肠道菌群失调与结直肠癌关系的研究进展

孙中，艾江

【提要】 结直肠癌(CRC)是发生在人体下消化道结肠或直肠的恶性肿瘤。在世界范围内，其发病率和死亡率均位居癌症的前三位，对人类健康构成巨大威胁。CRC病因研究指出饮食、遗传、炎症等因素与其发病密切相关，近年来众多研究表明肠道菌群失衡在CRC的发生中可能发挥着重要作用，其可能通过肠道细菌对肠道上皮细胞DNA直接造成损伤、诱发肠管慢性炎症反应、干扰免疫反应信号通路诱导炎症因子释放或产生有毒代谢产物，影响CRC患者化疗药物疗效等作用促进肿瘤的发生。肠道菌群失调促进CRC发生具体的作用机制尚未完全阐明。本文通过查阅近几年相关文献并总结，就肠道菌群失调在结直肠癌发生和发展中的相关作用及机制进行综述。

肠道中有数以亿计的微生物，其中99%是细菌，肠道菌群参与宿主的能量代谢过程和调节免疫功能，并在其中发挥重要作用。肠道菌群微生态失衡对肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎症性肠病、相关肿瘤的发展具有促进作用[1-4]。相关研究指出，肠道菌群失调可能在结直肠癌(colorectal cancer，CRC)的发展中起重要作用[5]。本文通过查阅近几年相关文献并总结，就肠道菌群失调在CRC发生和发展中的相关作用及其机制进行综述。

1 肠道菌群概述

1.1 肠道菌群的分布特点及生理作用

人体内的众多微生物大部分存在于消化道中，尤其是下消化道。正常人体肠道内生活着不同类型、不同含量的细菌多达1×1014个，种类超过1 000种[6]。

由于消化道内各部位pH值和生理结构不同造成肠道菌群分布有横向及纵向差异。在横向上，因为pH值和食物停留时间不同，胃内细菌数量很少，总菌数0～103个，以需氧抗酸性细菌为主，如幽门螺杆菌、链球菌乳杆菌等。小肠pH值稍偏碱性且含有多种消化酶和胰液，肠道节律运动快，细菌多数被冲刷到回肠；空肠中主要以需型细菌为主，细菌数量约105个；向下至回肠细菌数量增，且厌氧菌为优势菌群，例如双歧杆菌、拟杆菌等，细菌总数约103～107个；结肠内菌量最多达1011～1012个，且98%以上为厌氧菌，细菌种类也达300多种，干大便近1/3的重量是由细菌组成[7]。纵向上，肠道内的细菌由外向内可分为三层，膜菌层：主要为厌氧共生菌，以乳酸杆菌和双歧杆菌为主；中间菌层：主要为厌氧菌，以粪杆菌、消化链球菌、伟荣球菌和优杆菌为主；腔菌层：为好氧和兼性好氧菌，主要为大肠杆菌和肠球菌[8]。

生物体内物质代谢与转化离不开正常肠道菌群的生物作用。正常肠道菌群能够参与合成如碳水化合物、蛋白质、脂肪及维生素，共同将初级胆汁酸转变为次级胆汁酸。肠道菌群分解食物能合成多种人体必需维生素,利用肠道消化作用后的蛋白质残渣合成非必需氨基酸,同时还能促进多种微量元素的吸收[9]。正常菌群通过与黏膜上皮细胞紧密结合占领肠道重要位置,阻止其他细菌在肠黏膜附着，并且正常菌群通过自身分泌细菌素类物质抑制或杀灭其他外来细菌。正常菌群还能增强宿主的黏膜反应,刺激机体免疫系统的发育成熟。更有研究证实,肠道内正常菌群的分布和存在还具有免疫佐剂活性作用[10]。Beno等[11]研究发现，肠道中的双歧杆菌和乳酸菌可通过抗氧化和调整神经内分泌-免疫系统而具有抗衰老作用。

1.2 肠道菌群失调的影响因素

研究指出人体年龄、饮食习惯、服用抗生素类药物、某些疾病状态均会影响肠道菌群微生态平衡，导致菌群失调的发生[12]。随着人们年龄的增长，肠道内菌群多样性会逐渐下降，主要表现为益生菌数量减少，老年性疾病的发生和机体功能退化可能是其主要原因[13]。饮食也是肠道菌群多样性的最重要影响因素之一，相关研究发现，饮食中含有过多脂肪对肠道菌群的破坏可以促进肥胖的发展[14]。

肠道菌群失调的另一种重要方式则是肠黏膜通透性发生改变时，肠道内细菌及其产物内毒素透过肠道黏膜屏障及血液转移到肠道以外的组织器官定植，进一步引发炎症和不良免疫反应[15]。在某些疾病状态如各种创伤、大出血、心源性或感染性休克发生时，机体会将血液主要供给给心、脑等重要脏器维持基本生命活动，肠黏膜及黏膜下层血流的减少使黏膜上皮细胞发生坏死无法及时修复等会造成肠道黏膜屏障通透性改变，为细菌移位创造条件[16]。

