肠道菌群与肝癌

姚 琳 楚慧款 杨 玲

华中科技大学同济医学院附属协和医院 (湖北 武汉， 430022)

1 背景介绍

1.1 肝癌 肝癌包括原发性肝癌和继发性肝癌。肝细胞癌(HCC)是原发性肝癌最常见的类型，占75%～85%[1]，每年约有841 000例新发病例和782 000例死亡病例，全球死亡率为9.1%，是全世界癌症死亡的第四大原因[1]。肝癌(下文中的“肝癌”指HCC)的治疗方法主要包括外科治疗和保守治疗。肝癌切除术是肝癌的首选治疗方法，要求患者有良好的全身情况和肝脏储备功能，能获得手术切除的机会的患者仅20%～30%，且术后5年肿瘤复发转移率高达40%～70%。肝移植术存在肝源难以获得的问题。近年来广泛使用局部消融治疗，仅适用于单个肿瘤直径≤5 cm、无远处转移、肝功能分级Child-PughA/B级者。保守治疗目前推荐一线治疗药物为索拉非尼，是一种激酶抑制剂，适用于晚期患者，然而只有不到1/3的患者能从中获益，并且在使用6个月内即出现明显的耐药性[2]。因此，进一步寻找更好的治疗肝癌的方法很有必要。

1.2 肠道菌群 人类胃肠道由一系列与宿主有共生关系的细菌和其他微生物居住，包括细菌、真菌、病毒和古生菌，被称为肠道菌群[3]。人类肠道菌群有35 000多种细菌组成，对宿主免疫系统和代谢发挥重要作用，同时，宿主也为微生物群的生存提供了位置和营养。肠道屏障功能的完整性是保证这种平衡的必要条件，当屏障功能受损，肠道通透性增加，细菌易位，会产生大量的细菌及代谢产物，如脂多糖(LPS)等，导致各种疾病的发生。由于肠道和肝脏特殊的解剖关系，肝脏从门静脉吸收肠道70%的血液，使肝脏成为被攻击的首要目标，促进肝损伤及肝癌的发生。

2 肠道菌群影响肝癌的机制

2.1 胆汁酸 胆汁酸由肝细胞合成，是胆固醇的最终代谢产物，约占胆汁固体成分的85%。具有乳化脂肪、促进脂质和脂溶性维生素的吸收，调节胆固醇、甘油三酯和葡萄糖等代谢平衡的作用。胆汁酸分为初级胆汁酸和次级胆汁酸，初级胆汁酸包括胆酸和鹅脱氧胆酸，初级胆汁酸在肠道内被细菌7-a脱氢酶转化为次级胆汁酸，胆酸成为脱氧胆酸，鹅脱氧胆酸成为石胆酸。胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合后由游离胆汁酸转化为结合胆汁酸。在空肠末端，大约95%的胆汁酸通过门静脉系统重吸收回肝脏，5%的胆汁酸随粪便或尿液排出体外，这就是胆汁酸的肠肝循环，使有限胆汁酸得以重复利用，维护了胆汁酸代谢的平衡稳定，对肠道微生物群稳定、脂质和碳水化合物代谢平衡、胰岛素敏感性和先天免疫都至关重要。研究发现，肠道菌群可影响胆汁酸池大小和成分，如梭状芽胞杆菌可影响初级胆汁酸代谢为次级胆汁酸[4],初级胆汁酸可增加肝窦内皮细胞CXCL16的表达，促进肝脏自然杀伤细胞(NKT)的积累，提高肝脏的抗肿瘤效应；而次级胆汁酸则起到相反的作用[5]。另有研究发现，改变肠道微生物群，可增加脱氧胆酸(DCA)水平，DCA可通过产生活性氧导致DNA损伤[6]，DNA损伤是衰老相关分泌表型(SASP)的关键诱导剂[7]，增强肝癌的致癌性，引起肝星状细胞(HSCs)的衰老相关分泌表现(SASP)，促进HSCs在肝脏中分泌炎症和促肿瘤因子，促进肿瘤发生；而阻断DCA的产生和减少肠道菌群可以有效阻止小鼠肝癌的发展[8]。在一项小鼠的NASH相关肝癌模型中发现，次级胆汁酸的积累可导致肝脏炎症和损伤，促进癌变[9]。Huang等[10]通过对HBV相关肝癌和健康志愿者的粪便进行微生物组16sRNA分析发现，拟杆菌、Lachnospiracea incertae sedis和XIVa梭菌在高肿瘤负荷的HCC患者中富集，揭示肠道微生物通过胆汁酸引起肿瘤免疫微环境的改变可能是与肿瘤负荷和不良临床结果相关的重要因素。

