肠道菌群失调与结直肠癌的相关研究进展

胡嘉怡，陈 蕾

根据美国《临床肿瘤杂志》报道，结直肠癌是美国第二癌症死亡原因，据预测2020年约有15万人被诊断为结直肠癌，5万人死于该病[1]。在中国，尤其是广东地区，结直肠癌的发病率和死亡率同样处于高位[2]，严重危害我国人民健康安全，减少结直肠癌的发生率并改善患者的生活质量已成为亟待解决的问题。在全部结直肠癌患者中，家族遗传性结直肠癌占比不足25%，散发性结直肠癌占比超过75%。尽管广泛的研究尚不能对结直肠癌的确切病因达成共识，但遗传和环境因素已被认为是影响结直肠癌发生发展的危险因素。生活方式被认为是结直肠癌最重要的环境危险因素之一，尤其是在散发性结直肠癌中。近年来，人民生活水平提高，生活方式发生了极大的转变，如增加动物脂肪、加工肉和红肉的摄入，减少纤维的摄入、减少运动和肥胖，这都被认为会改变肠道菌群的组成并增加患结直肠癌的风险。

1 肠道微生物群

人体肠道是一个营养丰富的环境，其中居住着多达100万亿个微生物，其中大多数生活在结肠中，其密度接近每毫升1011～1012个细胞[3]。在生命最初的十年中，由于人们在出生、遗传、环境和饮食等方面接触了肠道微生物，微生物种类和组成迅速发生变化，从而在结肠中形成不同的微生物群落，即微生物菌群[4]。不同肠道菌群间的相互作用可维持肠道菌群微环境的稳态，并且共同参与宿主的新陈代谢、物质吸收及转化过程。同时，高水平的共生菌群在抑制病原菌的入侵和定居、调节免疫系统、维持肠粘膜屏障结构的完整性以及预防结直肠癌的发生中发挥重要作用[5]。健康人群的肠道菌群主要由类杆菌和硬壁菌门组成，占肠道微生态系统的90%，此外为放线菌、蛋白菌和梭状芽胞菌[6]。肠道微生物群大约包含300万个基因，这些基因为我们提供了探究微生物与宿主关系的关键窗口。研究发现，根据肠道菌群与人体的关系，可以将细菌大致分为3类：有益细菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌等；有害细菌，如球形芽孢杆菌、粪肠球菌等；在特定条件下的致病菌，如大肠杆菌等[7]。因此，肠道共生菌群的相对丰度和比例对于维持肠道微生态系统的稳定性和人类健康至关重要。

2 肠道菌群失调

肠道菌群失调包括肠道菌群移位和肠道菌群失衡[8]。肠道菌群移位是指肠道中原定植菌群发生纵向和(或)横向移位。纵向移位是指结肠细菌从肠道到深层粘膜甚至整个宿主机体的转移。横向移位是指定植细菌在肠道中的位置转移，如下消化道中的细菌转移至上消化道。肠道菌群失衡是指原肠道优势菌群发生改变，肠道微生态环境中有益菌群丰度减少，致病菌群丰度增多。此外导致肠道菌群失调的因素有很多[9]，包括早期抗生素的使用、免疫系统缺陷、基因毒素的产生、生活方式改变、饮食结构变化等。肠道菌群失调已被确定为越来越多的医学问题的根源，包括过敏、肠易激综合征、自身免疫性疾病、难辨梭状芽胞杆菌腹泻、炎症性肠病、肥胖症、糖尿病和结肠癌。

