肠道菌群在炎症相关肠癌中的研究进展

孔宪斌，王方园，彭莹莹，郭玉珠，孟静岩△

最新全球癌症统计报告指出，2018年全球新增1 810万癌症病例，结直肠癌（Colorectal carcinoma，CRC）发病率排名第4，死亡率排名第2［1］。在中国，CRC是常见的胃肠道恶性肿瘤，是5大常见癌症之一［2］。肠道菌群和炎症在CRC的发生发展中扮演着重要的角色［3］。肠道菌群在人体中起着促进免疫系统发育和新陈代谢的作用，肠道菌群结构的改变常引起微生态失调，这经常被认为是多种肠道疾病的重要发病环节，如炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）。慢性肠道炎症特点是免疫细胞浸润、水肿、上皮结构丧失［4］，这与炎症相关肠癌（colitis associated cancer，CAC）关系密切。近年来对CAC的病理生理学的认识有了显著的提高，但其病因尚不清楚。肠道菌群的改变不仅是促进炎症的发生，而且还产生了有利于肿瘤细胞微环境的毒素，因此探索肠道菌群在CAC发展中的作用势在必行。

1 肠道菌群与饮食的相关性

肠道菌群可影响营养物质的吸收和代谢，与人体生理功能、健康和疾病关系密切，不合理的饮食结构会造成肠道菌群结构失调，致病菌增加。

1.1 肠道菌群与高脂饮食 高脂饮食加速炎症过程和改变肠道微生物组成。高脂饮食能够使回肠和结肠炎性细胞浸润，增加白细胞介素（IL）-6和肿瘤坏死因子（TNF）-α、诱导型一氧化氮合酶蛋白、细胞增殖标记物（Ki67）和β-连环蛋白（β-catenin）在结肠的表达，与肠道炎症表型一致，肠道中毛螺菌科（Lachnospiraceae）/链球菌科（Streptococcaceae）结构的失调引起代谢紊乱，与CAC的发展有关［5］。高脂饮食能够增加与肥胖相关细菌韦荣球菌科（Erysipelotrichaceae）丰度，降低产短链脂肪酸（SCFAs）相关细菌Lachnospiraceae的丰度［6］。与低脂饮食比较，高脂饮食模型中的SCFAs明显减少［7］。SCFAs包括丁酸盐、丙酸盐等，拥有抗炎、抑制肿瘤细胞增殖的作用，起到肠道屏障功能［8］。丁酸盐可在早期CAC发育阶段干扰癌前细胞核因子（NF）-κB的激活，降低炎症因子表达。产SCFAs微生物的变化和结肠癌密切相关［9］。在CAC患者中，产丁酸盐菌，如链状真杆菌（E.desmolans）的丰度将耗尽［10］，具有抗炎特性的唾液链球菌（S.salivarius）减少。作为肠道共生菌群的一部分，产SCFAs菌的减少也可能是由其他致病性微生物的增加引起的，比如具核梭杆菌（F.nucleatum）［3］。高脂饮食含有丰富的硫化物，CAC患者体内硫化氢明显升高，同时患者结肠组织对硫化氢的解毒能力减弱；硫化氢诱导CAC的形成主要通过诱导DNA损伤、自由基释放、结肠黏膜炎症、结肠黏膜过度增生，同时抑制丁酸盐利用、黏液合成和DNA甲基化［11］。

1.2 肠道菌群与酒精摄入 长期过量饮酒导致的肠道菌群失调，破坏肠道屏障，肠道内的毒性代谢产物释放入血，对机体组织造成不利影响。小肠和结肠暴露于酒精3周后，具有抗炎活性的细菌耗尽，如厚壁菌门（Firmicutes），最终造成肠道损伤。用酒精喂养10周的大鼠显示结肠中微生物群改变，并且用益生菌（Lactobacillus GG）或益生元预处理阻止了这些改变［12］。另有研究表明，喂食10个月酒精后大鼠肠道菌群中链球菌属（Streptococcus）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）和粪球菌属（Coprococcus）微生物属丰度明显增加，肠道菌群失调可引起SCFAs减少、肠黏膜免疫功能失调，对致癌物的易感性增加［13］。