2 CRC患者肠道菌群改变

CRC人群与健康人群肠道微生物构成存在差异，在CRC患者中表现出明显菌群稳态失衡。Scanlan等[17]对CRC和肠息肉切除患者进行粪便菌群分析，观察到CRC及腺瘤性息肉病患者肠道中球形梭菌和柔嫩梭菌数量较正常人增多。Zare等[18]发现CRC人群肠道中出现拟杆菌门和普里沃菌属数量增多。Swidsinski等[18]亦发现CRC患者肠道中发生大肠埃希菌富集。周凯[20]通过基因测序方法发现，在肠道癌组织处肠道有益菌如产丁酸盐细菌相对丰度减少，条件性致病菌数量明显增多。

3 肠道菌群失调导致CRC发生的机制

3.1 致病菌通过菌体促肿瘤发生

1969年Aries等[21]首次提出肠道微生物与CRC间具有相关性，人体肠道中存在着多种共生菌,但只有大约10种微生物被认为是有促瘤作用的菌群。Abdulamir等[22]在小鼠模型中发现,牛链球菌能通过增加细胞增殖和诱导细胞因子和转录因子如白细胞介素1(interleukin-1，IL-1)、干扰素-g(interferon-g, IFN-g)、IL-8和核因子κB(nuclearFactor κB, NF-κB)的产生而促进癌前病变的发展,同时研究者发现牛链球菌壁提取的特异性抗原能通过过表达环氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)来促进人腺上皮细胞癌变。Huycke等[23]采用定量PCR技术鉴定发现，粪肠球菌数量在CRC患者中显著高于正常人，通过体内和体外实验发现该菌能产生细胞外超氧化物损伤结肠上皮细胞的DNA。Rubinstein等[24]发现具核梭杆菌可以改变肠黏膜上皮细胞内信号通路，细菌通过表达的表面粘附蛋白(FadA)与上皮钙粘附蛋白(E-cadherin)结合，激活β连环蛋白(β-catenin)信号，在不同程度上调节炎症和致癌反应。Drewes等[25]发现卟啉单胞菌可损害上皮细胞层的完整性及抑制细胞凋亡,还可通过提升一氧化氮合酶和肿瘤坏死因子-α(tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)的表达，增加肿瘤发生的概率。

3.2 细菌毒素作用

肠道菌群失调使肠道正常菌群占位抑制作用减弱，致菌群大量繁殖引起细菌毒素增加，同时炎症反应使肠道屏障功能的损伤会引起细菌毒素入血及非致病性细菌发生移位，进而诱导结肠癌的发生[26]。致病机制可能为通过产生的细菌毒素与模式识别受体发生特异性结合，如Nod样受体(nucleotide binding oligomerization domain-like receptors,NLR)和Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)，导致相应的信号通路被激活，出现肿瘤细胞增殖活跃、凋亡降低、侵袭转移能力增强等恶性生物学行为，使结直肠癌病情进一步恶化[27]。有研究证实,大肠杆菌毒素可引起DNA双链断裂、DNA修复不全和细胞周期阻滞，染色体发生畸变，进而导致癌症发生[28-30]。Toprak等[31]研究发现,脆弱拟杆菌分泌的脆弱拟杆菌毒素具有紧密连接特异性作用，能使动物小肠表面上皮细胞皱缩肿胀形态发生改变，致肠黏膜通透性升高，同时还能刺激肠上皮细胞(HT29、T84细胞和Caco-2)分泌IL-8，导致多形核白细胞聚集到肠黏膜下层，引起炎症反应，增加癌变风险[32]。空肠弯曲杆菌可产生一种基因毒素—细胞膨胀毒素(cytolethal distending toxin, CDT)具有DNA酶活性，可引起DNA双链断裂，研究者发现与未感染空肠弯曲杆菌小鼠相比，感染该菌小鼠肿瘤明显增大[33]。

3.3 炎症因子活化及免疫机制作用

肠道发生菌群失调后，肠道内有效的屏障功能会减弱，细菌移位概率增加。移位的细菌能介导慢性炎症发生，并刺激免疫细胞及其产生的细胞因子增多。研究发现，炎症过程中产生的细胞因子和趋化因子可促进肿瘤的增殖和存活，这些细胞因子包括TNF-α、IL-6、IL-17和IL-23等[34]。肠道微环境中这些细胞因子、生长因子可激活相关的信号通路，如转化生长因子β(transfroming growth foctor-β,TGF-β)、Notch、Wnt等，这将降低结肠黏膜上皮细胞的自我更新能力；激活转录因子NF-κB和STAT3，结肠组织免疫稳态发生失衡和组织修复减弱；激活通路MAPK和Akt/PKB，结肠细胞的有丝分裂能力受到影响[35]。

