肠道菌群在肝癌发生发展及治疗中的作用研究进展

卢 雨，王 昊，巴 乾

上海交通大学公共卫生学院，上海 200025

肝癌是常见的消化道恶性肿瘤类型之一，其中肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）是最常见的肝癌类型。在世界范围内，HCC 是第六大最常见的癌症，也是癌症相关死亡的第三大原因［1-2］。HCC是典型的炎癌转化的肿瘤类型，其发展遵循肝脏慢性炎症-肝纤维化-肝硬化-肝癌进程。由于肝癌的5 年生存率仅有18%，因此寻找更多新的和有效的治疗方法依然是当今科学需要探讨的内容［3］。肝脏和肠道通过门静脉、胆管和体循环进行双向交流，肠道菌群与肠道-肝脏之间的交互作用形成肠-肝轴，肠道菌群基于肠道与肝脏之间的交互循环，调节肝脏和肠道中的促炎性变化，进而影响肝纤维化、肝硬化和肝癌的发展过程［4］。本文旨在探讨肠道菌群与肝癌发生发展的关系和对肝癌治疗效果的影响，期望将相关的理论成果转化为实际的临床收益。

1 肠道菌群与肝癌

1.1 肠道菌群与肠-肝轴

肠道菌群是近年来医学领域研究聚集的焦点之一。目前肠道菌群大致可以分为3 种类型——有益菌、条件致病菌和致病菌群，其中绝大部分菌群如类杆菌属、优杆菌属、双歧杆菌属、瘤胃球菌属和梭菌属等都和人类宿主存在共生关系［5-6］。有益菌是有益的活性微生物，又常被人们称为益生菌，肠道内常见的有益菌包括双歧杆菌、乳酸菌等［7］。正常情况下，肠道内菌群维持一定的平衡状态，促进营养吸收进而调节机体的免疫和健康。但是当其寄生部位及环境发生变化时，某些条件致病菌如大肠埃希菌、变形杆菌等在肠道内大量繁殖导致肠道菌群失调从而引发机体疾病。条件致病菌与肝脏的变化密切相关，在酒精性肝炎及肝硬化患者中大肠埃希菌的丰度呈酒精依赖性升高，诱导肝脏环境向促炎型转化进而影响肝癌的发生［8］。常见的肠道致病菌包括金黄色葡萄球菌、溶血性链球菌、沙门菌等，它们通常竞争性抑制有益菌的繁殖并产生有害物质，是导致食源性肠道疾病及食物中毒的主要致病菌［9］。在健康的个体中有益菌和致病菌相互制约，维持肠道微环境中相对的菌群动态平衡。当肠道生态发生紊乱时肠道菌群会发生定性或定量的改变，破坏肠道屏障并增加肠道渗透性，从而引起机体代谢能力的变化，降低机体免疫力，导致炎症的发生。由此可见，肠道菌群通过调节人体免疫过程，进而控制机体的稳态［10］。

肝脏为人体内最大的合成代谢以及解毒器官，一方面来自肠道的营养物质以及肠道微菌群的代谢产物通过血液进入门静脉系统流入肝脏，另一方面肝脏的代谢产物通过胆管系统进入肠道，进而影响肠道菌群的定植环境。这种由肠道菌群与门脉系统、胆管系统组成的双向肠肝交流体系通常称为肠-肝轴，是肠道菌群与肝脏相互作用的生理学基础［11］。肝脏产物影响肠道菌群组成和屏障完整性，而肠道因子调控肝脏的胆汁酸合成和糖脂代谢。正常的肝肠循环和完整的肠道黏膜屏障是维持机体稳态的重要条件。当肠道菌群种类或功能失调时，将使肠道的通透性增加进而破坏肠道屏障的紧密连接，促进微生物代谢物进入肝脏，诱导胆汁酸代谢受损，促进全身炎症和肠道运动障碍［12］。

