRC的发生[4]。

3. 细菌诱导的炎症反应参与肿瘤发生：微生物的脂多糖、鞭毛蛋白、肽聚糖以及其他微生物相关分子模式(MAMPs)可被天然免疫系统，如NOD样受体(NLRs)、Toll样受体(TLRs)和视黄酸诱导基因-Ⅰ样受体在内的模式分子受体(PRRs)识别。天然免疫系统的激活可调节细胞增殖、黏膜屏障功能以及多种细胞炎症通路[10]。研究[28]表明，与腺瘤和正常组织相比，癌组织上皮细胞TLRs表达增加。另一项关于癌组织cDNA微阵列研究的meta分析[29]发现，癌组织中NLRs信号通路相关基因表达明显异常。PRRs通路相关基因修饰的模型小鼠可用于研究肠道细菌致CRC的机制，研究[30]发现先天免疫途径介导了细菌或化合物引起的肠上皮细胞慢性炎症反应。慢性炎症是诱导CRC发生的一个主要危险因素，炎症可募集和释放肿瘤坏死因子(TNF)-α、 IL-6、IL-1等细胞因子，后者通过活化NF-κB等途径参与CRC的发生[10,31-32]。TLR4基因缺失小鼠发生CRC的风险低，而过表达TLR4可增加AOM和DSS诱导结肠炎相关肿瘤的发生风险[28]。MyD88是传导TLRs信号的接头蛋白，MyD88-/-小鼠经AOM诱导发生CRC的风险较野生型小鼠降低，但AOM与DSS联合诱导发生结肠炎相关CRC的风险增加，此可能与髓系细胞IL-18产生缺失有关[33]。研究[22]显示，定向敲除小鼠肠道上皮细胞APC等位基因后，细菌可诱发小鼠发生CRC，且肿瘤组织中IL-23和IL-17表达增加，而给予抗菌药物治疗或敲除MyD88基因后，IL-23和IL-17水平以及肿瘤生长速度均下降。Salcedo 等[33]的研究亦指出，MyD88-/-APCmin/+小鼠较APCmin/+小鼠产生结肠肿瘤的数目减少，说明在APC基因突变的条件下，细菌介导的信号可促进肿瘤发生。此外，有研究[34]发现MyD88可通过活化ERK信号通路，抑制β-catenin降解，从而促进肿瘤发生。然而，亦有研究[28]指出TLRs-/-小鼠较野生型小鼠易产生胃肠道肿瘤，相关机制仍需深入研究。

四、结语和展望

虽然CRC具有遗传倾向，但环境因素在CRC发生、发展中占据主导地位，诸多研究表明肠道细菌是CRC的致病因素。随着科学技术的发展，肠道菌群的组成、功能、稳定性、宿主特异性、功能基因以及宏基因组成为研究热点。目前研究已发现可增加CRC风险的相关菌属。肠道细菌可通过对肠黏膜上皮细胞作用，如影响DNA完整性、调节免疫反应、诱导炎症反应、促进细胞增殖、改变干细胞动力学等，促进CRC发生。调整肠道菌群有望成为预防或治疗CRC的手段。此外，肠道菌群对外源性化合物的代谢会影响CRC治疗疗效，了解肠道菌群组成和代谢有助于治疗方案和监控策略的选择，从而提高治疗疗效，此亦为使用表达特定基因或生产特定代谢产物的细菌治疗或预防CRC提供可能。

参考文献

1 de Martel C, Ferlay J, Franceschi S, et al. Global burden of cancers attributable to infections in 2008: a review and synthetic analysis[J]. Lancet Oncol, 2012, 13 (6): 607-615.

2 Ahn J, Sinha R, Pei Z, et al. Human gut microbiome and risk for colorectal cancer[J]. J Natl Cancer Inst, 2013, 105 (24): 1907-1911.

3 Abreu MT, Peek RM Jr. Gastrointestinal malignancy and the microbiome[J]. Gastroenterology, 2014, 146 (6): 1534-1546.

4 Louis P, Hold GL, Flint HJ. The gut microbiota, bacterial metabolites and colorectal cancer[J]. Nat Rev Microbiol, 2014, 12 (10): 661-672.

5 Sears CL, Garrett WS. Microbes, microbiota, and colon cancer[J]. Cell Host Microbe, 2014, 15 (3): 317-328.

6 Arumugam M, Raes J, Pelletier E, et al. Enterotypes of the human gut microbiome[J]. Nature, 2011, 473 (7346): 174-180.

7 Orlando A, Russo F. Intestinal microbiota, probiotics and human gastrointestinal cancers[J]. J Gastrointest Cancer, 2013, 44 (2): 121-131.

8 Russell WR, Gratz SW, Duncan SH, et al. High-protein, reduced-carbohydrate weight-loss diets promote metabolite profiles likely to be detrimental to colonic health[J]. Am J Clin Nutr, 2011, 93 (5): 1062-1072.

9 Alemán JO, Eusebi LH, Ricciardiello L, et al. Mechanisms of obesity-induced gastrointestinal neoplasia[J]. Gastroenterology, 2014, 146 (2): 357-373.

10Gallimore AM, Godkin A. Epithelial barriers, microbiota, and colorectal cancer[J]. N Engl J Med, 2013, 368 (3): 282-284.

11Son JS, Khair S, Pettet DW 3rd, et al. Altered interactions between the gut microbiome and colonic mucosa precede polyposis in APCMin/+mice[J]. PLoS One, 2015, 10 (6): e0127985.

12Nagamine CM, Rogers AB, Fox JG, et al.Helicobacterhepaticuspromotes azoxymethane-initiated colon tumorigenesis in BALB/c-IL10-deficient mice[J]. Int J Cancer, 2008, 122 (4): 832-838.

