肿瘤微环境在结直肠癌中的研究进展

何奎郝朗松刘琦邓洋王波

作者单位：563003遵义 1遵义医科大学研究生院；550002贵阳2贵州省人民医院普外科

结直肠癌（colorectal cancer，CRC）是消化系统常见的恶性肿瘤，在世界范围内发病率及死亡率均呈上升趋势［1］。癌症报告指出，无论在男性或女性中结直肠癌新发病例数均位列前3［2］。我国最新统计的全国癌症调查报告显示，结直肠癌亦居于主要恶性肿瘤之列，总体发病率和死亡率分别排在第3和第5位［3-4］。结直肠癌的发生发展往往是多因素、多阶段、多环节参与的复杂过程，在此过程中，结直肠癌细胞及其周围环境构成了特异性的肿瘤微环境，结直肠癌细胞与肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）的多种成分相互作用、协同进化，从而促进其发生发展。在结直肠癌的肿瘤微环境中，肠道菌群微环境、缺氧微环境及炎症微环境目前研究较多且认可度较高，因此本文主要围绕三者在结直肠癌发生发展中的研究进展进行综述。

1 肠道菌群微环境

近年随着科学研究及医学的发展，分子生物学及宏基因组学在医学领域得到广泛应用，医学领域对肠道菌群微环境的研究也越来越深入，并认为肠道菌群微环境对多种肿瘤发生有重要作用［5］。人类肠道中存在超过100万亿细菌，形成了一个复杂的菌群微环境，可以介导新陈代谢和免疫功能，从而直接或间接影响人类健康［6］。肠道菌群组成虽然复杂［7］，且具有极高的种水平甚至菌株水平上的多样性和个体差异性，但健康成年人肠道菌群的种类和相对丰度却相似［8］。大量研究表明［9-10］，肠道菌群的改变及其代谢产物在结直肠癌的发生发展中起重要作用，结直肠癌患者与未患肠道疾病人群粪便中菌群种类、相关菌种丰度等亦存在明显差异。有研究对比不同人群粪便中菌群种类与肠道息肉病、结直肠癌发病风险的相关性，发现多种肠道菌群与结直肠癌发生风险高度相关，其中在结直肠癌高风险人群中拟杆菌属与大肠杆菌数量明显增加［11］。近年，有学者［12］通过16SrRNA基因测序技术发现结直肠癌患者、肠息肉患者与正常人群肠黏膜的肠道微生物组成存在明显差异，在结直肠癌患者肠道中拟杆菌属以及一些口腔来源的病原菌丰度明显升高。MIMA等［13］利用2项美国全国前瞻性队列研究中1 000多例结直肠癌患者进行研究，结果发现结直肠癌组织中的具核梭杆菌DNA数量与肿瘤分期、转移情况、生存期均呈正相关。另有研究发现具核梭杆菌是结直肠癌组织中最常见的细菌种类之一，且结直肠癌原发肿瘤与转移瘤间的肠道菌群具有稳定性和一致性。进一步研究发现结直肠癌异种移植瘤小鼠通过连续传代，具核梭杆菌及其相关微生物群仍能存活，而经抗生素甲硝唑治疗后可减少具核梭杆菌细菌载量，且抑制癌细胞增殖和整体肿瘤生长［14］。而有研究通过多组临床前模型，发现调节肠道微生态平衡有利于防治结直肠癌，且通过菌群移植可改善结直肠癌转移与复发［15］。此外，化疗失败是结直肠癌患者复发和预后差的主要原因。YU等［16］研究发现具核梭杆菌可导致结直肠癌细胞产生化疗耐药性，可能是癌细胞通过激活自噬细胞存活机制从而逃避细胞凋亡，因为通常情况下自噬能够被开启或关闭，具核梭杆菌可阻止微小核糖核酸-18a*和miRNA-4802表达，从而阻止自噬关闭，使自噬状态处于持续“开启”状态，最终导致耐药发生。另有研究报道丰富的肠道微生物区系可调节肠内外组织的癌变和抗癌治疗反应，在这过程中细胞毒性化疗药物可诱导肠道微生物的组成和形状、生理和基因表达改变，进一步调节其对药物代谢的影响［17］。综上认为，虽然目前肠道菌群对结直肠癌发生发展的机制未阐明，但均显示肠道菌群在其发病中发挥重要作用，且有效调控肠道菌群可能有助于预防和治疗结直肠癌。