1.2 肠道菌群通过肠-肝轴影响肝癌的发生发展

肝癌常见于慢性肝病患者，多由经年的肝损伤、炎症进一步引发肝纤维化乃至肝硬化的恶性循环后果［13］。近年来，越来越多的研究显示，肠道菌群在肝癌的发生发展阶段中扮演着重要的角色。现有的观点认为，由肠漏、肠道菌群移位、生态失调等微生物相关分子模式 （microbiota-associated molecular patterns，MAMPs）引发的免疫反应与肠道菌群代谢是肠道菌群通过肠-肝轴促进肝癌发生发展的主要机制［14］。

肝炎是慢性肝病的主要表现形式。已知大多数慢性肝病患者的最终结局为肝癌，而肠漏和生态失调是慢性肝病患者机体内的两大主要特征［15］。肝脏不仅从肠道接收富含营养的血液，也是肠道微生物群、MAMPs 引发炎症反应首要的靶器官之一。一方面肠道系统的生态失调导致肠道屏障受损，另一方面更易渗透的肠道屏障使失调微生物群相关的细菌代谢产物更容易转移到达肝脏。肠道菌群及其代谢产物作为外界的刺激因子引起机体一系列的炎症反应，这也是肠道菌群参与免疫通路引起肝癌发生发展的基础［16］。在二乙基亚硝胺和四氯化碳诱导原位肝癌的动物模型中，脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）/Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）是促进肝癌发展的特异性通路。LPS 作为革兰阴性菌细胞壁的主要组成成分，通过激活TLR4 通路引发肝脏相关促炎反应，炎症反应分泌的细胞因子诱导肝星状细胞和Kupffer 细胞促纤维化［17］。

肝纤维化是肝脏长期损伤及炎症反应的常见病理结果，其中肝星状细胞活化是肝纤维化发生的中心事件。在一项针对非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）患者的调查中，患者粪便中的拟杆菌属和瘤胃球菌属的丰度明显增加。其中拟杆菌属丰度的改变和NAFLD 独立相关，瘤胃球菌丰度的增加和肝纤维化独立相关，这种菌群丰度随着病程进展程度的变化主要是通过影响机体内碳水化合物、脂质和氨基酸代谢实现的［18］。在肝脏损伤的应激反应中，肝损伤与肠道屏障缺陷和肝脏对细菌产物的接触增加有关。在静止的肝星状细胞中肠道菌群的产物LPS 能够特异性地上调TLR4 信号转导，增加趋化因子分泌并诱导Kupffer 细胞的趋化性使其不受限制地激活；该结论揭示了微生物-TLR4通路与肝脏促纤维化信号之间的新联系［19］。对基因敲除小鼠的研究也强调了TLR4 和其他重要介质在微生物诱导促肝纤维化中的关键作用［20］。

肝脏长期纤维化对肝细胞及肝脏血管造成不同程度的损伤，进一步发展为肝硬化和肝癌；而由于肠道和肝脏之间的相互作用，肝硬化及肝癌患者可能长期具有不平衡的肠道微生物组成。对肝硬化患者的肠道微生物群分析显示，其肠道内双歧杆菌的比例要低于健康人群。变形菌及肠杆菌属等致病菌过度增长，其中双歧杆菌在人体内充当有益菌，能有效降低肠道和血浆内毒素水平；而变形菌和肠杆菌属等能够引起肝损伤，并与血清中白细胞介素-6 （interleukin 6，IL-6）、肿瘤坏死因子-α （tumor necrosis factor-α，TNF-α）等炎症因子的水平相关［21-22］。胆汁酸来自肠道菌群的酶代谢，在肝脏中产生，对于维持肠道微生物群稳态、平衡脂质及碳水化合物代谢、胰岛素敏感性和先天免疫至关重要［23］。肝硬化及肝癌患者常表现为肠道菌群失调，肠杆菌属及梭状芽孢杆菌属细菌大量增加，进而产生大量的次级胆汁酸，胆汁酸反流回肝脏发生炎症反应。同时肝脏内法尼酯X 受体下调，相应的胆汁酸转运蛋白表达被抑制，随着胆汁酸的积累可持续造成肝细胞DNA 损伤、细胞凋亡和炎症，在此基础上促进肝癌的发生［24-25］。有研究表明脂磷壁酸（lipoteichoic acid，LTA）作为MAMPs 另一大主要组成部分，通过影响肝星状细胞参与肝脏肿瘤免疫微环境的调控。肠道微生物群通过转移革兰阳性菌的组分LTA 实现肝脏细菌移位，LTA 与Toll样受体-2 结合驱动环氧化物酶2 通路，并协同肥胖诱导的肠道菌群代谢物脱氧胆酸来上调肝星状细胞的衰老相关分泌表型因子的表达，促使衰老的肝星状细胞产生前列腺素-E2 来抑制抗肿瘤免疫反应，最终促进肝癌的发展［26］。在一项NAFLD 相关的HCC 研究中发现，高脂高胆固醇诱导的小鼠逐渐发展为脂肪变性、脂肪性肝炎、纤维化和NAFLD 相关肝细胞癌，其肠道菌群紊乱表现为粘螺菌、脱硫弧菌、厌氧菌和脱硫弧菌科依次增加，肠道菌群的代谢物也随之改变，表现为血清牛磺胆酸增加和3-吲哚丙酸减少，导致肝脏内三酰甘油的积累并抑制正常肝细胞的增殖，而抗胆固醇治疗恢复了肠道菌群失调并缓解了肝癌的进展［27］。

