肠道菌群在结直肠癌中的作用机制及临床应用研究进展

韩晓东，黄天臣

（安阳市肿瘤医院普外科，河南 安阳 455000）

根据国际癌症研究机构的全球癌症统计估算，2018年全球结直肠癌新发病例约180余万例，位居恶性肿瘤发病谱的第3位（占总癌症病例的10.2%），因结直肠癌死亡约88万余人，位居恶性肿瘤死亡谱的第2位（占总癌症死亡的9.2%）［1］。结直肠癌的危险因素包括遗传因素和环境因素，如年龄、性别、肥胖、慢性炎症、缺乏体育活动和饮食等。大肠癌的发病机制，无论是先天性还是后天性，都是多因素、多步骤的。越来越多的证据表明，慢性炎症、宿主遗传易感性和环境因素与大肠癌的进展有关。在环境因素中，微生物在癌症生物学中的作用日益受到重视。大量的微生物，包括细菌、真菌和病毒，在肠道内定植并维持动态平衡。肠道微生物参与食物的消化和吸收，这也可以增强肠道防御功能，促进免疫系统的成熟［2-4］。当平衡被打破时，肠道微生物群的组成和功能改变可导致包括糖尿病［5］、肥胖［6］、神经退行性疾病［7］和癌症［8］等疾病的发生发展。近年来越来越多的研究表明，肠道菌群在大肠癌的发生发展及临床诊疗方面发挥着越来越大的作用［9-10］。随着人们对肠道菌群如何影响大肠癌的发生及发展的认识日益加深，对肠道菌群的检测及调控可为大肠癌的筛查、预防及治疗提供新的思路。本文将近年来有关肠道菌群在结直肠癌中的作用机制及临床应用的研究进展进行综述。

1 肠道菌群在结直肠癌中的作用机制

结直肠是人体最大的储菌库。在正常人体内，大肠的主要菌种相对稳定，无致病作用，即宿主、细菌及肠内生态环境呈平衡状态。肠道微生态失调将导致包括代谢性疾病、自身免疫性疾病、细菌感染、过敏性疾病及结直肠癌等的发生。肠道菌群在大肠癌多阶段的发生发展过程中发挥的作用近年来越来越受到人们的重视。Yu等［11］对中国74例大肠癌患者的粪便和54例健康人群的粪便进行了宏基因组测序，结果表明中国人群中大肠癌患者粪便菌群多样性降低，有益菌减少，有害菌增多，以口腔致病菌为主的21种细菌丰度显著升高，对来自丹麦的16名大肠癌患者和24名健康人群进行了验证也发现大肠癌相关的菌群改变。Nakatsu等［12］对健康对照、腺瘤及大肠癌运用16S的测序分析发现，从正常、癌前病变到癌变过程中，随着疾病的进展，肠道菌群间的相互关系逐渐复杂化，有些细菌是呈递增性的改变，有些细菌是下降甚至是消失的。这表明在大肠癌的发生发展过程中，细菌的改变可能起到一个驱动作用。近年来研究发现，肠道菌群可能通过影响炎症、免疫调节及DNA损伤等方面影响结直肠癌的发生发展。

1.1 炎症慢性炎症被认为是癌症发展的标志之一。16SrDNA测序显示，炎症改变了易患结肠炎的IL-10缺陷小鼠的肠道菌群组成，将肠道菌群确定为影响大肠癌进展的炎症的靶标，这表明结肠炎通过改变肠道菌群和诱导具有遗传毒性能力的细菌的扩张来促进肿瘤的发生［13］。炎症性肠病可增加结直肠癌风险，靶向炎症的抗肿瘤坏死因子疗法可治疗结肠炎，在一些研究中也显示出减少结直肠癌风险的作用。Yang等［14］研究表明，抗肿瘤坏死因子疗法能通过修正菌群在结肠炎相关的癌变过程中的变化，使其恢复到非致癌的状态，发挥预防结直肠癌的作用。Wong等［15］用来自大肠癌患者和健康人的粪便样本喂养无菌小鼠和低菌鼠，发现用结直肠癌患者粪便喂养的无菌和常规小鼠与对照组的小鼠相比，息肉数量、肠道异型增生水平、炎症标志物以及结肠中Th1和Th17细胞的比例都有所增加。这表明大肠癌患者的粪便微生物群可以促进无菌小鼠和低菌鼠的肿瘤形成。通过对此实验的分析表明大肠癌粪便的粪菌移植之后可以激活肠黏膜的免疫，诱发炎症反应，促进上皮细胞增殖，从而起着促癌的作用。

