肠道菌群与结直肠癌的相关研究进展

余 莉，李 红，王思平

(解放军总医院第二医学中心国宾二科，北京 100853)

结直肠癌(colorectal cancer，CRC)是最常见的消化道恶性肿瘤之一。流行病学数据表明，全球范围内，CRC在男性和女性中均为第三常见致死性癌症[1]。在美国，2018年预计有140 250例新确诊的CRC患者和50 630例相关死亡案例[2]。在中国，2015年有376 300例新确诊的CRC患者和191 000 例相关死亡案例[3]。CRC的发生发展与遗传、饮食结构、运动、肥胖及环境等因素有关。其中，环境因素对CRC的影响主要由微生物决定。近年来随着分子生物学的发展，被誉为人类“第二基因组”的肠道菌群成为研究热点，其不仅可以帮助宿主从食物中获取营养及能量，还可以产生大量的生物活性信号分子以维持机体健康或导致疾病。研究显示，肠道菌群结构和功能的改变与代谢性疾病、自身免疫性疾病、过敏性疾病、精神疾病、神经退行性疾病、炎性肠病、消化道肿瘤等的发生发展有密切联系。无菌动物实验、基因敲除动物实验、二代测序技术、宏基因组学及代谢组学的应用，推进了CRC患者肠道微生物及代谢产物变化的检测。越来越多的证据显示，肠道微生态失衡在CRC的发生发展中具有重要作用[4-6]，因此了解肠道微生态失调与CRC的关系对CRC的防治具有重要意义。现就肠道菌群与CRC的相关研究进展予以综述。

1 肠道菌群特点

人体具有巨大又复杂的微生物群落，它包括栖息在肠道内腔的各种微生物——细菌、病毒、真菌、古生菌、噬菌体和原生动物。在这些微生物中，细菌最为丰富。人体肠道大约有多余人体细胞总数 10倍的细菌，其中至少有1 000种不同的细菌，带有多于人体基因组150倍的微生物基因[7]。肠道菌群的结构和功能在维持人体健康中具有重要作用。在正常生理情况下，肠道菌群对人体的影响包括：形成菌群屏障，避免机体受外来细菌感染；对宿主营养作用；参与机体物质代谢，主要为内源性蛋白质的代谢；防癌抑癌作用。对于健康机体，肠道微生物平衡主要表现为对病原微生物的控制，平衡一旦打破，病原微生物快速繁殖，容易出现肠道菌群失衡有关疾病，如结肠癌、炎性肠病、肥胖、过敏、糖尿病、自闭症及心血管疾病等。

2 肠道菌群与CRC

2.1肠道细菌失调的致病机制

2.1.1炎症反应 肠道菌群失调可诱发炎症和慢性疾病。其在微生物生态失调和CRC之间作用的原理包括炎症的诱发、病理性细菌黏附和肿瘤形成的诱导[8]。炎症反应在CRC发病中发挥关键作用[9]。而细菌及其代谢物能够通过屏障失调、上皮增殖、炎症、DNA损伤、基因毒性等对结肠细胞有直接或间接的影响。Mangerich等[10]通过动物实验揭示了细菌介导的炎症与DNA损伤，活化的巨噬细胞和中性粒细胞浸润导致细胞因子和趋化因子及一氧化氮、超氧化物和一些活性物质产生，使DNA和RNA损伤，最终导致CRC。诱导的炎症也可以通过刺激细胞因子和趋化因子的产生促进细胞增殖和(或)抑制细胞凋亡来导致癌症进展[11]。Zhang等[12]分析了汉人CRC发生各个阶段的粪便菌群和血液炎性因子特征，鉴定出24个CRC相关菌种，并揭示了这些细菌与C反应蛋白和可溶性肿瘤坏死因子Ⅱ炎症标志物的关联，结果发现在癌变逐渐恶化过程中，菌群与炎症可能参与促CRC微环境的形成。Arthur等[13]在动物模型中发现，肠道炎症以微生物群为靶点，能促进表达聚酮合酶的大肠埃希菌的生长，而大肠埃希菌具有基因毒性潜力，其具有促进CRC的作用，同时炎症为聚酮合酶细菌通过减少保护性黏液和抗菌肽的产生附着在结肠黏膜上创造机会，而这一过程能被非炎症健康小鼠的自然屏障功能所阻止，提示炎症可调节微生物组成，促进CRC的发展。Grivennikov等[14]的研究提示，早期CRC发展阶段因肠道屏障破坏，非致病菌和(或)其产物浸润肿瘤间质，并通过激活产生白细胞介素-23和白细胞介素-17的肿瘤相关髓系和免疫细胞驱动“肿瘤诱导炎症”，促进CRC进展。