2 炎症微环境

炎症是肿瘤微环境的重要组成部分，与肿瘤发生发展密切相关。其中慢性炎症主要以免疫细胞浸润（包括单核巨噬细胞、淋巴细胞和浆细胞），组织破坏，纤维化和血管生成等为主要特征。慢性炎症反复迁延可诱发癌变，甚至显著促进恶性进展［18］。在肿瘤进展后期，炎症反应相关因子表达的增加亦可促进肿瘤扩散和转移［19］。近年研究表明，炎性细胞因子与结直肠癌发生发展密切相关，其中较为常见的有转化生长因子β（transforming growth factorβ，TGF-β）、白细胞介素6（interleukin 6，IL-6）、核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）、信号转导与转录激活子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factorα，TNF-α）等细胞因子，这些细胞因子可通过调节各路信号通路影响结直肠癌发生发展。NF-κB于1986年在B淋巴细胞的细胞核提取物中发现［20］，是一类重要的转录激活因子，可参与炎症、免疫、应激等反应及细胞凋亡调控，并在恶性肿瘤包括结直肠癌发生发展中起重要作用［21-23］。一项纳入265 261例结直肠癌患者的研究数据显示，NF-κB在结直肠癌组织中高表达，且与肿瘤侵袭性和生存率显著相关［24］。癌症进化发育学（cancer evolutiondevelopment，Cancer Evo-Dev）是从多方面验证与描述恶性肿瘤的共性规律，其中谈及慢性炎症与结直肠癌转化之间的共性规律时认为慢性炎症诱导的基因组突变是驱动结直肠癌进化发育的共性前提，而由免疫反应与基因组损伤-修复失调促进的细胞突变是结直肠癌细胞进化的基本动力［25］。同样在慢性炎症微环境中，在选择和生存竞争中存活下来的突变型细胞，通常可引起细胞中关键信号通路传导模式的改变，例如在促进肠腺瘤生成的环节中存在Wnt信号通路的持续激活，其可打破正常肠上皮细胞增生、分化和凋亡的调节平衡［26］。固有免疫系统是宿主免疫防御系统中普遍的、稳定的组成部分，能对入侵的病原体做出快速反应。它主要通过模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）传递信号，其中包括NOD样受体（NOD-like receptors，NLRs）和Toll样受体（tolllike receptors，TLRs），可使宿主对不同刺激产生免疫感知和反应。不同微生物的病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）被其同源的TLRs识别，同时TLRs也可激活下游的NF-κB信号通路，从而导致促炎细胞因子和趋化因子产生，促进肿瘤细胞增殖和进展［27］。总之，TLRs信号通路在慢性炎症中扮演重要角色，其异常激活可导致NF-κB相关信号通路激活和引起IL-1β、TNFα、IL-6等炎性因子过表达，从而促进炎症反应发生，与结直肠癌亦密切相关。TLRs信号通路还可通过调节基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）和整合素增强结直肠癌细胞侵袭和转移能力，进而促进结直肠癌进展［28-29］。炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）也称为结肠炎相关结直肠癌（colitis-associated cancer，CAC），是易癌变的炎症性病变，故减弱炎症性肠病的发生率在一定程度上有助于预防相关性结直肠癌的发生。辅助T细胞17（helper T cell，Th17）分泌的IL-17是IBD重要的相关因子，而IL-23作为Th17细胞的积极调控因子可影响IL-17分泌。小鼠实验发现，通过阻断IL-23信号通路可诱导Th17细胞凋亡，进而减弱结肠炎反应［30］。因此，目前认为炎症微环境可影响结直肠癌的发生、发展与免疫抑制等。当肠道受到内源或外源性刺激时，会激活相应的炎症信号通路而产生炎性细胞因子（NF-κB、TNF-α、IL-17等），从而促进肠道炎症发生甚至引起肠道细胞癌变。

3 缺氧微环境

组织缺氧不仅可影响肿瘤代谢、血管生成和固有免疫，也被认为是促进肿瘤转移的重要微环境因素之一。低氧或氧的可利用性降低是肿瘤微环境的共同特征，会触发一系列相关缺氧信号蛋白的表达和基因转录发生变化，从而影响血管生成和新陈代谢，促进肿瘤发生和进展［31-32］。缺氧微环境是肿瘤生长所必需的，这个过程中缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）发挥了关键作用［33］。HIF是由氧依赖的α亚基和氧不敏感的β亚基形成的异二聚体复合物。到目前为止，在人类中已发现3种α形式：HIF-1α、HIF-2α和HIF-3α，其中HIF-1α是研究最多的亚型，在缺氧环境中普遍表达。β亚基也叫芳香烃受体核转运子（arylhydrocarbon receptor nuclear translocator，ARNT），在细胞核中表达，活动不受缺氧的影响［34］。虽然HIF主要与缺氧反应有关，但近年部分研究也证明了HIF在炎症反应中的作用。

