肠道微生物菌群与消化道肿瘤关系的研究进展

张 磊， 吴永娜， 陈 拓， 李 汛， 刘光琇*

( 1.中国科学院 西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000; 2．兰州大学 第一医院,甘肃 兰州 730000)

美国白宫宣布启动“国家微生物组计划”，2013年的《科学》杂志十大科学研究进展中，将肠道菌群与人体健康关系的主题列入“我的微生物，我的健康”一项中。肠道微生物越来越受到重视。近几年，科学技术迅猛发展，二代、三代测序技术及生物芯片技术已经成为肠道微生物研究的重型武器[1]。运用16S及宏基因组测序发现，人体肠道中存在着多种多样的微生物，此外，在人体的其他生境，如口腔、皮肤和阴道中也存在大量的微生物，利用高通量测序技术探索肠道及特殊生境中的微生物越来越受到重视，使得全面认识肠道微生物群落结构、组成、功能基因及其与宿主的相互关系成为一种可能[2-6]。肠道微生物与消化道肿瘤关系密切，目前研究人员对来源于人体胃肠道等器官的500多个细菌基因组进行测序工作，结果发现了900多种人体内细菌、真菌和病毒的基因组[7]，进一步研究发现，人体微生物多样性极为丰富，即使是同卵双胞胎，其体内肠道微生物的相似度也不足50%，对于病毒来说，其相似度则更低[8]。研究还发现人体肠道内存在一些以前未发现的新基因和蛋白质，其与人类健康和疾病的发生有着密切的关系。众所周知，肠道微生物能帮助人体适应复杂多变的环境，微生物基因在与人类疾病和健康不断影响、不断干预的过程中，始终是一把双刃剑，因为其会产生积极作用，同时可能会对人体产生有害的影响。本文通过肠道微生物菌群与消化道肿瘤关系的研究进展综述，为肠道微生物的研究提供参考。

1 肠道微生物菌群多样性

人类的身体是数以万亿计微生物的宿主，这些微生物在许多生命过程中起着关键作用，包括新陈代谢、维持肠道内稳态和免疫系统的开发等[9-10]。人肠道中的微生物主要是专性厌氧菌[11]，肠道细菌总数约为 1014个，包含15 000～36 000 个细菌属。研究发现，人体肠道中的优势菌群主要有拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)，这两种细菌占总细菌量的70%以上，其他主要的细菌主要有变形菌门(Proteobacteria)、梭菌门(Fusobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)及蓝藻细菌(Cyanobacteria)[12]。有研究报道，中国居民肠道中主要菌群是考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)。人体胃和小肠的特殊环境pH值极低，大多数微生物无法存活，因此在胃和小肠中的微生物数量较低[13]，而小肠回肠末端、大肠结肠和直肠部分则栖息着数量巨大的微生物，每克结肠内容物中微生物的数量能达到1011～1012[14]。Coyte等[15]及Niehus等[16]研究发现人类肠道中存在着极其复杂的菌群生态系统，这些存在于肠道中的不同菌群维持肠道生态系统的方式是非常特别的，主要是通过菌群的竞争关系，这对于维持人类健康十分必要。

2 人体肠道菌群的影响因素

每一不同等级的共存者可与其他动物的个体成为同等地位，则该集群称为超个体或超个体的个体。人体作为一个超个体，生理健康不仅会受外界环境、自身基因型影响，更重要的是受到机体肠道中微生物的影响。研究发现把人体内的微生物比作是人体的一个虚拟“器官”，这个虚拟器官在人体内执行着多种代谢功能，与人体形成密不可分的共生关系[17]，肠道微生物菌群与宿主相互适应过程中，在肠道微生物、宿主和肠道微环境之间达到一种平衡，保持这种平衡状态在人体的各种新陈代谢过程中发挥着至关重要的作用，但是外界很多因素，如环境因素、人体免疫力改变或者抗生素等各种药物的使用等，都会破坏肠道菌群，最终导致疾病的发生。