2.2 微生物相关分子模式 细胞壁成分(革兰氏阴性菌的内毒素、真菌的β-葡聚糖)和DNA统称为微生物相关分子模式(MAMPs/PAMPs)[11]。当肠道屏障功能受损和肠通透性增高后，容易产生细菌易位，可产生大量MAMPs/PAMPs。Toll受体是研究最深入的模式识别受体家族(PRRs)，广泛表达于正常上皮细胞、免疫细胞和癌细胞中。作为宿主防御的第一道防线，通过PAMPs响应各种入侵的外源性病原体，并通过DAMPs识别坏死细胞的内源性配体[12]，激活先天免疫。目前研究最多的微生物相关分子模式是脂多糖。Kupffer细胞是其最佳靶点，通过结合TLR，促进Kupffer细胞分泌炎性细胞因子，如IL-1β，IL-1β刺激肝细胞脂质积累和细胞死亡，导致脂肪变性和炎症[13]，促进肝癌的发生。另有研究发现，在DEN(二乙基亚硝胺)注射后，TLR4缺失的小鼠与野生型小鼠相比，肝肿瘤的大小和数量更小，未发现明显纤维化，推测是TLR4的缺失保护肝脏免受化学诱导的癌变[14]。因此，保证肠道屏障的完整性对预防肝癌的发生至关重要。

2.3 短链脂肪酸 短链脂肪酸(SCAFs)是肠道细菌代谢产物，主要是丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐，是细菌在肠道中发酵碳水化合物和蛋白质的主要产物[15]。 SCAFs对保护肠道屏障，防治细菌进入血液循环有重要作用。结肠中的丁酸盐是TJP(紧密连接蛋白)最重要的调节因子，可增加claudin-1和Occludens-1 (ZO-1)的表达和occludin再分配来增强肠道屏障功能[16]，同时可逆转ZO-1的异常表达，减少脂多糖易位，抑制巨噬细胞激活、促炎细胞因子产生和中性粒细胞浸润，从而减轻肝损伤[17]。Huang等[18]还发现，丁酸盐可通过抑制Kupffer细胞中NF-κ b的激活来抑制TNF-α、IL-6和髓过氧化物酶活性，从而减少肝脏损伤，甚至肝癌的进展。但有研究发现，在生物失调、胆碱血脂和炎症的背景下，大量丁酸盐可能会促进肿瘤发生，超过它的益处，这一结论符合丁酸悖论[19]，因此，SCAFs在人体的作用还需要进一步研究。

2.4 胆碱 胆碱是一种水溶性营养素，主要在肝脏代谢和储存，被肠道微生物代谢为TMA(三甲胺)。随后通过门静脉循环输送到肝脏，在肝脏中，含黄素单加氧酶3(FMO3)等单加氧酶作用下代谢为三甲胺n-氧化物(TMAO)[20]。一项前瞻性队列研究显示，较高的血清胆碱水平与更好的肝癌生存相关，特别是在有全身炎症状态的肝脏中[21]。胆碱缺乏的饮食，可引起异常的磷脂合成，长期以来一直被用于研究脂肪肝的机制及进展，虽然大多数停留在良性阶段，但仍可发展为肝纤维化、肝癌[22]。研究发现，这与胆碱缺乏饮食导致Wnt/β-Catenin通路的下调导致肠道血管屏障(GVB)的破坏和PV1 (GVB的标记物)的上调，肠道屏障破坏，微生物失调有关[23]，紧密连接蛋白和通透性标记物occludens-1在接受MCD饮食的患者中较低[24]。肠道屏障功能的破坏，促进肝癌进展。

2.5 内源性酒精 临床研究发现，机体在摄入不含酒精的食物后，仍可以在血液中检测到酒精[25]，这说明肠道菌群可能产生内源性酒精。非酒精性脂肪性肝炎(NASH)患儿血清中酒精含量明细高于健康儿童[26]，这一研究显示内源性酒精在NASH及其进展为肝癌的发病过程中起重要作用。酒精通过形成蛋白质和DNA复合物产生乙醛毒性，增加活性氧、脂质过氧化、炎症和免疫反应受损以及DNA甲基化修饰导致肿瘤的形成[27]。酒精不仅可直接导致肝脏损伤，还可通过改变肠道菌群，导致肝脏疾病。酒精喂养诱导的小鼠发生ALD，大肠起始部位盲肠的小肠细菌过度生长，生态失调，厚壁菌门减少，拟杆菌门丰度相对增加[28]。乙醇也能破坏肠道细胞壁间紧密连接，导致细菌移位，肠道屏障破坏，通透性增加，内毒素如LPS水平增加，刺激肝脏TLR受体，最终导致肝脏脂肪沉积和炎症，促进肝癌发生[29]。

