肠道菌群及其代谢产物在胶质瘤中的调控机制研究进展*

姜海啸，曾巍，张恒柱，卢光玉，李育平

225001 江苏 扬州，扬州大学临床医学院 神经外科 (姜海啸、曾巍、张恒柱、李育平)；225003 江苏 扬州，扬州大学 公共卫生学院 (卢光玉)

胶质瘤是成人颅内最常见的原发性恶性肿瘤，占颅内恶性肿瘤的81%，总发病率约为6.8/10万人[1]。根据病理、分子及基因突变等特征，可将胶质瘤分为多种亚型，其中胶质母细胞瘤最为常见(约占胶质瘤的49.1%)，其恶性程度高预后差，5年生存率仅5%[2]。有研究证实基因突变是胶质瘤形成的重要原因之一；此外，诸多因素已被证实与肿瘤的发生发展及预后密切相关，其中包括遗传、电离辐射(增加风险)和过敏史(降低风险)等[3-4]。近年来相关研究开始关注颅脑以外因素对胶质瘤微环境的调控机制，包括受试者易感性、环境和非遗传内源性因素[5]，并提出许多新的治疗方案[6]。尤其是关于肠道菌群、肠道微环境参与胶质瘤微环境调控机制的研究，该方向已成为当下研究的热点之一。

肠道微生物数量繁多数以万亿计，其种类包括细菌、真菌等，并携带大量的基因序列(约4×106个基因)[7]。多项研究表明，肠道微生物及其代谢产物除参与胃肠道自身调控外，还广泛地参与机体及中枢神经系统(central nervous system,CNS)的免疫调节及能量代谢。首先，肠道微生物参与肠道屏障的建立，包括黏液屏障、物理屏障和生物屏障。其次，肠道菌群参与物质代谢的调节，包括机体各种必需物质及能量的吸收，以及胃肠道微环境的调控[8]。第三，菌群可调控肠道局部和全身免疫，尤其在神经系统免疫功能的诱导、成熟中发挥重要作用[9]。

对于肠道菌群参与CNS功能调控方面，已有研究证实大脑和肠道之间存在着一个双向调控关系，即脑肠轴[10]。研究表明肠道菌群的紊乱与一系列CNS及胃肠系统疾病密切相关，例如帕金森、抑郁症、肠易激综合征等[11]。而肠道菌群的代谢产物也可参与多种CNS功能的调控，包括代谢、免疫、神经系统的发育等[12]。此外，胶质瘤虽然常局限于脑部且较少转移，但仍可被视为全身性系统疾病，与机体免疫系统及肠道微环境之间存在密切的联系。然而，菌群及其代谢产物对胶质瘤微环境中免疫应答及代谢的调控机制仍缺乏相关研究证实[13]。因此，本文将对肠道菌群及其代谢物参与胶质瘤进展的作用机制进行综述。

1 肠道菌群参与调控胶质瘤的增殖及免疫应答

近年来开展的胶质瘤荷瘤小鼠动物实验表明,肠道菌群的异常或失调与胶质瘤肿瘤细胞的生长和迁移存在相关性。有研究对胶质瘤小鼠模型使用抗生素(万古霉素和庆大霉素混合制剂)治疗后，显著地改变了肠道菌群的种类和组成结构。该研究结果表明，抗生素激活了小鼠脑组织中小胶质细胞的精氨酸酶1和P2RY12蛋白，促进炎症反应，并加速胶质瘤细胞的增殖[14]。另一项研究对比了胶质瘤荷瘤小鼠较健康小鼠肠道菌群发生的变化，结果发现其厚壁菌门/拟杆菌门比值显著降低，并在疣微菌门和阿克曼氏菌属的相对丰度方面表现出显著差异。由此可见，菌群丰度降低或结构失调与胶质瘤进展存在一定的相关性[15]。在临床管理中，研究表明可通过改变肠道菌群治疗诸如肥胖、糖尿病及老年痴呆等代谢病或慢性病[16]；那么我们能否通过改变胶质瘤荷瘤小鼠的肠道菌群来抑制肿瘤细胞的生长呢？目前相关的研究较少，需开展进一步研究明确及证实相关机制。Kim等[17]的研究表明肠道菌群代谢产物Compound k可抑制胶质瘤细胞上特异性趋化受体CXCR4的表达，进而抑制其介导的蛋白激酶C和细胞外信号调控激酶的激活，最终抑制基质细胞产生的生长因子1诱导的胶质瘤细胞迁移。胶质瘤微环境中存在大量的免疫细胞及功能性淋巴管，由其构成的淋巴网络功能障碍可促进胶质瘤的进展。由于肠道菌群本身可参与调控免疫细胞的发育和功能，同时其代谢物亦可影响淋巴网络的功能，因此菌群可直接或间接参与胶质瘤进展的调控[13]；另外，肠道菌群比例的失调能够诱导肿瘤微环境中的免疫应答处于抑制状态，从而增加了胶质瘤细胞的免疫逃逸进而加速胶质瘤的进展[13,18]。有研究报道肠道菌群失调可下调粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子信号的传导，使得骨髓来源的抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)明显增多，而MDSCs可通过产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)来抑制CD8 T细胞的功能，从而促进肿瘤的进展[19]；然而，在移植健康肠道菌群后，MDSCs介导的ROS生成及释放明显减少，因此其对胶质瘤生长的促进作用就会相应减轻[20-21]。