2 肠道菌群对肠黏膜的影响

肠道微生物群落对肠黏膜的健康有着深远的影响，肠道菌群在形成黏膜先天性和适应性免疫反应中起着重要作用。

2.1 肠道菌群与黏膜屏障相关性 结肠黏液层是宿主体内平衡的天然防御屏障，杯状细胞产生的黏蛋白2（MUC2）是人体和小鼠黏液层的主要结构基础，MUC2主要由O-聚糖（O-Glycans）组成，肠黏膜黏蛋白型O-糖基化受损会导致结肠黏液屏障破裂，使细菌迅速破坏黏液层。随后，微生物肝螺杆菌（Helicobacter hepaticus）介导的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1（Caspase-1）依赖炎症小体的激活，引起结肠增厚、增生和炎性浸润，细菌介导的结肠炎症促进了CAC的发生［14］。拟杆菌门和变形菌门在70岁以上的人群中普遍存在，菌群结构突变会引起保护性黏液层的改变，导致黏膜免疫系统的改变，上皮屏障的完整性丧失，蠕动和营养吸收的改变［15］。

2.2 不当治疗对肠黏膜损伤 艰难梭状芽胞杆菌通常在健康成人胃肠道（GIT）中存在的比例较少。不恰当的治疗会引起微生物种群的剧烈变化，如广泛使用抗生素导致的生态失调，会刺激耐药菌株的生长和艰难梭菌感染的发生，引起结肠黏膜溃疡等。发炎的上皮细胞和受损的黏膜组织受其他机会性病原体的侵袭，例如产气荚膜梭菌（Clostridium perfringens）、金 黄 色 葡 萄 球 菌（Staphylococcus aureus）等。这可导致细菌过度生长，诱导结直肠癌发生［16］。GIT中大部分细菌属于Firmicutes和拟杆菌门（Bacteroidetes），而变形门菌（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、蓝细菌门（Cyanobacteria）的细菌较少。炎症的上皮细胞和受损的黏膜组织使GIT更易感染艰难梭菌和其他条件致病菌，从而导致结直肠癌的发生［17］。

2.3 菌群异位对肠黏膜损伤 临床研究中发现口腔牙周病细菌F.nucleatum促进了肿瘤的发生。在肠癌患者中，F.nucleatum以及病原菌巴斯德氏菌（P.stomatis）、口腔拟杆菌（P.oris）、侵肺杆菌（D.pneumosintes）明显增加。侵袭性的细菌麻疹链球菌（G.morbillorum）的增加与牙髓感染有关。其能够破坏上皮屏障，产生的代谢产物能改变微环境，促进了后定殖微生物如卟啉单胞菌（Porphyromonas spp.）相关炎症。这些病原体可以通过释放肽和蛋白质来干扰信号通路，改变通透性，促进结肠癌的发生［9］。

2.4 肠道菌群通过氧化应激对肠黏膜损伤 活性氧和氮物种（RONS）氧化持续地损伤和诱导DNA突变是诱发CAC的因素。高脂饮食下，肠道细菌通过7a-脱羟基作用，代谢出次级胆汁酸，能产生活性氧（ROS）自由基造成局部炎症，导致DNA断裂，诱导ROS的产生［18］。由于ROS和活性氧中间体（RNI）的产生和积累而导致结肠黏膜的氧化应激。在促炎细胞因子的刺激下，炎症细胞产生ROS和RNI，其反过来又募集额外的炎症细胞，产生自我促进的致病环，以致氧化应激参与癌症发生［19］。

3 肠道菌群在炎症机制中的研究

炎症和肿瘤之间存在着紧密的联系，肠道菌群与炎症的发生关系密切，CAC的发病机制主要是由相关信号通路的改变以及炎症因子的表达失调而引起的。

3.1 炎症小体与肠道菌群研究 核苷酸结合寡聚化结构域NOD样受体（NLR）调节多种生物过程，例如炎症反应、细胞增殖和死亡，以及肠道微生物群，NLR蛋白作为肠道炎症和CAC的驱动因素。

3.1.1 炎症小体NLRC/X亚族 NOD样受体家族3（NLRC3）可以通过抑制细胞骨髓细胞癌基因（CMYC）和磷脂酰肌醇3激酶-丝氨酸/苏氨酸激酶（PI3K-AKT）下游靶点转录因子3a（FoxO3a）和叉头框蛋白1（FoxO1）并诱导细胞凋亡来抑制CAC的发展［20］。核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2（NOD2）介导微生态失调，损害结肠上皮完整性，并产生肠促炎环境，在增强上皮异常增生中起关键作用［28］。研究表明，NOD2的缺乏引起普通拟杆菌（Bacteroides vulgatus）扩增，出现杯状细胞功能障碍，上皮内淋巴细胞生产过剩的干扰素-γ（IFN-γ）并增加炎症反应［21］。