2 肠道菌群与肝癌的治疗

2.1 肠道菌群作为肝癌诊断治疗新靶点

多数HCC 患者诊断时常处于晚期，肠道微生物组可作为早期HCC 的理想生物标志物。某项前瞻性队列研究中，纳入了我国的75 例乙型病毒性肝炎感染的HCC 患者，以评估微生物组作为HCC 非侵入性生物标志物的潜力。在新疆和郑州的HCC 患者中，粪便微生物多样性从肝硬化到肝硬化早期HCC 逐渐增加，并在样本中鉴定了30 个微生物标志物特征。该项研究成功实现了HCC 生物标志物西北和华中地区肝癌的跨区域验证，揭示了肠道菌群作为生物标志物在早期HCC甚至晚期HCC的强大诊断潜力［28］。近来一项针对超重或肥胖胰岛素抵抗个体的临床试验结果表明，给予超重/肥胖的胰岛素抵抗症志愿者3个月的口服嗜黏蛋白阿克曼菌制剂作为补充，志愿者体内肝功能障碍和炎症的相关血液标志物水平明显降低，而整体肠道微生物组结构并未受到影响，由此可以推测这种方法也能够有效降低NAFLD 患者的HCC 风险［29］。鉴于肠道菌群在HCC 发展过程中的作用，其已经成为预防HCC的一个关键靶点。但目前结合癌症的手术疗法及放射治疗和化学治疗的研究证据不够充分，需要对更多不同地区和基础疾病的患者群体进行验证性研究。

2.2 肠道菌群在肝癌免疫治疗中的作用

由于HCC 恶性程度高，多数患者在就诊时已处于晚期阶段。随着免疫学及肿瘤学等学科的迅速发展，免疫治疗逐渐成为当今的研究热点。肿瘤的免疫治疗是指利用机体自身的免疫系统来抑制肿瘤免疫逃逸，进而恢复机体正常的抗肿瘤反应，达到控制和清除肿瘤目的的一种新型治疗方法，手段包括肿瘤疫苗、免疫检查点抑制剂、治疗性抗体、小分子抑制剂及细胞治疗等。免疫检查点抑制剂作为免疫治疗最主要的方法，也成为晚期HCC临床治疗的转折点。临床上常用的免疫检查点抑制剂主要为细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4 （cytotoxic T lymphocyte associated antigen 4，CTLA-4）抗体及程序性细胞死亡分子1（programmed cell death-1，PD-1）/程序性细胞死亡分子配体1（programmed cell death ligand-1，PD-L1）抗体，一方面增强CD8+T 细胞的细胞毒性作用，另一方面促进T细胞增殖，进而恢复机体免疫系统正常的抗肿瘤作用［30-31］。由于部分患者在治疗过程中出现原发性或获得性耐药，阻碍了免疫检查点抑制剂在临床的广泛应用。肠道菌群失调虽在肝癌的发生发展过程中起到一定的催化作用，但有大量的研究表明可以通过调控肠道菌群改善宿主对肿瘤免疫检查点抑制剂的反应来提高药物的抗肿瘤作用，因此调节肠道菌群可能会成为预防或治疗肝癌的一种更安全、低成本的潜在策略［32-33］。