13Couturier-Maillard A, Secher T, Rehman A, et al. NOD2-mediated dysbiosis predisposes mice to transmissible colitis and colorectal cancer[J]. J Clin Invest, 2013, 123 (2): 700-711.

14Bultman SJ.Emerging roles of the microbiome in cancer[J]. Carcinogenesis, 2014, 35 (2): 249-255.

15Marchesi JR, Dutilh BE, Hall N, et al. Towards the human colorectal cancer microbiome[J]. PLoS One, 2011, 6 (5): e20447.

16McCoy AN, Araújo-Pérez F, Azcárate-Peril A, et al.Fusobacteriumis associated with colorectal adenomas[J]. PLoS One, 2013, 8 (1): e53653.

17Pagnini C, Corleto VD, Mangoni ML, et al. Alteration of local microflora and α-defensins hyper-production in colonic adenoma mucosa[J]. J Clin Gastroenterol, 2011, 45 (7): 602-610.

18Tjalsma H, Boleij A, Marchesi JR, et al. A bacterial driver-passenger model for colorectal cancer: beyond the usual suspects[J]. Nat Rev Microbiol, 2012, 10 (8): 575-582.

19Wang X, Yang Y, Moore DR, et al. 4-hydroxy-2-nonenal mediates genotoxicity and bystander effects caused byEnterococcusfaecalis-infected macrophages[J]. Gastroenterology, 2012, 142 (3): 543-551.

20Rubinstein MR, Wang X, Liu W, et al.Fusobacteriumnucleatumpromotes colorectal carcinogenesis by modulating E-cadherin/β-catenin signaling via its FadA adhesin[J]. Cell Host Microbe, 2013, 14 (2): 195-206.

21Cuevas-Ramos G, Petit CR, Marcq I, et al.Escherichiacoliinduces DNA damageinvivoand triggers genomic instability in mammalian cells[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2010, 107 (25): 11537-11542.

22Grivennikov SI, Wang K, Mucida D, et al. Adenoma-linked barrier defects and microbial products drive IL-23/IL-17-mediated tumour growth[J]. Nature, 2012, 491 (7423): 254-258.

23Fung KY, Cosgrove L, Lockett T, et al. A review of the potential mechanisms for the lowering of colorectal oncogenesis by butyrate[J]. Br J Nutr, 2012, 108 (5): 820-831.

24Kasubuchi M, Hasegawa S, Hiramatsu T, et al. Dietary gut microbial metabolites, short-chain fatty acids, and host metabolic regulation[J]. Nutrients, 2015, 7 (4): 2839-2849.

25Chang PV, Hao L, Offermanns S, et al. The microbial metabolite butyrate regulates intestinal macrophage function via histone deacetylase inhibition[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2014, 111 (6): 2247-2252.

26Wallace BD, Wang H, Lane KT, et al. Alleviating cancer drug toxicity by inhibiting a bacterial enzyme[J]. Science, 2010, 330 (6005): 831-835.

27Tsuei J, Chau T, Mills D, et al. Bile acid dysregulation, gut dysbiosis, and gastrointestinal cancer[J]. Exp Biol Med (Maywood), 2014, 239 (11): 1489-1504.

28Lu Q, Ding H, Li W. Role of Toll-like receptors in microbiota-associated gastrointestinal cancer metastasis[J]. J Cancer Res Ther, 2013, 9 Suppl: S142-S149.

29Zambetti LP, Mortellaro A. NLRPs, microbiota, and gut homeostasis: unravelling the connection[J]. J Pathol, 2014, 233 (4): 321-330.

30Koo JE, Shin SW, Um SH, et al. X-shaped DNA potentiates therapeutic efficacy in colitis-associated colon cancer through dual activation of TLR9 and inflammasomes[J]. Mol Cancer, 2015, 14: 104.

31Wang L, Zhao M, Guo C, et al. PDCD4 deficiency aggravated colitis and colitis-associated colorectal cancer via promoting il-6/stat3 pathway in mice[J]. Inflamm Bowel Dis, 2016, 22 (5): 1107-1118.

32Merga JY, O’Hara A, Burkitt MD, et al. Review: Importance of the alternative NF-κB activation pathway in inflammation-associated gastrointestinal carcinogenesis[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2016 [Epub ahead of print].

33Salcedo R, Worschech A, Cardone M, et al. MyD88-mediated signaling prevents development of adenocarcinomas of the colon: role of interleukin 18[J]. J Exp Med, 2010, 207 (8): 1625-1636.

34Li Y, Kundu P, Seow SW, et al. Gut microbiota accelerate tumor growth via c-jun and STAT3 phosphorylation in APCMin/+ mice[J]. Carcinogenesis, 2012, 33 (6): 1231-1238.

(2015-05-26收稿；2015-07-13修回)

Effect and Mechanism of Intestinal Bacteria Flora on Colorectal Cancer

YANGYongtao,QUChangmin,LILianyong.

DepartmentofGastroenterology,the306thHospitalofPLA,Beijing(100102)

Correspondence to: LI Lianyong, Email: lilianyong001@163.com

AbstractIncreasing evidences have shown that intestinal microbiota may contribute to the etiology of colorectal cancer (CRC). Studies have shown some microbial species which can increase the risk of CRC. Intestinal bacteria can promote carcinogenesis by affecting DNA integrity, regulating immune reaction, inducing inflammation, increasing cell proliferation and altering stem cell dynamics. Modulation of intestinal microbiota may become an approach to prevent or treat CRC. This article reviewed the effect and mechanism of intestinal bacteria flora on CRC.

Key wordsIntestinal Bacteria;Colorectal Neoplasms;Environmental Factors;Inflammation;Gene

DOI:10.3969/j.issn.1008-7125.2016.05.015

*本文通信作者，Email: lilianyong001@163. com