1.2 免疫调节肠道菌群是一个具有高度复杂性和多样性的生态系统。越来越多的研究表明，肠道菌群在调控人类的生理功能中扮演着不可或缺的重要角色，特别是在调节宿主的免疫系统方面起到了关键作用。肿瘤浸润性淋巴细胞有助于人类结直肠癌的生存，他们招募背后的趋化因素仍然不确定。Cremonesi等［16］研究了吸引T细胞进入人大肠癌的趋化因子，结果表明肠道中的微生物可以诱导趋化因子（如细胞毒性T 淋巴细胞和 Th1 细胞的 CCL5、CXCL9 和CXCL10，以及产生IL-17的Th细胞的CCL17和CCL20）将T细胞招募到肿瘤中。研究表明，肠道中特定的细菌，如具核梭杆菌会选择性地募集具有免疫抑制作用的骨髓源细胞，从而促使肿瘤免疫微环境呈现高度抑制性，抑制毒性T细胞的杀伤肿瘤作用，导致针对结直肠癌的免疫治疗效果不佳。由此提示，通过调控肠道菌群，选择性地清除促进肿瘤发生的细菌，可为肿瘤免疫治疗提供一个有利的微环境［17］。

1.3 DNA损伤人类基因组经常暴露在外源性和内源性DNA损伤因子中，这些因素经常导致DNA损伤。除非修复，否则受损的DNA可能会导致有害的突变，从而导致恶性转化。细胞的DNA损伤应答（DNA damage response，DDR）通路参与处理内外源因素所致的DNA损伤，以维持遗传稳定性，减少癌变。DDR活化可诱导在细胞表面生成NKG2D配体。NKG2D主要在NK细胞、NKT细胞、γσT细胞、CD8+T细胞表面表达，作为一种激活性受体介导以上免疫细胞活化进而杀伤靶细胞。NKG2D可以识别MICA／B，是目前为止在体内发现的唯一可以与MICA／B识别的受体，通过使效应细胞活化而引起靶细胞分解。肠道菌群失调时，细菌生成的基因毒素增多，并诱导免疫炎症反应，导致宿主细胞DNA损伤，从而使宿主细胞DDR通路活化、NKG2D配体表达增加，引起持续的炎症反应，可能参与了自身免疫病和结直肠癌的发病［18］。