调节肠道菌群是提高肝癌免疫治疗效果的重要手段。近来的研究表明，嗜黏蛋白阿克曼菌有望成为具有抗肿瘤活性的下一代益生菌。在一项针对HCC 晚期患者的队列研究中，给予患者定期抗PD-1抗体治疗，收集其粪便样本，进行宏基因组测序评估并分析肠道细菌特征的动态变化；结果显示，对抗PD-1 抗体治疗不响应的患者变形杆菌的数量增加，而对治疗敏感的患者肠道内嗜黏蛋白阿克曼菌及瘤胃球菌属的丰度呈现明显增长的趋势；该结果为开发新型的益生菌治疗也提供了一定的研究基础［34-35］。抗生素的合理使用在肝癌的细胞过继免疫治疗中也呈现出一定的抗肿瘤协同作用。γδT 细胞是一种直接靶向肿瘤的细胞，可以浸润到多种肿瘤组织中如B 细胞淋巴瘤、前列腺癌、乳腺癌、黑色素瘤等。自体和同种异体Vδ2Vγ9 T 细胞过继免疫疗法是广泛用于临床患者针对γδT 细胞免疫治疗的2 种方法，在人体癌症中疗效不如理论预期。但在动物肝肿瘤模型上发现，一定的抗生素能够使产生3-吲哚丙酸的肠道细菌增加进而增强γδT 细胞免疫疗法的效果，抑制肝脏肿瘤的进展［36］。粪便移植法作为新兴的技术，是将健康人类粪便中的功能菌群移植到患者胃肠道中以重建新的有益肠道菌群，调节肠道微生物组以减少某些细胞毒性代谢物或炎症介质的产生以及逆转肠道菌群的失调来抑制HCC 的发展。将对免疫检查点阻断治疗有反应的癌症患者的粪便微生物群移植到无菌或抗生素治疗的小鼠中，能够有效改善PD-1 阻断剂的抗肿瘤作用，而无反应患者的粪便微生物群移植并没有表现出相同结果［37］。粪便移植法虽然让人们看到了提高肝癌治疗效率的希望，但因多数患者对其的接受程度较低以及移植后不可预测的术后感染等局限性致使相关的研究较少，仍需要大量的临床证据证明其安全性及实用性［38］。

2.3 肠道菌群在肝癌非免疫疗法中的调节作用

益生菌可以通过多种机制降低HCC 的发病风险以及延缓HCC 的发生发展过程，如提高肠道有益菌的丰度使其产生具有肿瘤抑制活性的抗炎代谢物。LI等［10］的团队发现，Prohep 作为一种新的益生菌混合物（包括双歧杆菌、鼠李糖乳杆菌和嗜酸乳杆菌等）能够有效延缓肝脏肿瘤的生长，辅助性T 细胞17（T helper cell 17，Th17）及其产生的细胞因子白细胞介素-17（interleukin-17，IL-17）在肝脏肿瘤血管生成中起到促进作用，而益生菌Prohep 的补充可以通过下调IL-17及其主要生产者Th17细胞来抑制肝脏肿瘤内的血管生成，抑制肿瘤生长；同时转录组分析表明，益生菌将肠道微生物群落转向某些有益细菌如抗炎代谢物生产者普雷沃菌属和颤杆菌克属。在一项针对丙型肝炎病毒（HCV）阳性患者的实验中，益生菌FK-23（热处理的粪肠球菌）定期补充9 个月后肝损伤标志物谷丙转氨酶和谷草转氨酶明显下降，从健康人体内分离的青春双歧杆菌处理人类肝癌HepG2细胞可有效降低乙型肝炎病毒（HBV）病毒载量和细胞变性，这均在一定程度上证明了益生菌的抗病毒活性有助于通过预防慢性HBV 和HCV 感染来降低HCC 风险［39-40］。益生菌还可通过调节宿主基因表达来实现表观遗传调节，如富硒谷胱甘肽益生菌可激活沉默信息调节因子1 信号转导和减弱肝脏氧化应激、内质网应激和炎症反应以及丝裂原活化蛋白激酶信号转导，可有效减轻肝纤维化，以此预防肝癌的发生［41］。