2.1 年龄因素

随着年龄变化，胃肠道功能会发生巨大变化，因此势必会影响肠道微生物的群落特征。有研究发现，婴儿在分娩前肠道是无菌的，肠道微生物几乎为零。当分娩时，新生儿经过产道的挤压，从无菌环境接触外界，尤其在获得亲吻拥抱等一系列与外部生境的接触后，外界微生物菌群及母亲体内的菌群会在新生儿体内定殖[12]。研究还发现，婴儿肠道菌群群落结构与成年人差异极大，肠道微生物的丰度和多样性均低于成年人[18]。1～2 周婴儿肠道菌群主要是革兰阴性条件致病菌肠杆菌科(Enterobacteriaceae)[19]，直到1～2岁时其肠道菌群群落结构逐渐“成人化”。研究表明，肠道微生物的变化随着年龄增长呈现一定规律，如双岐杆菌、乳杆菌及拟杆菌的数量会相对减少，而厌氧菌的数量会增加[12,18]。

研究我国四川地区不同生理年龄期志愿者肠道菌群发现，肠道中短链脂肪酸及总胆汁酸代谢水平与人类生理年龄紧密相关，肠道菌群构成在不同生命时期存在差异，主要差异性菌种有绿脓假单胞菌、霉浆菌、缓症链球菌、大肠埃希菌、假小链双歧杆菌等。对于双歧杆菌，婴儿肠道中高于青年和中年；对于乳杆菌、奇异菌、拟杆菌和梭菌，青年肠道中数量略高于中年，显著高于婴儿；对于脱硫弧菌和普拉梭菌，中年肠道中数量略高于青年，显著高于婴儿，表明处于不同生理年龄时期的健康人其肠道菌群存在差异[20]。

2.2 饮食因素

研究发现，饮食结构不同对人肠道菌群结构有显著影响[21]。饮食结构以碳水化合物为主的人群，其肠道内普氏菌属(Prevotella)细菌的含量较多，而以高蛋白、高脂肪食物为主的人群，其肠道内的细菌则主要是拟杆菌属(Bacteroides)[22]。另有研究证实，婴儿肠道微生物也会因喂养方式不同而存在显著差异，纯母乳喂养的婴儿肠道内最主要的细菌是双歧杆菌属(Bifidobacterium)，且数量要远远高于奶粉喂养[23]。目前，多项研究表明，服用益生菌对改善肠道功能具有显著作用，其机理是益生菌可以与肠道中致病菌竞争性地争夺肠道中的有机质及黏附位点，从而降低肠道pH值[24-25]，调节肠道菌群。

2.3 生活方式

Benno 等[26]研究日本Yuzurihara长寿村的老人和东京市老人的肠道微生物群落结构，发现二者的肠道微生物存在显著差异，长寿村老人肠道内拟杆菌的含量明显偏低，Yuzurihara地区老人的膳食纤维摄入量显著高于东京老人，主要饮食上的差异是东京老人喝咖啡和绿茶，而长寿村老人只喝绿茶。Yatsunenko等[27]研究发现，通过对非洲、南美洲人群的生活方式进行调查发现，不同地区的人由于生活方式的巨大差异，其肠道细菌的多样性及群落结构也有显著差异。Mah等[28]采用纯培养的方法对生活在泰国南部农村和新加坡城市的儿童肠道微生物构成进行了研究，结果发现农村儿童体内乳酸菌、大肠埃希菌及葡萄球菌的含量要高于城市儿童 。

2.4 其他因素

基因型对人肠道菌群构成具有显著影响。有研究发现，对双胞胎尤其是同卵双胞胎的成人肠道菌群进行测序，其肠道菌群结构的相似度要明显偏高[29]。研究还发现，不同性别的相同居住地居民之间的肠道菌群结构差异不显著[6]，但也有研究表明，女性肠道内普氏细菌的含量要高于男性，而拟杆菌呈现相反的趋势[30]。

3 肠道微生物菌群的功能及作用机制

人体肠道中的微生物在人体健康方面扮演着十分重要的角色，发挥着营养代谢、免疫调节及保护作用。肠道微生物的一系列作用主要是通过产生短链脂肪酸及维生素 K 等物质实现的，这些营养物质人体自身无法编码生成，只有通过肠道微生物才可以获取[31]。研究发现，肠道微生物菌群会激活人体免疫系统，主要原因可能是肠道微生物菌群对于人体肠道上皮细胞的分化具有促进作用，另一方面，肠道微生物菌群还可以调节人体能量存储与代谢[32-33]。一般而言，肠道微生物菌群的功能主要有以下几方面。

3.1 营养代谢作用

在人体营养代谢过程中，当人体的一些必须营养物质无法通过生化途径代谢产生，也无法自身合成时，肠道微生物则发挥重要作用，因为肠道微生物的高丰度和多样性决定了其可以实现这一功能。肠道微生物菌群与宿主协同作用，产生一些次级代谢产物[34]。将正常小鼠肠道菌群移植到无菌小鼠体内后，发现无菌小鼠身体的脂肪增加了60%，这可能是由于正常的肠道菌群参与了小鼠体内能量的合成过程[35]。