多项研究认为缺氧微环境与结直肠癌发生、发展相关的信号通路息息相关［35-37］。研究发现［38-39］，结直肠癌组织与炎症性肠病的黏膜组织中不同程度高表达HIF-1α。HIF-1α在T细胞、B细胞、树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞的活性中起关键作用，同时与NF-κB存在“串扰”现象，凸显了免疫、炎症和细胞对缺氧反应的复杂相互作用［40-42］。1994年，缺氧诱导NF-κB通路的激活首次被报道［43-44］，随即开启了肿瘤领域中缺氧与炎症关系的研究。多项研究认为炎症过程中HIF-1α和NF-κB可能存在一定联系［45-46］，但是两者具体如何参与炎症过程的机制并不清楚。FITZPATRICK等［47］利用NF-κB干扰控制下表达荧光素酶的转基因小鼠作为实验对象，证明低氧在体内可激活小鼠心脏和肺中的NF-κB，并得出当缺氧依赖的HIF-1α表达时，NF-κB通路就存在，且有相互作用，同时NF-κB可调控HIF-1α表达。此外，JIANG等［48］研究发现，NF-κB对HIF-1α具有双重调节机制，NF-κB的p65亚基可促进HIF-1α转录，而c-Rel会降低HIF-1α在缺氧条件下的转录。JIANG等［49］采用原位杂交和免疫组织化学法分析71例结直肠肿瘤（大肠腺瘤9例，结直肠癌62例）中HIF-1α和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）蛋白的表达，结果显示HIF-1α与VEGF表达呈正相关，且在腺瘤及结直肠癌中的表达差异有统计学意义，且Dukes C期、D期组织中HIF-1α和VEGF的表达水平明显高于Dukes A期、B期。该研究还发现HIF-1α和VEGF表达与PTEN基因（gene of phosphate and tension homology deleted on chromsome ten，PTEN）表达水平显著降低相关，认为PI3K/Akt/FRAP（FKBP雷帕霉素相关蛋白）通路参与了HIF-1α的表达上调。有研究［50-51］报道除缺氧或信号转导通路上调外，在结直肠癌中VHL（von Hippel-Lindau）抑癌基因表达的降低或丢失往往伴随着HIF-1α的表达上调。还有研究发现在低氧条件下，癌症相关成纤维细胞（cancer-associated fibroblasts，CAFs）通过HIF-1α和转化生长因子-β2（transforming growth factor-β，TGF-β）的协同作用，可诱导结直肠癌化疗耐药［52］。

4 三者在结直肠癌中的相互作用

肠道菌群微环境、炎症微环境及缺氧微环境三者在结直肠癌发生发展过程中联系紧密、互为因果。当肠道菌群紊乱时，特殊菌种间相互作用可导致结直肠上皮细胞产生系列炎症反应，而炎症刺激可导致上皮细胞缺氧，进而加重炎症反应；长期的炎症刺激也可导致结直肠上皮细胞癌变，最终促进结直肠癌发生发展。CHUNG等［53］通过建立结直肠癌ApcMin小鼠模型，发现脆弱类杆菌毒素（bacteroides fragilis enterotoxin，BFT）在结肠上皮细胞（colonic epithelial cells，CECs）中触发了一种致癌前、多步的炎性级联反应，其中需要IL-17、NF-κB信号转导，因此认为IL-17、NF-κB是产毒性脆弱拟杆菌诱导结直肠炎症性级联反应的启动器。该研究还发现BFT可与肠道上皮细胞特异性结合，诱导Th17生成，进而产生IL-17；IL-17又可进一步激活NF-κB信号通路，从而产生一系列炎症级联反应，最终促进结直肠癌发生发展。另外，HIF除了依赖O2调节外，炎症与HIF调节也密切相关。NF-κB是炎症反应中的主要转录因子，也是HIF-1α在炎症反应中的直接转录调节因子，NF-κB被激活物激活时，NF-κB可直接增加巨噬细胞HIF-1αmRNA表达［54］。

5 小结

目前研究认为肿瘤微环境中肠道菌群、炎症与缺氧在结直肠癌发生发展及治疗中扮演了重要角色，并相互作用、相互影响，形成了多步骤、多环节、多因素的致病因素。例如脆弱拟杆菌、具核梭杆菌等特殊菌种在结直肠癌的肠黏膜组织中高度富集，且与分期、肿瘤大小及耐药等具有明显相关性；炎症信号通路在特殊情况下被激活，产生炎性因子，造成炎性反应，促进肠道细胞癌变；肠道缺氧环境形成与炎性反应息息相关，相互促进，三者有“串扰交互”现象。但是肠道是一个复杂的大环境，从而造就了结直肠癌发生发展的复杂性，虽然目前对肿瘤微环境与结直肠癌发生发展的认知更加全面，但是面对复杂的肠道环境与多变的菌群，仍有很多未知领域亟待探索。在未来进一步系统性探索三者之间的关系以及各菌种的相互作用，深入了解肿瘤微环境与结直肠癌发生发展的关系及其分子机制，将有益于结直肠癌的预防、诊断和治疗。