肠道微生态与大肠癌的关联及其机制

摘 要 大肠癌是危害国人健康的高发肿瘤类型，其发病率和致死率在世界上均已在肿瘤中位居第三。近年来，肠道微生态的生理功能日益成为研究热点，且微生态失衡已被证实是大肠癌的重要危险因素。本文就肠道微生态与大肠癌的发生、发展以及其在预测和预防大肠癌中的价值和作用等问题作一简要述评。

关键词 大肠癌 益生菌 微生态失衡

中图分类号：R730.231.3 文献标识码：A 文章编号：1006-1533（2016）19-0009-04

Gut microbiota and colorectal cancer — the interrelations and mechanisms

CHEN Jian*， ZHANG Huilu

（Department of Gastroenterology， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT Colorectal cancer （CRC） is one of the high incidence of tumor types endangering the health of our people and its morbidity and mortality have been ranked the third in the tumor in the world. Recently， physiological function of gut microflora has increasingly become a hot topic of research and furthermore the human gut microbial dysbiosis has been proved to be a risk factor for the initiation and development of CRC. We briefly summarize the relationship between gut microbiota and the initiation and development of CRC and its value and function in the prediction and prevention of CRC and so on in this article.

KEY WORDS colorectal cancer； probiotics； microbial dysbiosis

大肠癌是危害国人健康的高发肿瘤类型，其在世界范围内的发病率和致死率均在肿瘤中位居第三，而国人大肠癌发病率的每年递增速度为世界平均数的2倍[1]。有关研究表明，饮食西化、运动减少、肥胖、吸烟和遗传因素等均与大肠癌的发生有密切的关联[2]。近年来，肠道微生态的生理功能越来越受到重视，大量研究已证实肠道微生态失衡是大肠癌的重要危险因素[3-4]。本文就肠道微生态与大肠癌的关联及所涉机制等问题作一简要述评。

1 大肠癌是肠道菌群的相关性疾病

结肠中的菌群密度约为1×1012/ml，远远高于小肠中的菌群密度（约为1×102/ml），且结肠发生肿瘤的风险较小肠高约12倍。在无菌动物中很难诱导出大肠癌的模型，故有学者提出大肠癌可能为肠道菌群的相关性疾病[5]。过去十多年来，一系列对大肠癌动物模型及大肠癌患者的肠黏膜及粪菌菌群谱的分析均提示，肠道细菌与大肠癌间存在着关联。

有学者选用敲除了T细胞受体基因和p53基因的小鼠作为结肠癌动物模型，自其7周龄开始分别给予正常饲养和无菌饲养，结果在4月龄时观察到70%的正常饲养小鼠出现了结肠息肉，而无菌饲养小鼠均无明显息肉形成，机制可能与无菌饲养小鼠不会发生与结肠癌相关的肠道炎症有关[5]。

系列研究显示，无论是自发形成还是化学诱发，无菌条件下的动物大肠癌发生率均较低。在化学诱导的结肠炎相关大肠癌模型及APCmin/+小鼠（会自发形成肠道多发腺瘤）模型中，无菌饲养小鼠的肿瘤相关基因突变率也显著低于正常饲养的小鼠[6]。这些研究均提示，大肠癌的发生需有肠道微生物背景，肠道微生态系统的存在是大肠癌发生的必要条件[7]。

2 肠道微生态失衡与大肠癌的因果关系

肠道微生态失衡是指肠道菌群失衡或易位，其中肠道菌群失衡是指肠道原籍菌群谱发生了改变，益生菌总数减少，益生菌与致病菌总数的比例显著下降；肠道菌群易位是指肠道细菌由原定位处向周围转移（如小肠细菌过度增殖），或肠道细菌由原位向肠黏膜深层乃至全身转移。肠道微生态失衡会诱发大肠癌，而大肠癌的高危因素（如老龄、肥胖、高脂饮食、便秘和滥用抗生素等）也可导致肠道菌群谱改变。那么，肠道微生态失衡与大肠癌的因果关系到底如何呢？

健康人群肠道微生态系统内的菌群以厌氧菌为主，90%以上属厚壁菌门、拟杆菌门，少数为变形菌门、梭菌门和放线菌门细菌[8]。不同菌门的细菌相互制约，维持着肠道微生态系统的稳定，共同参与宿主正常的消化、代谢和能量转化过程，并可调节宿主肠黏膜屏障的防御功能，参与血管形成及肠道细胞成熟过程中的基因表达。