3.2 免疫调节作用

3.3 保护作用

肠道微生物执行的最主要功能是保护作用。研究发现，肠道中存在定殖抗力，肠道微生物通过定殖抗力，可以竞争性结合肠道中的黏附位点和营养物质从而使外源性病原菌和致病菌无法在肠道中定殖，此外，肠道微生物还可以产生乳酸和细菌素抑制病原菌的产生[38]。肠道微生物构成了人体的一道重要防线，可以有效防止外源微生物侵入，对宿主的组织进行有效保护，人体肠道细胞可以产生抗生物肽(抗生物肽或抗菌肽是先天免疫反应进化过程中相对保守的成分，所有生物类别都有抗生物肽)，其能破坏包括肠道共生菌和外源性病原菌的细胞膜结构[39]。

3.4 作用机制

人体肠道微生物组蕴藏着前所未知的巨大的生物多样性，并且这些肠道微生物组参与关键的生物过程，包括饮食中能源获取和肠道内环境稳定等，最近关于人体微生物菌群及微生物基因组的研究中，阐明微生物与宿主共生的作用机制，这使疾病的干预治疗成为可能[40-42]。

对人类而言，共生肠道菌群类似于一个“器官”，能够调控上皮细胞发育，防止上皮细胞损伤，调节宿主脂肪存储，刺激肠道血管生成，以及构建免疫屏障等。成人肠道内定殖的细菌多样性很高，超过500种，数量多达1014个，其中绝大多数为严格厌氧菌[43]。肠道微生物及其代谢产物可以影响人体养分代谢、能量平衡、免疫调节及胃肠道发育等生理活动，这些肠道微生物以高密度种群数量排阻和抑制外来致病菌的侵入和定殖，同时帮助人类消化大分子食物成分，合成人类必需的维生素B1、B2、B12、K及叶酸等，合成天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸和苏氨酸等，参与糖和蛋白质代谢，并促进铁、镁、锌等元素吸收[44]。许多人体疾病都与肠道共生菌群紊乱有关，如Ⅱ型糖尿病、高血压、肥胖症、微生物缺乏症等，甚至缺少应有的微生物后，免疫系统也受到破坏，失去正常工作的能力[45]。共生体的多样性会影响宿主的健康。研究表明，“肥胖微生物群”能更有效地从食物中提取能量而成为“精益微生物群”，缺乏养分条件下多形类杆菌分泌更多的糖苷水解酶，以提高对食物的利用能力[46]。肠道微生物种群的建立可加强其利用养分的能力，以利用群体优势应对营养状况的变化[47]。

大量研究表明，脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)能引发炎症产生肥胖[48-49]。LPS 进入血液与结合蛋白(lipopolysaccharide bindingprotein, LBP) 结合后，LBP 将LPS 转运至受体 (CD14 和TLR4) 启动了炎症因子肿瘤坏死因子 (TNF) 和白细胞介素 (IL-1 和IL-6) 的释放，阻碍了周边组织胰岛素信号传递产生胰岛素抵抗导致肥胖[50-51]。LPS 主要来自肠道变形菌门的阴沟肠杆菌科和脱硫弧菌科。肠道中的脂肪可以与三酰甘油(Triglyceride,TG)合成大量新鲜的乳糜颗粒，乳糜颗粒对LPS 具有高度亲和力, 可以提高LPS 转运至靶组织的效率，加速启动炎症反应[52]。

目前，关于肠道微生物能够有效阻止病原菌与人体细胞充分接触的机制，已经有大量研究，其中最主要的是信号感应，如当有病原细菌侵入宿主时，或者细胞发生损伤接触到外源性微生物时，炎症小体等一系列的信号会被激活，比如NLRP3是最主要的炎症小体，它可以被某些细菌等激活。肠道微生物作用主要是改变身体的免疫功能，研究发现肠道微生物可以改变T淋巴细胞和 B淋巴细胞，多项研究表明，非特异性免疫可以影响参与胃肠道恶性肿瘤的肠道微生物，微生物菌群和肠黏膜通过Toll样受体相互作用，而Toll样受体具有重要的维持肠稳态的作用，尤其抗原提呈细胞和T细胞能够激活TLR信号通路打破肠屏障，导致上皮细胞增殖、伤口愈合和急性炎症细胞补给，其主要通过激活核因子κB和环氧化酶2将TLRs和恶性肿瘤连接起来[53]。