2.1.2细菌代谢产物的改变 肠道菌群可发酵膳食产生短链脂肪酸，短链脂肪酸是一种营养物质，包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐等，其中乙酸盐及丙酸盐参与大多数真核细胞中的能量合成，丁酸是短链脂肪酸家族中最重要的成员之一，是结肠细胞有利的能量来源，且其通过细胞代谢、菌群稳态、抗增殖、免疫调节和基因/表观遗传调控具有抗炎和抗肿瘤的特性。研究表明，丁酸能够促进结肠细胞凋亡，通过阻碍组蛋白脱乙酰酶调控基因表达调节肠道屏障完整性、降低肠道通透性，以及通过环腺苷酸依赖机制激活肠道糖异生影响葡萄糖及能量的稳态[15-16]。因此，产生丁酸的细菌包括厚壁菌门的成员，如柔嫩梭菌群，其减少有促进CRC的可能。有学者通过小鼠和细胞实验发现，短链脂肪酸可经G蛋白偶联受体43激活辅助性T细胞1中的信号转导及转录激活因子3通路，使转录因子B淋巴细胞诱导成熟蛋白1表达上调，促进辅助性T细胞1生成白细胞介素-10，缓解小鼠结肠炎；而G蛋白偶联受体43基因敲除菌群抗原特异性辅助性T细胞1，可在Rag基因敲除受体小鼠中引起更严重的炎症，揭示了短链脂肪酸对维持肠道稳态、抑制过度炎症反应的作用[17]。

肠道菌群的代谢产物对CRC的发生、发展具有重要推动作用。产肠毒素性脆弱拟杆菌产生脆弱拟杆菌毒素，这是一种能通过激活Wnt/β联蛋白信号通路和核因子κB促进细胞过度增殖和炎症的毒素[18]。Sears和Pardoll[19]提出了基于脆弱拟杆菌的Alpha-bug模型，某些特定肠道固有菌作为“Alpha-bug”一直存在于肠上皮细胞，它们通过直接或间接方式使肠上皮细胞发生基因突变，并将其他有益菌挤掉，导致多种共同致病菌更容易出现，从而引发CRC。近年来研究显示，脆弱拟杆菌毒素对结肠上皮细胞中白细胞介素-17受体、核因子κB和信号转导及转录激活因子3的促癌、多步骤炎症级联反应有影响，其能诱导从结肠上皮细胞到黏膜辅助性T细胞17的促癌信号转导，导致远端结肠上皮细胞选择性的激活核因子κB，促使骨髓细胞依赖的远端结肠肿瘤化[20]。具核梭杆菌的病毒因子，如Fap2、脂多糖和细胞壁提取物已被鉴定出，且它们可能有力调节正常的结肠上皮细胞到肿瘤细胞的进化过程[21]。Colibactin是一种基因毒素，在产生 Colibactin大肠埃希菌的CRC小鼠模型中，与Colibactin合成相关的硼酸化合物可抑制丝氨酸酶活性，抑制小鼠的细胞增殖和大肠埃希菌素诱导的肿瘤发生[22]。研究表明，靶向Colibactin的产生可以控制该毒素的基因毒性和前驱效应[23]。空肠弯曲杆菌可产生细胞膨胀致死毒素，从而引起细胞及肠道类器官的DNA损伤应答，促进小鼠CRC的发生，并改变小鼠结肠中的基因表达及肠道菌群[24]。

肠道细菌其他代谢产物(次生胆汁酸、脱氧胆酸、石胆酸)也被证明与CRC的发展有关[25]，肠道厌氧菌可以将残留在肠道内的胆汁酸分解转化为脱氧胆酸和石胆酸，两者可以通过产生自由基而导致DNA损伤，增加CRC的发生风险[26]。脆弱拟杆菌和产气荚膜梭菌产生的β葡萄糖醛酸酶活性高，此酶参与外源性有毒物质的生物转化，活性升高延长了有毒物质在体内的存留时间，导致肠内致癌物水平升高[27]。细菌的代谢产物硫化氢通过诱导DNA损伤、自由基释放、结肠黏膜炎症、结肠黏膜过度增生，同时抑制细胞色素氧化酶、丁酸盐利用、黏液合成和DNA 甲基化，从而诱导CRC[28]。

2.1.3特定细菌的影响 既往研究发现，CRC患者肠道菌群的丰度及结构发生改变，某些菌群比例失调[29-30]。进一步研究显示，特定的细菌(产肠毒素性大肠埃希菌、脆弱拟杆菌、具核梭杆菌和普罗威斯菌属)可能会促使结肠直肠癌变，且球状梭菌类和柔嫩梭菌类等产丁酸细菌的显著减少也会促使癌变[31-32]。