高丰度具核梭杆菌会使肠道上皮细胞TNF-α、β-catenin和NF-κB表达增加[36]，通过激活的NF-κB信号和STAT3信号通路使上皮来源的肿瘤细胞发生间充质化，进一步提升肿瘤细胞的迁移和侵袭能力[37]。产肠毒素类脆弱拟杆菌在肠道中过度繁殖可导致上皮促炎性因子的释放增多，炎症反应增强[38]，并进一步活化NF-κB信号通路[39]，刺激炎性细胞产生基质金属蛋白酶-9(matrix metallopeptidase 9,MMP9)，使细胞迁移能力增强[40]。Round等[41]发现约氏乳酸杆菌能增强炎性反应抑制性细胞因子IL-10与TGF-β的分泌,减少促炎因子IL-1b和IFN-γ的浓度,降低T细胞以及自然杀伤细胞的浸润,降低炎症反应程度以此减少CRC发生率。

3.4 细菌代谢产物和相关酶作用

肠道细菌参与了多种肠道物质的合成及代谢过程，代谢产物及相关酶又与肠道菌群共同参与了肠道微生态平衡的调节[42]。硫酸盐还原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)可还原硫酸盐产生硫化氢(H2S)气体[43]。硫化氢主要通过结肠黏膜炎症、诱导DNA损伤、结肠黏膜过度增生、自由基释放，并同时抑制细胞色素氧化酶、丁酸盐利用、黏液合成和DNA甲基化等机制促进结肠癌的发生发展[44]。高脂饮食条件下，肠道梭菌属代谢作用产生的次级胆汁酸具有影响有丝分裂过程作用，并诱导DNA损伤，提高结肠癌的发生概率[45]，主要通过诱导氧化应激反应、激活细胞因子NF-κB及表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)等途径促肿瘤发生[46-47]。肠道菌群发酵食物产生短链脂肪酸，短链脂肪酸家族中的丁酸盐被证实具有强大的抗炎和抗肿瘤能力[48]。Wu等[49]指出肠道中产生丁酸盐的柔嫩梭菌群减少会促进CRC的发生。肠道内微生物将某些植物来源的食物代谢有生物活性的化合物，如肠木脂素可能在癌症形成中起了一定的作用[50]。

除此之外，肠道菌群代谢产生相关酶同样在癌症的发生发展中具有一定影响，如精胺氧化酶、硝基还原酶、偶氮还原酶、β-葡萄糖醛酸酶、活性氧、活性氮等[51]，这些相关酶主要能够造成细胞DNA损伤、增加基因突变率以及激活致癌物来增加肿瘤发生风险[52]。戴起宝等[53]测定了结直肠癌灶黏膜组织中细菌β-葡萄糖醛酸酶活性，结果发现其活性较非结直肠癌人群显著增高。Geier等[54]发现正常肠道中的乳酸杆菌和双歧杆菌等可降低偶氮还原酶、硝基还原酶和β-葡萄糖醛酸酶的活性，从而使CRC的发生率下降。

3.5 影响肿瘤化疗疗效

CRC患者肠道菌群与化疗疗效具有一定相关性，肠道共生菌能够改变肿瘤微环境，提高机体对于寡核苷酸介导的肿瘤治疗和铂类化疗的疗效[55]。研究者发现，肠道共生菌群对化疗药物奥沙利铂、顺铂疗效有较明显的影响，奥沙利铂治疗的作用机制是通过细胞毒性杀死免疫相关细胞,增加活性氧族的分泌[56]。研究者观察到，肠道某些内共生菌如乳酸杆菌等数量减少，可导致化疗药物奥沙利铂的细胞毒性一定程度地下降，活性氧族分泌化疗效果也出现明显减弱[57]。Viaud 等[58]在使用环磷酰胺对黑色素瘤和非转移性的肉瘤进行化疗的模型研究中发现，因炎症及免疫损伤肠黏膜上皮细胞，肠道共生菌群革兰阳性菌可以通过其迁移进入二级淋巴组织脾脏和淋巴结中，促进辅助性T细胞17(T helper cell 17, Th17) 和记忆性Th1细胞的分化成熟，并促进IL-17和IFNγ的分泌，该作用提高了环磷酰胺的化疗效果。

综上所述，肠道菌群失调主要通过肠道细菌对肠道上皮细胞DNA直接造成损伤、诱发肠管慢性炎症反应、干扰免疫反应信号通路诱导炎症因子释放或产生有毒代谢产物或酶，影响CRC患者化疗药物疗效，进而对结直肠癌的发生和发展产生一定影响。目前已经较为明确的促肠道肿瘤微生物主要为产肠毒素大肠埃希菌、牛链球菌、产毒素脆弱拟杆菌、具核梭杆菌，抑瘤性微生物包括乳酸杆菌、双歧杆菌、鼠李斯特菌等。未来可能出现通过检测上述肠道菌群结构变化的技术方法来进行结直肠癌的早期筛查，为CRC的预防、及时诊断和有效治疗提供新标准和新途径。