此外，菌群多样性的丧失同样会导致CNS中免疫功能的缺陷；研究指出当菌群的多样性下降时，会引起小胶质细胞的发育异常及功能缺陷[22]，从而促进以异常小胶质细胞为主的肿瘤相关巨噬细胞的增殖，最终促进胶质瘤的进展。因此，我们可以得到以下推论：调控或移植菌群有望通过调节免疫系统成为治疗胶质瘤的新手段。

2 肠道菌群调控激素分泌对胶质瘤的影响

肠道菌群可通过下丘脑-垂体-肾上腺轴直接影响激素分泌，亦可间接调节包括雌激素、胰岛素样生长因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、单胺类神经递质、瘦素和生长素释放肽等在内的多种激素；因此，一些学者甚至将肠道菌群称为内分泌器官[23]。由于人体激素对胶质瘤微环境的调控具有双向性，因此肠道菌群通过调节激素亦可对胶质瘤微环境产生双向调控作用。

雌激素已被证实参与了机体细胞的凋亡、神经元的迁移及分化成熟等重要生理过程。当雌激素被神经胶质细胞分解为2-甲氧基雌二醇后，能够通过激活JNK-c-jun信号通路促进胶质瘤细胞凋亡；此外，肠道菌群分泌的β-葡萄糖醛酸苷酶能够诱导已结合的雌激素解偶联，促使循环雌激素水平上升，进而抑制胶质瘤的进展[24]。生理状态下，IGF-1可作为促进和稳定新生血管生成及维持血脑屏障完整性的生长因子；然而，在胶质瘤微环境中，IGF-1却可促进胶质瘤细胞的增殖及肿瘤血管的生成。研究证实肠道菌群能够通过产生IGF-1激活PI3K/AKT信号通路诱导促凋亡的Bad蛋白中Ser136位点磷酸化，从而抑制胶质瘤细胞的凋亡，使得肿瘤细胞持续地分裂和增殖[25]。同时，IGF-1还能通过稳定血管内皮生长因子，促进肿瘤血管生成，进一步促进胶质瘤的发展。

除此之外，肠道菌群还参与了五羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)及多巴胺(dopamine,DOPA)的调节，并且这两种激素对胶质瘤细胞均具有双向调控作用。其中，90%的5-HT来源于肠道菌群的代谢；当过度分泌5-HT时，可通过激活蛋白磷酸化信号通路(MAPK和AKT)从而促进胶质瘤的增殖；然而，当5-HT分泌不足时，却能够通过减少肿瘤的血供从而抑制肿瘤生长。同样，DOPA既可通过结合多巴胺受体2激活表皮生长因子受体的表达促使蛋白激酶MAPK磷酸化，促进胶质瘤的进展；亦可与血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)相互作用诱导多种抗血管生成活动从而抑制肿瘤的增殖[26]。然而，目前对于肠道菌群在激素间相互作用的调节机制仍不明确，需进一步的研究证实。

3 肠道菌群代谢产物对胶质瘤的作用

在过去的15年中，研究发现肠道菌群产生的代谢物可以影响人们的诸多健康问题，例如糖尿病、心脏病和抑郁症等[16,27]。对于胶质瘤而言，其进展和机体的免疫状态及多种炎细胞因子密切相关，而肠道菌群所产生的代谢物可通过一系列的级联反应影响各个环节，尤其在免疫微环境、表观遗传修饰、能量代谢方面调控胶质瘤的生长及代谢[13,28-29]。人类肠道菌群产生的代谢产物数目和种类繁多，可分为两大类：1)短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFAs)，由乙酸(acetic acid,AA)、丙酸(propionic acid,PA)和丁酸(butyric acid,BA)等组成；2)非SCFAs菌群代谢产物，包括维生素、多酚和氨基酸等代谢物。