3 肠道菌群失调与结直肠癌

研究表明[10]，结直肠癌患者的肠道微生态系统与健康受试者的肠道微生态系统不同。结直肠癌的发生是一个复杂的过程，受基因和环境因素的影响，有着不同的致病机制，其中一些机制与肠道菌群失调密切相关。目前，有两种模型可以解释肠道菌群失调在结直肠癌发生过程中的作用。第一种是“驱动-乘客”模型，Tjalsma等[11]利用一代测序技术研究发现，致病菌可以通过引起肠道持续性炎症，增加细胞增殖和(或)产生基因毒性物质，从而在腺瘤-癌序列中导致癌前病变的发生和随后的突变累积，从而发挥结直肠癌的细菌驱动作用。炎症环境使结肠屏障通透性和细胞代谢发生变化[12]，从而使得致病性细菌驱动因子逐渐被可促进或阻碍癌变的具有其他优势的乘客细菌(如机会性病原体、共生菌、益生菌)替代，并在肿瘤微环境中具有生长优势。第二种模型考虑了宿主遗传学，研究者认为结直肠是基因突变和微生物共同引起的。Gagnière等[13]通过代谢组学和RNA测序方法，在宿主和病原体的相互作用研究中得出了肠道菌群失调会导致肠道炎症反应以及上皮细胞转化并最终导致癌症发生的结论。研究学者认为[14]，肠道微生物群可通过以下方式诱发慢性炎症：①黏附于肠上皮细胞；②通过与Toll样受体结合和(或)激活调节T细胞激活免疫反应；③合成和分泌细胞毒性生物分子或代谢物；④通过转移进入体内。梭杆菌是一种革兰氏阴性厌氧菌，是结直肠癌中最常见的定植寄托菌，认为其在结直肠癌组织中的高水平与较短的总生存率显著相关。相关研究表明[15]，核梭杆菌在其促发炎症性和组织侵袭性中可作为“驱动-乘客”模型中的驱动细菌。研究发现[16]，与周围组织相比，核梭杆菌在人结直肠腺瘤及癌症患者的粪便样本中较健康受试者富集。此外，在ApcMin/+小鼠肠致瘤模型中，核梭杆菌在增加了肿瘤多样性的同时选择性地招募相关被肿瘤浸润的骨髓细胞，促进结直肠癌发生发展。暴露于核梭杆菌的ApcMin/+小鼠的肿瘤表现出促炎性表达特征，与人类核梭杆菌阳性的结直肠癌相同。此外，核梭杆菌富集的结直肠癌与CD3+T细胞的密度负相关，与微卫星不稳定和CpG岛甲基化或表型相关的结直肠癌密切相关[17]。脆弱类拟杆菌厌氧菌是一种常见的结肠共生菌，对粘膜定植有亲和力[18]，有两种分子亚型：非产肠毒素型脆弱类杆菌(Non Ttoxic Bacterooides Fragilis，NTBF)和产肠毒素脆弱类杆菌(Enterotoxigenic Bacteroides Fragilis，ETBF)。研究者认为[19]，ETBF与活动性炎症性肠病和结直肠癌之间相关，是“驱动-乘客”模型中的驱动细菌。ETBF通过其毒素因子在结肠上皮细胞中促发炎症级联反应，包括白介素-17、信号转导、转录激活因子3及NF-κB信号通路，这些信号通路在结肠(尤其是远端结肠)中创造促炎条件并诱导DNA损伤[20]。这些数据表明核梭杆菌和ETBF是散发性结直肠癌的候选致病因子。因此，结直肠癌的发生发展以及预后需要与肠道微环境变化、免疫、宿主遗传学、炎症和其他复杂因素相关。

4 粪便肠道菌群作为新一代生物标志物在结直肠癌中的诊断价值

粪便肠道菌群是一种新兴的生物标志物，一旦转化为临床应用，具有便捷、高效、经济、无创等优点。目前有效可行的降低结直肠癌的发病率和死亡率的方法是对高危人群进行肠镜筛查[21]。选取单个肠道微生物候选菌作为结直肠癌的生物标志物具有挑战性，其突出的问题是难以明确效应和原因。而联合选取肠道微生物候选菌(如核梭状芽孢杆菌结合共生梭菌、大肠杆菌等)则可增强其敏感性和特异性[22]。研究者使用荧光定量PCR(Real-time PCR，qPCR)作为检测工具，仅核梭状芽孢杆菌的敏感性和特异性高达80%左右。此外，如果将粪便中的梭状芽孢杆菌与克拉鲁斯拟杆菌以及一个未定义物种细菌(m7)结合起来，可以在很小程度上提高敏感性及特异性。将这4种细菌与粪便免疫化学实验结果相结合，可以使二期结直肠癌的检出率提高到92.8%。除诊断外，结直肠癌肿瘤组织中的核梭状芽孢杆菌高水平也与较差的临床预后成正比[23]。尽管已经在广泛的研究中确立了粪便肠道菌群在结直肠癌诊断中的作用和潜力，但在许多方面仍然缺乏共识。这些研究结论的不一致性，可能是由于粪便样本的采集、储存和处理、DNA提取、扩增以及测序、数据标准化和随后的生物信息分析组成的生物信息工作流程的差异造成的[24]。尽管具有这些局限性，粪便肠道菌群仍是检测结直肠癌的一种很有前途的工具。今后的研究应将血液标志物、粪便潜血试验、粪便免疫化学实验以及qPCR等相关检测方式结合起来，并且侧重于结直肠癌的早期筛查，如息肉、腺瘤和其他相关的结直肠癌(癌前)病变，最终在更大的队列研究中进行验证。