4 肠道微生物菌群与消化道肿瘤关系

4.1 肠道微生物菌群与结直肠癌

2015年，多家单位联合发表研究成果，揭示肠道微生物群落结构多样性与结直肠腺瘤及结直肠癌具有相关性[54]。研究发现，具核梭杆菌能促进结肠癌肿瘤生长并且抑制T细胞介导的免疫反应，具核梭杆菌的DNA含量与结直肠癌患者的短期生存相关，是一种潜在的预后标记，并预测如果以食物、益生菌和抗生素中的胃肠道菌群为靶向，可以为结直肠癌预防及治疗提供科学依据[55]。研究发现具核梭杆菌和消化链球菌属与结肠癌相关，微小微单胞菌和抗口臭致病菌也与结肠癌发生具有显著相关性[56]。对结直肠癌患者癌组织中肠道微生物进行测序，发现肿瘤相关的细菌群落的多样化有所增加，其次，发现肿瘤组织中罗斯氏菌显著增加，而微杆菌和芽胞杆菌显著减少[57]。

4.2 肠道微生物菌群与胃癌

胃是消化道系统中最特别的一个器官，胃酸的分泌使其pH值极低，因此胃具有独特的肠道微生态环境，因而其群落多样性与其他消化道器官也不尽相同。通过研究将健康人群和胃息肉患者及胃癌患者肠道微生物群落结构特征进行对比发现，三者肠道微生物存在显著差异[58]，此外牛抗幽门螺杆菌抗体对O型血幽门螺杆菌感染具有清除作用，研究发现，除H.pylori外，其他螺杆菌属也可在人类胃内定殖，如海尔曼螺杆菌属[59]。

4.3 肠道微生物与肝癌

肠肝轴日益受到重视，血液中高浓度内毒素的存在会导致门静脉高压和肝损伤，从而导致肝癌发生。研究发现，益生菌可用于治疗或预防肝癌的发生[60]，近年来，改变肠道菌群已经作为辅助治疗方式用来减少细菌移位及预防肝癌发生。在肝脏，肠道微生物组成会影响肝脏Toll样受体(TLRs)。Sandler等[61]研究发现，感染HBV及HCV的病人，疾病严重程度与细菌移位相关，细菌移位PAMPs通过激发早晚期肝脏疾病中的炎症响应，在共生细菌和病原菌中，识别受体可以鉴别并且与MAMPs相互作用。二氯乙酸钠(DCA)刺激肝星状细胞表型的肝肠循环，导致肝脏促炎因子及肿瘤生长因子的产生，进而促进肝癌，通过抗生素使产DCA细菌减少，则会减少肝癌进展，这表明肝星状细胞中的DCA衰老相关分泌表型轴可以促进肥胖相关的肝癌，阻断DCA或者耗尽肠道微生物可以减少肝癌的发生[62]。

4.4 肠道微生物与食管癌

研究发现，食管癌患者术后，如果给予患者肠内营养物质，患者肠道菌群发生显著改变，有助于维持肠道稳态，使用抗生素的食管癌患者肠道微生物较未使用抗生素的患者发生显著变化，抗生素会破坏肠道菌群，引起肠道微生态失调[63]。

5 展 望

肠道微生物在人体健康中发挥着重要作用，对人体健康产生重大影响，参与人体新陈代谢的各个环节。肠道微生物成为近年来国内外的研究热点。对于数以百亿的菌群在肠道内如何发挥作用，还需要进一步研究。明确微生物多样性与相关疾病的关系，确定与各类疾病相关的特定菌群，筛选特定的肠道微生物作为诊断疾病的标志物，将是未来医学的一个重大突破。研究发现，乳腺癌患者化疗后，肠道菌群严重失调，使用双歧杆菌可以有效预防患者术后肠道菌群失调[64]。粪菌移植技术(Fecal microbiota transplantation，FMT)近年来成为临床热点[65]，将正常健康人的粪便移植进入患者肠道内(因患者自身肠道菌群破坏严重，而健康人粪便中的肠道菌群多样性及丰度都相对较高)，可以在患者体内建立正常的肠道菌群，从而达到治疗相关疾病的目的。这种全新的疗法目前逐渐被认同，该方法在未来将有广阔的发展空间，肠道菌群治疗及诊断疾病将会是未来医学发展的新方向。