2 肠道菌群在结直肠癌中的临床应用

随着我们对肠道菌群研究的不断深入，其最终目的还是应用于临床实践，越来越多的关于肠道菌群的研究为结直肠癌的诊断、筛查、预防、治疗及预后评估等提供了理论依据。

2.1 诊断及筛查早期诊断率低是导致结直肠癌患者死亡的重要原因之一，因此，早期筛查诊断尤为重要。加强对结直肠癌患者的早期诊断及治疗是降低患者死亡率、改善患者预后的关键。Xie等［19］采用实时荧光定量PCR法对781例受试者（对照组242例，大肠腺瘤212例，早期大肠癌109例，晚期大肠癌218例）的共生梭菌相对丰度进行检测，与具核梭杆菌、粪便免疫化学试验（fecal immunochemical test，FIT）和癌胚抗原（carcinoembryonic antigen，CEA）比较预测的准确性，并在256名受试者的独立队列中进行验证。结果表明共生梭菌是一种很有前途的大肠癌早期非侵入性检测的生物标志物，比具核梭杆菌、FIT和CEA更有效，将共生梭菌与FIT或CEA联合应用可提高检测筛查效果。结直肠腺瘤是结直肠癌的癌前病变，为观察结直肠癌早期发展的关键事件提供了一些方法和思路。肠道微生物群在腺瘤和癌发生发展中的变化和作用也被广泛探讨，并强调了其对癌变的影响。Kim等［20］研究纳入102例高危腺瘤患者、102例健康对照以及36例结直肠癌患者，收集其粪便，并检测粪便代谢组学特征和肠道菌群。该研究发现，与对照组相比，腺瘤患者粪便中多种类型的生物活性脂类，包括多不饱和脂肪酸、次级胆汁酸和鞘磷脂升高，且多不饱和脂肪酸和鞘磷脂在结直肠癌患者中进一步升高。这项研究强调了在结直肠癌发病机制中潜在的早期驱动代谢物，从而为开发更好的结直肠癌早期筛查标志物提供了重要的思路。关于生物标志物在队列和人群中的可重复性仍然存在疑问，Thomas等［21］对5个公开可用的数据集和两个新的队列进行荟萃分析，寻找通用的结直肠癌肠道菌群标志物，并在2个额外队列中进行验证，共涉及969个粪便宏基因组，结果表明结直肠癌肠道菌群比对照具有更高的丰富度，菌群功能中，糖异生、腐败和发酵通路与结直肠癌相关，而水苏糖和淀粉降解通路与对照相关。该研究再次证实了，不同人群中的结直肠癌菌群特征存在异质性，但综合分析多个队列获得的菌群标志物，能提高诊断准确性。这些发现对于用菌群标志物进行疾病诊断以及研究菌群成员在结直肠癌中的潜在作用均有参考价值。

2.2 预防及治疗结直肠癌目前的治疗包括手术、化疗、放疗、靶向治疗、生物治疗及基因治疗等方法。肠道菌群在结直肠癌防治中的作用及对常规治疗方式的影响越来越受到人们的重视。碾米过程的副产品米糠，在很多时候被利用的并不好，有研究发现，它可通过调节肠道菌群以减少大肠癌的发生［22］。饮食对结直肠癌的危险性有重要影响。过多动物性蛋白质和脂肪的摄入（特别是红肉和加工肉类），产生过多的次级胆汁酸和硫化氢，导致屏障功能障碍、炎症、DNA损伤、基因毒性等，或可增加结直肠癌风险。膳食纤维产生短链脂肪酸，如丁酸通过细胞代谢、菌群内稳态、抗增殖、免疫调节和遗传／表观遗传调控调节等途径，发挥抗炎和抗肿瘤作用，保护结肠上皮细胞。为了减少结直肠癌的风险，预防结直肠癌的发生，应该采用富含纤维的均衡饮食［23］。新橙皮苷是一种柑橘类水果提取物，可能对多种疾病有着治疗及预防的效果。Gong等［24］研究发现，在结直肠癌小鼠模型中，新橙皮苷可通过改变肠道菌群组成而抑制结直肠肿瘤发生。服用阿司匹林与结直肠癌风险降低相关。Prizment等［25］进行了一项随机双盲安慰剂对照试验，50名中老年受试者每日分别口服阿司匹林或安慰剂，干预6周后两组受试者的粪便菌群组成存在显著差异，且口服阿司匹林可改变部分结直肠癌相关菌群的丰度，提示阿司匹林或可通过调控肠道菌群以降低结直肠癌风险。