3.1.2 炎症小体NLRP亚族 NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体参与了结肠炎的发生。金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等通过病原相关分子模式（PAMP）激活，诱导IL-1β及IL-18的释放及细胞焦亡［22］。NLRP6缺陷小鼠引起的结肠炎以普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）为主导［23］。NLRP6可以通过调节艾克曼菌（Akkermansia muciniphila）的丰度来抑制结肠炎的发展［24］。NLRP12缺乏引起微生物菌落多样性降低，增加了促炎菌株Erysipelotrichaceae并伴随益生菌Lachnospiraceae的减少，诱导促炎细胞因子产生和NF-κB、细胞外调节蛋白激酶（ERK）和信号转导与转录激活因子3（STAT3）的激活，增加结肠炎症和肿瘤发生的敏感性，NLRP12可能成为调节肠道菌群抑制肠道炎症和肿瘤的治疗靶点［25］。

3.2 肠道菌群与炎症因子

3.2.1 促炎症因子 在小鼠模型中，用大肠杆菌进行肠道定植导致结肠炎症，能够诱导CAC发生［26］。促炎细胞因子IL-6通过激活酪氨酸激酶（JAK）/STAT信号通路促进增殖和抑制细胞凋亡。体外人结肠癌细胞增殖的IL-6依赖性增强，主要受转录因子STAT3的过度磷酸化影响，CAC中的肠上皮细胞中IL-6和STAT3的表达显著升高［27］。促炎细胞因子IL-1和TNF-α也显著增强环氧化酶-2（COX-2）的产生，COX-2是干扰细胞增殖的诱导型酶，影响血管生成起源和细胞凋亡。COX-2 mRNA水平升高与黏膜炎症、CAC密切相关［28］。

3.2.2 保护性因子 IL-10是一种有效的抗炎细胞因子，可抑制NF-κB信号，并能够增加肠道细菌多样性［29］。真菌是肠道菌群的重要组成部分，能够干扰IL-18的成熟，促进CAC的易感性。IL-18可通过肠道CD8+T细胞的生成来促进上皮细胞屏障的修复和IFN-γ的生成，降低肿瘤负荷［30］。IL-22能够调节抗菌肽的表达，对于维持上皮细胞屏障的完整性以及上皮细胞修复至关重要，IL-22不足会引起共生菌Prevotellaceae的生态失调和异常扩张［31］。

4 肠道菌群在CAC诊断中的研究

微生物群失衡与CAC相关，因此通过检测肠道菌群的变化，可能对CAC的诊断起到重要指导意义。在CAC患者中，梭杆菌属（Fusobacterium）丰度增加，Bacteroidetes和Firmicutes减少。CAC的发生与肠道微生物群失衡有密切关系，可通过基因测序对肠道菌群进行分析，观察菌群结构的特异性改变有助于指导CAC的诊断［32］。

胃肠道中丁酸盐产生菌的显著减少可能导致微生物组成的失衡，比如Firmicutes和Actinobacteria。丁酸盐的产生可以保护肠道不受CAC的影响，通过降低DNA氧化损伤，激发已经受损的细胞上的DNA细胞凋亡，抑制肿瘤细胞的生长，降低协同致癌酶的活性［33］。因此丁酸盐产生菌的测定对CAC的诊断有重要意义。

临床研究提示大肠中双歧杆菌（Bifidobacterium）是检测大肠癌患者的重要指标。结肠癌患者双歧杆菌优势频段消失，热休克蛋白（HSP）70增加，Caspase-3表达明显下降，且Caspase-3与肠道菌群密切相关［34-35］。另有临床研究表明，CAC的发生与肠道菌群中脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）、Streptococcus、Fusobacterium和消化链球菌（Peptostreptococcus）的比例增加有关；结肠癌高风险患者中的解没食子酸链球菌（Streptococcus gallolyticus）、Peptostreptococcus、败毒梭菌（Clostridium septicum）、Clostridium perfringens丰度明显增加［36］。因此，临床医师可通过评估结肠癌肿瘤部位的菌群种类进行综合诊断。

研究表明肠道微生物引起的菌血症与CAC的发生密切相关，因肠道菌群失调以及肠道屏障功能障碍，导致肠道微生物进入血液，其引起的菌血症促进CAC的发生。牛链球菌（S.bovis）是肠道正常菌群的一部分，研究表明S.bovis菌血症与恶性结肠病变具有关联性，这有希望促使开发一种可靠的晚期结肠病变筛查方法［37］。