肠道菌群在肝癌的化学治疗中也充当了必不可少的角色。多柔比星作为一种较为广谱的抗肿瘤药，常用于HCC 的治疗。研究显示姜黄素-锌复合物与多柔比星联合治疗通过影响肠道菌群的丰度，如降低厚壁菌门属、提高拟杆菌属的细菌种类，改善了肠道菌群的失衡状态，上调肠道紧密连接蛋白的分泌并增加了肠道绒毛中杯状细胞的数量，明显改善了小鼠肠道屏障完整性的退化，进而提高了多柔比星的抗肿瘤作用，证实了肠道菌群在增敏化学治疗药物联合疗效中的关键作用［42］。近年来，中药在逐渐应用于癌症的辅助治疗，越来越多的研究表明肠道菌群在调节中药对肝癌的治疗方面具有潜在价值。红花黄作为中药红花中的主要活性成分，通过调节炎症相关的肠道菌群丰度，促进肝细胞中的胶原蛋白降解，增强了肝脏免疫浸润［43］。人参皂苷Rg3 可视为一种自噬抑制剂，能够改善肝癌治疗中肠道菌群和新陈代谢之间的不平衡，恢复肠道菌群稳态，延缓肿瘤进展并显著改善肝癌治疗的预后效果［44］。胰岛素抵抗是NAFLD发病的关键因素之一，益生菌可以改善机体的肝胰岛素抵抗，与丹参多糖联合使用在NAFLD 进展为肝癌的过程中，呈现出明显的抗肿瘤协同作用［45］。机体的膳食摄入可以改变肠道菌群的状态，由饮食衍生的肠道菌群代谢物通过多种生物活性分子不断地与宿主进行相互作用，影响肝癌的发展。益生元作为一种膳食补充剂，其成分之一菊粉可直接作用于肠道菌群，由肠道菌群发酵成短链脂肪酸，显著提高了肠道菌群中双歧杆菌的丰度［46］。合理食用膳食纤维、维生素、ω-3多不饱和脂肪酸等营养素，是调节饮食-微生物群轴的有效方式，能够改变肠道菌群的组成，实现已知的抗炎和抗癌作用，但具体的个性化饮食方案与治疗方案相结合还需要进一步的研究［47］。

3 展望

基于肠-肝轴的特殊生理结构，我们总结了肠道菌群参与肝癌的发生发展过程中理论依据和研究进展，揭示了肠道菌群在调节机体免疫功能及代谢方面的巨大潜力。肠道菌群成为肝癌预防、诊断及治疗的潜在靶点。越来越多HCC 相关的临床试验目前正在招募患者，期望阐明如何利用肠道菌群来增强基于免疫的治疗策略，这将有助于我们了解微生物组在HCC 抗肿瘤免疫方面的作用。随着免疫治疗的不断发展，人们也逐渐认知到益生菌干预也有望成为改善肝癌免疫疗效的一种策略。但治疗策略不应只局限于基于免疫治疗的方法，我们同样论述了肠道菌群在化学治疗、中药辅助治疗及饮食等肝癌非免疫治疗方式中的重要价值。目前，关于益生菌及益生元补充剂的靶向机制、中药辅助治疗对调节肠道菌群的普适性、粪便移植安全性及接受程度等其他潜在方面研究有待开展和证实。期望在未来的研究中，能明确地阐述肠道菌群、肝癌及治疗三者间的关系，将基础理论转化为实际的临床应用。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors'Contributions

卢雨撰写并修改了此文；王昊、巴乾审阅了此文。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

The manuscript was drafted and revised by LU Yu. The manuscript was reviewed by WANG Hao and BA Qian.All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2022-03-02

·Accepted：2022-06-14

·Published online：2022-07-26