Kostic等[33]首先发现在CRC组织中具核梭杆菌增多，其在CRC中通过荧光原位杂交技术可被观察到，且在CRC的转移瘤中被鉴定出来。Rubinstein等[34-35]证明，具核梭杆菌能够附着和入侵结肠上皮细胞，并通过FadA促进癌症的发生，FadA能够结合上皮钙黏素，上调膜联蛋白A1的表达，激活β联蛋白信号，能有差异地调控炎症和致癌反应，并促进CRC细胞增殖。Tsoi等[36]报道，厌氧消化链球菌不仅在CRC患者粪样中显著增加，也在CRC病变的活体组织切片中显著增加。另外该研究还发现，在去除肠道菌群的氧化偶氮甲烷诱发CRC的小鼠模型中，用管饲法灌入厌氧消化链球菌，厌氧消化链球菌会增加结肠的发育不良。同时，厌氧消化链球菌与Toll样受体2和Toll样受体4相互作用，不仅升高了活性氧类物质水平，还促进了胆固醇合成和结肠细胞的细胞增殖。含有生物合成基因岛聚酮合酶的大肠埃希菌可产生细菌毒素Colibactin，其有促进CRC的风险，进一步研究发现，用非靶向DNA加合物组学，在与聚酮合酶的大肠埃希菌共培养的上皮细胞中，鉴定出2种特异性富集的DNA腺嘌呤烷基化加合物，推测是不稳定的Cobibactin-DNA交联结构的分解衍生物[37]。这种加合物通过动物实验得到证实，给无菌小鼠定植聚酮合酶大肠埃希菌，在结肠上皮细胞中检测出这种DNA加合物，其能损伤DNA结构，是促进CRC的潜在分子机制。

以上研究表明，肠道菌群结构和功能的改变，通过作用于肠黏膜破坏上皮细胞的直接方式或参与宿主食物代谢、产生致癌性代谢物的间接方式影响CRC的发生发展。

2.2肠道真菌可能的致病机制 在CRC的发病机制中，肠道细菌的作用已被广泛研究。近期文献报道，肠道真菌在CRC致病中的作用也不可忽视[38]。成人肠道真菌主要由囊菌门(70%)和担子菌门(30%)中的10个属组成，肠道真菌通过识别Toll样受体、C型凝集素受体、半乳糖凝集素3、NOD样受体及NKp30影响宿主免疫系统，对炎性肠病、肠易激综合征、CRC等有直接或间接的影响[38]。胱天蛋白酶募集域蛋白9(caspase recruitment domain-containing protein 9，CARD9)是髓样细胞表达CARD的接头蛋白，能通过真菌表面受体激活核因子κB通路，在抗真菌中具有重要作用。Wang等[39]研究发现，在氧化偶氮甲烷和葡聚糖硫酸钠小鼠模型中，接头蛋白CARD9缺失的小鼠更易患结肠炎相关的结肠癌，真菌失调可诱导髓系来源抑制细胞积累，促进结肠癌发生。缺乏CARD9的巨噬细胞杀灭真菌的能力受损，导致小鼠肠道真菌增多、真菌群组成改变，而热带念珠菌的富集可将小鼠骨髓细胞诱导为髓系来源抑制细胞，对CD8+和CD4+T细胞有强力抑制作用，从而促进结肠癌。而用氟康唑进行抗真菌治疗，可减少髓系来源抑制细胞集聚，抑制缺乏CARD9小鼠的结肠癌。研究发现，结肠癌患者中肠道真菌增多，尤其是热带念珠菌，与肿瘤内髓系来源抑制细胞水平呈正相关[39]。这揭示了真菌失调在结肠癌发病中的重要作用及其机制。Malik等[40]发现，CARD9缺乏改变了小鼠的肠道细菌和真菌组成，影响结肠癌的易感性；但同时他们也发现，肠道共生真菌经酪氨酸激酶-CARD9信号轴，诱导炎症小体活化及其下游的白细胞介素-18成熟，促进肠上皮屏障恢复和CD8+T细胞生成γ干扰素，从而抑制小鼠结肠癌，抗真菌药起相反作用。这提示，CARD9和肠道真菌在CRC中有重要作用，但特定微生物的作用应放入具体的肠道菌群背景中分析[41]。Coker等[42]在对CRC肠道菌群的进一步研究中鉴定出CRC相关的肠道真菌特征，CRC肠道真菌失调，担子菌门/子囊菌门比值升高，马拉色菌纲增多、酵母菌纲和肺孢子菌纲减少。真菌组成在CRC中有特异性变化，反映在6个属的富集上，其中担子菌门的红杜鹃属和马拉色菌属、子囊菌门的Acremonium 被认为是机会性病原体或潜在的致癌物。CRC中肠道真菌内部的共现关联和细菌-真菌的相互排斥关联均增加，变形杆菌门与子囊菌门的正向相互作用在CRC中变为相互排斥，提示肠道真菌失调可能参与CRC的发生，真菌粪便标志物具有用于CRC诊断的潜力。而细菌和真菌间存在共栖、互惠或竞争等相互作用，将是肠道菌群调控的研究方向。