5 肠道菌群在CAC治疗中的作用

5.1 对抗炎症反应 肠道菌群的脂多糖（LPS）可以增强C26结肠癌细胞系的转移潜能。阿司匹林能抑制C26细胞Toll样受体4（TLR4）表达并导致NF-κB的下调，有效降低癌细胞的体内外转移能力［38］。另有研究表明低剂量光动力疗法能够增加类杆菌科（Bacteroidaceae）丰度，并明显降低结肠黏膜TNF-α、IL-12、IFN-γ的mRNA表达水平，减少黏膜炎症反应［39］。维生素C能够降低Bacteroidetes/Firmicutes的相对丰度，升高乳球菌属（Lactococcus）的丰度，抑制促炎症介质和细胞因子COX-2、TNF-α、IL-1β、IL-6的mRNA表达水平，抑制结肠缩短，减少组织学损伤［40］。

5.2 保护黏膜屏障 目前已有针对黏膜屏障功能调节的治疗药物应用于临床，如SCFA、益生菌等，补充益生菌可改变菌群结构，调节炎症反应，保护黏膜屏障，预防CAC［41］。口服益生菌嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和双歧杆菌后，肠道中的乳酸杆菌、双歧杆菌、同种异体杆菌等丰度增加，并伴随着结肠炎症指数下降，结肠中TNF-α表达减少、IL-10表达增加［42］。

5.3 肠道菌群协同增敏效应 研究发现针对免疫抑制通路相关分子的免疫治疗，其疗效受到特定肠道菌群的显著影响，拟杆菌属（Bacteroides）可显著影响细胞毒T淋巴细胞相关抗原4（CTLA-4）阻断剂的抗肿瘤疗效［43］。Akkermansia muciniphila能够增加细胞表面趋化因子受体9（CCR9）+家族趋化因子受体3（CXCR3）+CD4+T淋巴细胞向小鼠肿瘤床的募集，以IL-12依赖性方式促进程序性细胞死亡蛋白-1（PD-1）阻滞剂的功效［44］。Bifidobacterium可提高小鼠的肿瘤特异性T细胞反应和肿瘤内CD8+T细胞的积累，并可增强程序性细胞死亡蛋白-1配体（PDL1）单克隆抗体的抗肿瘤疗效［45］。

5.4 中药对肠道菌群影响 甘草中提取的黄酮类化合物异甘草酸（ISL）具有抗肿瘤作用。大剂量ISL干预后，ISL降低了机会致病菌，如埃希氏菌属（Escherichia）和肠球菌属（Enterococcus）的丰度，增加了益生菌丰度，特别是丁酸盐产生菌Ruminococcus等［46］。另有研究表明，姜黄素对结肠炎或结肠癌发生的有益作用与维持更多样化的结肠微生物生态有关，能够增加乳酸菌（Lactobacillales）的相对丰度，减少红蝽菌目（Coriobacterales）秩序，降低结肠质量/长度比，生存率增加［47］。

6 肠道菌群在CAC研究中的不足

肠道菌群与CAC的关系是当前研究的热点。肠道菌群和炎症在CAC的发生发展中扮演着重要的角色，尽管研究结果并不完全一致。慢性炎症与CAC发展之间关系的确切机制尚不明确。益生菌等常被认为是调节肠道菌群的方法，但益生菌防治CAC的具体作用机制，益生菌的种类、安全性、最佳浓度等仍需要进一步研究。饮食结构可通过调节肠道微生物结构，从而影响结直肠癌的发生发展。有研究指出，高纤维饮食只是通过促进胃肠道蠕动、增加大便次数和减少粪便中氨的水平来降低结直肠癌的发生风险，而不引起肠道菌群和SCFAs水平的改变［48］。可见，饮食结构如何影响结直肠癌的发生发展过程仍值得探讨。

临床研究提示大肠中Bifidobacterium是检测大肠癌患者的重要指标，但预测结直肠癌患者中，Bifidobacterium的确切种类仍需细化。临床研究中虽然在纳入标准上没有纳入饮用酸奶和使用抗生素的患者，但仍不能排除饮食等环境因素以及与微生物群相关的一切因素。随着试验的科研设计以及检测技术的发展，利用肠道菌群对CAC进行识别诊断、预后标记以及个性化治疗将呈现出更广阔的应用前景。