5 调节肠道菌群在结直肠癌治疗中的应用

5.1 膳食成分代谢 新陈代谢是宿主和微生物群相互作用的关键领域。肠道菌群基因组编码的基因可以代谢许多膳食营养素，比如我们所熟知的不易消化的碳水化合物，常见形式为低聚半乳糖和低聚果糖以及宿主化合物，如胆汁酸。近期的一项研究表明,38.3%的早期结直肠癌患者与不良饮食习惯有关，如摄入全谷物以及乳制品含量低及高加工肉类食物[25]。摄入不易消化的碳水化合物，如纤维和抗性淀粉，会导致肠道菌群发酵产生短链脂肪酸,如丁酸和丙酸。丁酸盐作为一种抗炎分子，可抑制结肠形成细胞和免疫细胞中的组蛋白脱乙酰，下调促炎性细胞因子，诱导结直肠癌细胞系凋亡[26]。此外，丁酸盐和丙酸盐已在动物模型中被证明可通过调节结肠调节性T细胞以发挥有效的抗炎作用[27]。另一类与饮食和肠道菌群密切相关的代谢产物是胆汁酸。它们是由肝脏合成的类固醇酸，并被细菌代谢为肠道中的次级形式。高脂饮食的人结肠中的次级胆汁酸(包括脱氧胆酸)水平升高，可诱导DNA氧化损伤并促进结直肠癌的形成，因此与结直肠癌的高风险相关[28]。更多的代谢产物在结直肠癌中的作用已在其他文献中综述[29]，但值得注意的是，这些代谢产物可独立调节或通过影响肠道菌群从而影响结直肠癌的发生。

5.2 益生菌 对人体有益的活体微生物被统称为益生菌，应用最广泛的有乳酸菌、双歧杆菌、酪酸梭菌等。Bultman等[30]研究发现，益生菌可通过增强巨噬细胞的活性来刺激宿主的免疫反应，并促进肿瘤坏死因子α、白细胞介素12、干扰素γ等细胞因子发挥抗肿瘤作用。益生菌还可以干预改善结直肠癌患者的肠道菌群，帮助清除致癌物质，改善肠道通透性以及发挥一系列有效的益生菌系的关键功能[31]。益生菌发挥有益影响的因素包括菌株、剂量、干预持续时间以及宿主生理学等。在一项随机对照试验中，口服冻干活嗜酸乳杆菌和双歧杆菌可以预防肠易激综合征患者放疗和顺铂治疗的肠道毒性[32]。但并非所有的益生菌菌株都表现出抗结直肠癌的活性，未来研究需要筛选出有效的菌株并制作成益生菌制剂来控制和预防结直肠癌的发生。

5.3 粪便菌群移植技术 大约两千年前，就有中国人将健康人粪便制成“黄汤”口服给患者，以治疗严重腹泻。近十年来，粪便菌群移植技术被用于治疗难治性梭菌感染并取得令人难以置信的高反应率。此外，研究者发现该技术在应用中有着不同的反应率，表现为与治疗方法相关。在第一次给药的疗效中，最高反应率为通过结肠镜或灌肠给药，次之为鼻胃管给药和口服胶囊[33]。因此，粪便肠道菌群移植具有可以通过许多不同方式给药的优势。到目前为止，将该技术用于良性疾病的治疗中，甚至在免疫功能受损的个体中，都有很好的安全性。但将该技术应用于结直肠癌患者中以治疗结直肠癌的相关研究则非常有限，这可能与健康志愿者粪便菌群的获取与保存、如何有效地提高抗肿瘤疗效等问题有关。总之，粪便菌群移植给我们提供了很好的防治结直肠癌的手段，未来研究者们需要开展更多的临床试验将该技术对肠道微生物群的调节与结直肠癌治疗结合起来。

6 结语

肠道菌群失调已被证实与结直肠癌的发病机制密切相关。大量高质量的研究文献表明肠道微环境稳态对于维持健康机体具有重要意义。这提示我们需要关注饮食、生活方式以及营养对于疾病发展的重要性。除了大量研究表明特定细菌与结直肠癌发病之间存在关联外，大量文献也证明了细菌参与导致结直肠癌发病的途径和分子机制。如今，利用肠道菌群作为结直肠癌的预测和/或预后标志物已经有了初步发现。在转为潜能方面，肠道菌群作为治疗结直肠癌的潜在工具具有显著的优化作用。但是，仍有许多问题亟待研究者们解决，如肠道菌群与结直肠癌之间精细又复杂的相互作用机制；机体免疫能力在肠道致病菌群致病中发挥的具体作用；如何将肠道菌群潜能更好地转化并应用到临床中。这需要研究者们对肠道菌群的功能作用有更深入的了解，以及设计大量前瞻性研究以及良好的表型队列来得出结论。预计在不久的将来，肠道菌群的潜在能力可转化为真实的临床应用，并期待着使用这种方法来帮助结直肠癌患者实现精确用药的目的。