3 CRC的防治

CRC与肠癌菌群关系的研究表明，肠道菌群在CRC发病机制中发挥重要作用，且调节肠道微生态平衡有利于防治CRC[43]。目前，营养干预、益生菌补充和细菌移植是改变肠道细菌群落的替代方案，其中营养干预为优先选择，具有很高的可行性和安全性[44]，可以通过饮食调整的方式进行预防CRC的营养干预治疗。饮食能重构肠道菌群的群落结构，并通过调整代谢成分影响其功能。膳食纤维的摄入能够防范CRC的发生，其原因包括：①纤维降低了肠道致癌物水平，抗性淀粉能发酵短链脂肪酸，尤其是丁酸，可以保证结肠细胞的健康，增加细胞凋谢，导致抑癌细胞的增殖[45]。②改变肠道菌群的结构，伴随厚壁菌门密度增大，从而增强免疫调节和抗炎功能[46]。膳食纤维可以选择性增加产生短链脂肪酸的菌属[47]。目前，鉴定出的至少有33个种及225个菌株可以通过发酵膳食纤维而分别产生丙酸与丁酸[48-49]。研究表明，高脂饮食增加了肠癌风险，且在增加肠道干细胞数的同时增加其癌变易发性，更会增加非干细胞类祖细胞数量和癌变风险[50]。但ω-3多不饱和脂肪酸的摄入，通过对T细胞的调控和DNA的错位修复，有降低CRC潜在风险的可能[51]。过多地摄入动物蛋白，尤其是红肉和加工肉，会显著影响CRC的发生，这可能与蛋白发酵和胆汁酸去共轭会通过促炎和促肿瘤的方式损伤结肠细胞有关[52]。而其他蛋白来源，如摄入鱼肉可能会降低消化道癌症的发病率[53]。因此，摄入富含纤维的食物，不宜频繁摄入过多的动物蛋白，尤其是经过度烹饪的动物蛋白可以降低CRC的发生风险。

此外，益生菌的补充对CRC有一定的防治作用，其机制可能涉及：产生短链脂肪酸，产生具有抗肿瘤、抗突变活性的物质，调节免疫活性，抑制癌细胞生长，降低肠道致癌物水平。使用益生菌、益生元及益生菌衍生产物可能是CRC的潜在治疗方法，益生菌衍生因子可以优化宿主的各种生理条件，在免疫受到抑制的个体中被利用。益生菌的抗癌效应可归因为具有表观遗传、抗诱变、免疫调节、促凋亡、抗癌细胞转移等的益生菌衍生产物[54]。

近年来，已发现粪菌移植能使多种疾病患者获益，包括癌症的治疗。一项研究发现，肠道菌群的重建有利于程序性死亡受体-1的抗肿瘤免疫疗效[55]，还能影响细胞毒T淋巴细胞相关抗原-4免疫疗法的抗肿瘤反应[56]。因此，粪菌移植在调节癌症进展和药物治疗方面可能有广泛的治疗前景。

4 小 结

肠道微生态与CRC发生密切相关，肠道菌群功能和结构改变通过直接或间接方式影响CRC的发生发展，特别是一些特殊细菌(梭杆菌、肠杆菌及厚壁菌门)的发现为CRC的致病机制研究和防治提供了契机，而肠道真菌的研究为肠道微生态失调的致病机制提供了新方向，且调节肠道微生态有利于防治CRC。菌群失调的致癌机制虽已被广泛研究，但很多实验还仅限于动物模型，人类与其共生的肠道微生物之间错综复杂的关系仍不明确，在CRC疾病进展过程中，微生物以及代谢物如何作用及演变有待进一步研究，有望为CRC的预防和诊治提供新的思路和线索。膳食是决定肠道菌群动态变化的最重要因子，通过膳食纤维摄入及补充有益菌塑造肠道菌群及维持肠道健康，可成为预防CRC很有前景的方案[57]。但对于饮食干预的时长和量化以及肠道益生菌补充的长期安全性[58]，仍需要更多的临床和临床前研究来确定。