与健康者或癌旁正常组织相比，大肠癌患者的癌组织或粪便中的菌群总数及种类均有很大的改变[9-10]。例如，大肠癌患者粪便菌群中的双歧杆菌、乳酸杆菌和产丁酸盐菌种等所占比例显著降低，而大肠埃希菌、乳球菌属、具核梭杆菌和脆弱拟杆菌所占比例则显著增加[11]。此外，包括肠球菌、大肠埃希菌、克雷伯菌属、链球菌和消化链球菌在内的11种细菌在大肠癌患者肠道中的数量显著增加，而属罗氏菌属和毛螺旋菌科的5种产丁酸盐菌种数量却显著降低[11]。国内赵立平团队在使用二甲基肼诱发大鼠大肠癌的过程中发现，在大鼠健康肠黏膜向癌前病变（黏膜异常隐窝病灶）及癌变的转化过程中，大鼠肠道菌群发生了一系列的动态变化[12]。他们此后又对大肠癌患者和健康者的肠道菌群进行了整体分析，结果发现一种与脆弱拟杆菌相似的细菌在大肠癌患者肠道中的数量显著增加，而与普通拟杆菌和单形类杆菌相似的细菌则在健康者肠道中的数量较多[13]。最近Ohigashi等[14]还发现，产丁酸盐细菌数量的显著降低和条件致病菌数量的显著增加可能是大肠癌患者肠道菌群谱改变的主要特点。非腺瘤性结肠息肉、结肠腺瘤性息肉和结肠癌患者的粪便菌群谱均有显著改变，且随着病程进展，他们肠道内的pH提高、短链脂肪酸含量下降，此种变化并非结肠癌的继发改变，而是结肠癌变的始动因素。

3 肠道微生态失衡诱发大肠癌的机制

一系列的研究均提示，大肠癌主要由致病菌的代谢物对宿主细胞的致畸、致突变作用以及诱发肠腔内的慢性炎症和炎癌转化所致[15]。

为阐释肠道细菌与大肠癌的关联，学者们重点关注了梭菌属、产聚酮肽基因毒素大肠埃希菌和产毒脆弱拟杆菌3种细菌，这3种细菌在肿瘤小鼠模型中均有促癌效应[16]。研究者发现，在使用氧化偶氮甲烷及葡聚糖硫酸钠化学诱导慢性结肠炎小鼠模型的癌变过程中会出现一系列的肠道菌群谱改变，如链球菌属、仓鼠乳酸菌、拟杆菌属和卵形拟杆菌的数量显著增加，同时p65、p53、环氧合酶-2、过氧化物酶体增殖物激活受体-γ和β-连环蛋白等炎症相关蛋白表达上调，说明炎症反应是促癌的必要条件[17]。

产丁酸盐细菌数量的显著降低和条件致病菌数量的显著增加是大肠癌患者肠道菌群谱改变的主要特点。丁酸盐是肠黏膜上皮细胞更新所需的最重要的能量来源，同时其还具有调节免疫、减轻慢性炎症的作用。产丁酸盐益生菌数量的减少会使肠内丁酸盐含量降低，从而使患者出现肠黏膜上皮细胞代谢障碍、黏膜屏障功能减退、体内慢性炎症水平提高，继而发生免疫紊乱。此外，条件致病菌数量的增加会使肠道内免疫毒素和致癌物质的产生量增加。这些免疫毒素可通过受损的黏膜屏障进入肠道细胞，从而损伤肠道细胞的DNA，引起其突变；也可激活炎性相关的下游信号通路而导致炎症及癌变，同时还可增加与炎症反应相关的炎性因子释放量并加速上述过程[17-18]。

Sinha等[19]应用多元回归分析法分析、比较了大肠癌患者和健康对照者干燥粪便中的530种代谢物和220种微生物的含量，结果发现大肠癌的独立危险因素包括梭状芽胞杆菌、毛螺旋杆菌、对氨基苯甲酸和共轭亚油酸含量的降低以及梭菌属、卟啉单胞菌属、羟基苯甲醛和棕榈酰鞘磷脂含量的提高。棕榈酰鞘磷脂可影响细胞脱落；共轭亚油酸可影响炎症；对氨基苯甲酸可影响固有免疫。梭菌属、卟啉单胞菌属的代谢物在大肠癌发生中的归因度分别达29%和34%。棕榈酰鞘磷脂含量的提高与肠杆菌、放线菌和厚壁菌的丰度上升有关。大肠癌患者粪便中肠杆菌和放线菌的代谢物（棕榈酰鞘磷脂）含量显著提高；梭菌属、卟啉单胞菌属的代谢物（羟基苯甲醛）也与大肠癌的发生直接相关，而梭状芽胞杆菌、毛螺旋杆菌的代谢物（对氨基苯甲酸和共轭亚油酸）则可能与大肠癌的发生呈负相关性。该研究的意义在于开始揭开了神秘的大肠癌相关微生物及其代谢物庞大网络的冰山一角。

4 益生菌干预能预防大肠癌的发生

肠道微生态、肠黏膜屏障和人体免疫系统三者息息相关，它们之间的失衡与许多疾病的发生有密切的关联，包括癌症[20]。肠道微生态失衡会提高结肠癌的发生几率，那么益生菌干预能否预防结肠癌的发生呢？