3 肠道菌群在肝癌早期诊断中的作用

肝癌患者预后较差，一方面与目前的治疗手段有限有关，另外一方面与肝癌早期症状不明显、不能及时的明确诊断和治疗也有重要关系。肠道菌群对肝癌的影响贯穿于肝癌形成的整个过程，从肝脏炎症、纤维化、肝硬化直至肝癌的发生，均各有其特点。了解肝癌早期肠道菌群的改变，对肝癌的早期诊断有重要作用。1/3的肝硬化患者可发展为肝癌。Zhang等[30]研究发现，肝硬化患者粪便中肠杆菌科和链球菌的丰度增加，而Akkermansia丰度降低，在HCC患者中，拟杆菌和瘤胃球菌科增加，双歧杆菌减少。Ren等[31]研究发现，与肝硬化患者相比，HCC早期患者中放线菌属和拟杆菌属较多，而Verrucomicrobia和Alistipes属、Phascolarctobacterium和Ruminococcus显著减少，而克雷伯氏菌和嗜血杆菌增加。在上述研究中均发现，拟杆菌科在肝癌早期升高，为肝癌的早期诊断提供思路，但还需更多相关研究进一步验证，并进一步寻找其他特异性菌群，为肝癌的早期诊断做出贡献。

4 针对肠道菌群的肝癌治疗方法

通过以上总结，我们发现肠道菌群与肝癌的进展密切相关，为针对肠道菌群的肝癌治疗提供了依据。目前已有多项研究证实了这一观点。

4.1 益生菌 益生菌是一类对宿主有益的活性微生物，当给与足够数量的益生菌时，宿主或获得健康益处[32]。益生菌可改变肠道微生物的种类和数量，降低肠道炎症，维持肠道菌群平衡，改善肠道屏障功能，抑制HCC的发生发展。如由鼠李糖乳杆菌GG、活菌大肠杆菌Nissle 1917和热灭活菌VSL#3(1∶1∶1)组成的益生菌可改变肠道菌群，增加普氏菌和振荡菌等有益菌，导致肝癌生长和Th17细胞分化减少[33]。益生菌还能降低某些毒素的致癌作用。在HCC小鼠模型中，益生菌治疗prohep通过降低Th17细胞水平和IL-17的产生，显著减缓肿瘤生长，缩小肿瘤大小[33]。双歧杆菌、乳酸菌等部分益生菌可加强短链脂肪酸的合成，产生抗炎脂肪酸如丁酸、丙酸等，而丁酸、丙酸等可增加三羧酸循环，使羧酸降解，为防止HCC的发生提供保护[34]。也有研究表明，益生菌可作为一种饮食方式，减少黄曲霉素或DEN诱导的HCC的发生[32]。截至目前，仅在鼠类肝癌模型中作益生菌相关研究，缺乏临床证据，需要扩展人类研究，并进一步完善其作用机制。

4.2 抗生素 肠道屏障功能受损，菌群失调，导致细菌及其产物进入血液循环，导致炎症和促肿瘤因子产生，进而促进肝癌的发生发展。研究发现，抗生素可有效减少肿瘤的发生。在TLR5基因敲除(KO)小鼠中，给甲硝唑可降低丁酸菌水平和HCC的发生率[35]，万古霉素可通过选择性消耗革兰氏阳性细菌Lachnospiraceae(XIVa)、瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)和双歧杆菌(Bifidobacteria)来阻止HCC的发生，这些细菌发酵纤维并产生次级胆汁酸[36]，而次级胆汁酸可促进肝癌发生。口服抗生素混合物(氨苄青霉素、新霉素、甲硝唑、万古霉素)进行肠道清洁，有效减少DEN+CCl4或DMBA+HFD诱导的小鼠肝癌的数量和大小[37]。另有研究表明，诺氟沙星可有效减少患者小肠细菌过度生长和细菌易位；利福昔明可减少肝硬化患者自发性腹膜炎的发展。这显示出对鼠类模型HCC的有效性，但仍然需要进一步研究以明确。

4.3 粪便微生物抑制 粪便微生物抑制(FMT)最近已成为生物医学和临床医学的研究热点，也是对微生物群在多种疾病中作用的有效证明。近年来的研究发现，肠道微生物组提高了基于抗PD-L1的免疫治疗对抗上皮肿瘤的疗效，提示FMT可以用于治疗癌症[38]。此外，FMT可有效预防NASH进展及通过改善抗癌免疫反应，预防肝癌的发生[39]。

通过研究肠道菌群与肝癌关系，我们发现生物靶向治疗作为肝癌的辅助治疗成为一种可能。随着研究的深入，肠道菌群与肝脏之间的关系越来越清晰，为临床治疗提供更多选择。但是，两者之间具体的发病机制还有待研究，针对肠道菌群的治疗方法也存在许多需要完善的地方，有待进一步研究。