3.1 SCFAs对胶质瘤的调节作用

机体产生SCFAs的肠道菌群主要有拟杆菌、双歧杆菌、丙酸杆菌、乳杆菌、梭菌、Roseburia和普氏菌属。其中BA主要来源于Roseburia等菌群，而AA主要来源于双歧杆菌属。在生理状态下，SCFAs参与构建免疫屏障防止菌群和菌群代谢物移位，并参与调控血脑屏障(blood-brain barrier,BBB)的通透性[30]。在维持和稳定BBB方面，生理量的PA可保护BBB免受氧化应激损伤并降低细胞旁通透性[31],同样BA可降低BBB的通透性进而减少有害物质进入CNS[32]。对胃肠道而言，SCFAs还可通过调节紧密连接蛋白的表达来降低肠道黏膜的通透性，从而减少循环中肠源性细菌含量，维持正常的肠道屏障功能。此外，SCFAs可直接或间接地激活或抑制免疫细胞并调控炎症因子的释放。研究表明SCFAs可通过调控G蛋白偶联受体等调节免疫细胞的分化、募集和激活[28]，包括树突状细胞、中性粒细胞、巨噬细胞、单核细胞及T细胞。例如，SCFAs可通过GPR109A信号通路诱导调节性T细胞分化，并通过GPR41/43通路活化蛋白激酶的信号转导，从而增强免疫应答，维持肠道稳态[29]；另外SCFAs还可促进辅助性T细胞(helper T cell,Th)1和Th17细胞的生成，进而直接影响T细胞的分化和增殖，调节机体的适应性免疫反应[33]。同时，SCFAS也可促进某些炎症因子的释放从而激活机体免疫应答(包括IL-1β、IL-6和CXCL8/IL-8等)。

在胶质瘤中，SCFAs通过影响机体的免疫、血管生成、表观遗传学修饰来调控胶质瘤细胞的生长及代谢。小胶质细胞在CNS的免疫调节中发挥着重要作用，其可分为静息的小胶质细胞(M1型)和活化的小胶质细胞(M2型)[34]。在生理状态下这两种亚型的小胶质细胞处于动态平衡中。Dehhaghi等[21]通过动物实验证实由菌群产生的SCFAs能够打破这种平衡，使得胶质瘤组织中出现大量M2型小胶质细胞，抑制淋巴细胞增殖和T细胞分化，并显著地促进了胶质瘤细胞的增殖和迁移[35]。同时，Lisi等[36]的细胞实验表明由SCFAs激活的M2型小胶质细胞，通过分泌IL10、EGF和VEGF等细胞因子，促进胶质瘤的生长及肿瘤新生血管生成。此外，表观遗传修饰失调是胶质瘤进展的关键机制之一，菌群产生的SCFAs参与了组蛋白去酰化过程[37]，能够抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)的活性。研究表明，当HDACs的活性被抑制后能够显著降低肿瘤坏死因子-α和核因子NF-κB的表达，从而进一步抑制了胶质瘤的增殖和分化[13]。

3.2 非SCFAs菌群代谢物对胶质瘤的影响

除SCFAs外，由肠道菌群代谢产生的多种氨基酸对机体同样具有广泛的调节作用。其中，色氨酸作为必需氨基酸，是烟酸、氧化还原辅助因子NAD+/NADP+的重要前体。同时色氨酸是组蛋白去乙酰化酶活性的调节因子，可参与神经元凋亡调控，并可调节肿瘤细胞微环境中的分解代谢。此外，色氨酸衍生的吲哚及其衍生物亦可反向调节肠道菌群的稳态及细胞基因的表达。色氨酸可通过激活胶质瘤细胞中的芳基烃受体调节先天性和适应性免疫系统的功能，从而抑制胶质瘤微环境中的免疫应答，最终促进胶质瘤细胞的侵袭[21]。

谷氨酸作为酮戊二酸的重要来源，由短杆菌属产生，参与异柠檬酸脱氢酶1/2基因突变后的代谢过程及DNA的异常甲基化；即谷氨酸可通过影响表观遗传修饰失调程度调控胶质瘤的生长[13]；此外，减少谷氨酸的衍生物谷氨酰胺，以及甲硫氨酸、半胱氨酸等氨基酸的产生，可抑制肿瘤的自噬效应，降低肿瘤能量代谢进而限制胶质瘤的增殖[38]。

多胺及一氧化氮是精氨酸的衍生物，同样由肠道菌群代谢产生[39]。其中多胺可透过血脑屏障，通过上调鸟氨酸脱羧酶活性来诱导肿瘤细胞的增殖和转移。而一氧化氮则通过抑制JAK3-STAT5信号通路，干扰T细胞功能并诱导其凋亡[21]，促进肿瘤细胞的生长。

4 总 结

肠道菌群通过直接或间接影响激素分泌及免疫应答参与机体多系统的调节，并参与调控胶质瘤微环境中的多种应答反应。此外，菌群的代谢产物中SCFAs和氨基酸不仅参与胶质瘤免疫应答，同时还参与调控基因表观遗传学修饰。因此，肠道菌群及其代谢产物可作为抗胶质瘤治疗的潜在靶点，为抗胶质瘤治疗新靶点的发现提供思路及方向。

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