益生菌制剂对肠道的保健作用包括[21-22]：益生菌制剂中的活菌（如双歧杆菌属、乳杆菌属）可紧密黏附于肠黏膜上皮细胞，形成空间占位，阻止致病菌的黏附；磷酸化紧密连接蛋白可调节肠道通透性，改善肠黏膜屏障功能；诱导肠黏膜上皮细胞分泌黏蛋白，抑制致病菌对肠黏膜上皮细胞的黏附和易位；分泌细菌素类和短链脂肪酸等物质，抑制致病菌生长繁殖；刺激巨噬细胞和淋巴细胞等分泌抗炎细胞因子。

有研究提示，益生菌在预防消化道炎症和肿瘤方面具有重要的作用[23]。原发性肝癌是致死率高居第二的恶性肿瘤类型，其患者的预后很差。有研究者应用小鼠肝癌移植瘤模型研究了一种名为Prohep的新型益生菌制剂对肿瘤治疗的影响，结果发现相较于普通饮食组小鼠，饲喂Prohep小鼠的肿瘤重量和体积均约减少了40%[24]，所涉机制包括益生菌代谢物通过肠、肝间的串话来下调促炎免疫反应，包括下调肠道及外周血迁移的T辅助细胞-17及其分泌的白介素-17，进而削弱肿瘤血管形成能力、抑制肿瘤生长。Zhang等[25]研究发现，在使用二乙基亚硝胺诱导大鼠肝癌过程中如再使用青霉素诱发大鼠肠道微生态失衡，使之肠黏膜屏障被破坏、肠道菌群谱紊乱（乳酸菌属、双歧杆菌属和肠球菌属数量显著减少）、血中内毒素水平升高，肝癌的发生率显著提高。但如在诱癌过程中加用相应的益生菌制剂，则能显著减少大鼠的肝癌发生率。鉴于目前尚无有效的大肠癌化学预防方法，研究益生菌制剂在预防大肠癌发生方面的作用及机制意义重大。有研究显示，益生菌制剂VSL#3可通过抑制细胞增殖及增强谷胱甘肽S-转移酶的解毒功能而防止家族性腺瘤性息肉患者息肉的发生[26]。长期摄入酸奶制品可显著降低大肠癌的发生风险；良性大肠肿瘤切除术后再长期摄入干酪乳杆菌制剂也可延缓癌变发生的进程。

研究人肠道菌群功能的常用方法是将人的单一或混合肠道菌种移植至无菌小鼠肠道，然后在小鼠中观察这些细菌的作用。不过，要在肠道外模拟肠道内环境是非常困难的。最近，Shah等[27]通过微流控芯片成功地将肠黏膜上皮细胞与鼠李糖乳杆菌共培养，并记录下细胞在共培养后的一系列蛋白转录变化，为今后更进一步地模拟及研究益生菌与大肠癌的关联奠定了基础。

尽管肠道菌群失衡不是大肠癌发生的唯一因素，但越来越多的证据证明菌群失衡是其发生的始动原因[28-29]。因此，让大肠癌或癌前病变患者恢复并维持良好的肠道微生态内环境肯定对抵抗癌症或恢复健康有积极的作用。

5 通过肿瘤相关菌群检测可预测大肠癌的发生

最近，许多研究试图阐明肠道菌群的具体功能及其与大肠癌发生之间的关联。但研究发现肿瘤-宿主存在异质性，如结肠近端和远端肿瘤患者的肠道菌群谱间存在差异，粪便菌群谱与黏膜菌群谱间也有差异[30-31]。

Flemer等[16]研究发现，与大肠癌相关和非相关的肠道菌群谱不同，在细菌簇和黏膜基因表达谱方面也有差异。该文提出可依据细菌共生网络的丰富性将大肠癌患者分成4种类型，类似于以前的“肠道生态系统”概念。此外，基于黏膜相关细菌共生群水平的高低，可对大肠癌患者进行风险分层。大肠癌相关菌群的异质性可被开发用作筛查大肠癌高危个体的工具，但还需进行进一步的纵向研究来评估其作为生物标志物预测大肠癌的价值。

在国外，人们对结肠镜检查等常规大肠癌筛查方法的依从性不高，主要原因是该检查花费昂贵且具侵入性，因此粪便隐血试验仍是传统的筛查大肠癌的简便手段。有研究者应用16S rRNA基因测序法检测肠道菌群谱的相对细菌丰度，同时联合粪便隐血试验来检测结肠的病变[32]。结果显示，应用基于菌群谱的随机Forest模型共检测到91.7%的癌症和45.5%的腺瘤患者，而单用粪便隐血试验只检测到75.0%的癌症和15.7%的腺瘤患者。若在应用肠道菌群谱预测大肠癌时能再结合其他危险因素如年龄、种族和体质指数，可进一步提高预测的准确度。

6 小结

毋庸置疑，肠道菌群失衡是大肠癌发生的重要条件，细菌的代谢物及其诱发的炎症反应是炎癌转变的重要诱因。不过，肠道细菌在大肠癌发生、发展过程中的具体作用机制仍待继续深入的探索。大肠癌相关细菌共生群的研究对大肠癌的早期诊断意义重大。益生菌制剂可调节肠道菌群的内环境稳定，未来有望在大肠癌的预防方面发挥独特的作用[33]。

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