肠道正常菌群和机体健康息息相关，利用肠道菌群内在的可调节性可以开发出用于治疗目的的益生菌制剂。研究显示，益生菌制剂对代谢综合征、溃疡性结肠炎、过敏、抗生素相关性腹泻、肠易激综合征等具有明显的治疗作用。最近的一份报告表明，通过摄入特定的益生菌来适当调节肠道微生物区系，可能有助于防止结直肠癌的形成［26］。Wang等［27］研究发现在结肠炎和结直肠癌患者和小鼠粪便中，嗜黏蛋白艾克曼菌（Akkermansia muciniphila，AKK菌）丰度显著降低，口服巴氏灭活的AKK菌或其外膜蛋白Amuc-1100可减少巨噬细胞和细胞毒性T淋巴细胞的结肠浸润，改善小鼠结肠炎，AKK菌和Amuc-1100可增加结肠和肠系膜淋巴结中细胞毒性T淋巴细胞的数量，上调其TNF-α表达，抑制PD-1表达，提高其活化程度，对小鼠结肠炎相关结直肠癌起抑制作用。益生菌加氏乳酸菌505和一种新的益生元三鸦叶提取物在发酵乳中的合生制剂组合（fermented CT，FCT）在体外显示出免疫调节作用和抗氧化活性，但这些活性尚未在体内得到充分验证。Oh等［28］探究了加入FCT的发酵奶对AOM／DSS诱导的小鼠结肠炎相关结直肠癌的抗癌作用。该研究发现，FCT通过调节炎症、肿瘤发生和肠道微生物群的组成变化降低结直肠癌风险，从而显示出抵抗癌症的作用。后生元是源自微生物的生物活性分子，包括灭活微生物细胞、细胞碎片或代谢物等，当给予足够量时，可赋予宿主健康益处。后生元由于具有抗氧化、抗增殖、抗炎和抗癌活性，可以调节肠道微生物区系的组成和免疫系统的功能，提高结直肠癌的治疗效果，减少结直肠癌患者的副作用［29］。结直肠癌肝转移是大肠癌患者的主要死亡原因，但目前尚无满意的治疗方法。Ma等［30］在结直肠癌肝转移小鼠模型中使用菌群发酵的主要产物丁酸钠干预，丁酸钠抑制了肿瘤细胞的肝转移率，并改善CLM小鼠的菌群失调，包括降低致病菌的丰度、增加短链脂肪酸产生菌等有益菌的丰度，另外，丁酸钠还使CLM小鼠肝脏T调节细胞减少，自然杀伤T细胞和辅助性T细胞增加，相应地降低了IL-10，增加了IL-17的分泌，改善CLM小鼠肝脏中的抗肿瘤免疫应答。针对肠道微生物区系的失调可能为CLM治疗开辟新的机会。一些研究发现，传统的肠道准备方法可能加重肠道菌群的紊乱，破坏肠黏膜机械屏障。结直肠癌患者围手术期接受益生菌治疗，可改善肠道微生态环境，保护肠道黏膜屏障，加速患者术后康复［31］。当然后续关于益生菌在结直肠癌中的临床应用还需要在大样本多中心的临床试验中加以论证。

此外，肠道菌群也被报道与结直肠癌化疗耐药存在相关性。化疗失败是结直肠癌患者复发和预后差的主要原因之一。氟尿嘧啶是结直肠癌一线治疗药物，个体间疗效差异大，肠道菌群可能是个体差异的源泉。Scott等［32］采用大肠埃希菌和秀丽线虫做可示踪的遗传学模型进行三向高通量筛选，结果表明肠道菌群可以通过包括细菌维生素B6、B9和核苷酸代谢的代谢性药物相互转换增强或抑制氟尿嘧啶的作用。在化疗后复发的大肠癌患者的癌组织中，发现具核梭杆菌的丰度占优，并与患者的临床病理特征相关。通过生物信息学和功能分析发现具核梭杆菌靶向TLR4、MYD88先天免疫信号和特定的微小RNA，激活自噬通路并改变大肠癌的化疗响应，从而促进结直肠癌对化疗的耐药，未来可通过检测和靶向具核梭杆菌及相关信号通路，对结直肠癌的诊疗提供新的思路，并可能改善结直肠癌患者的预后［33］。

2.3 预后评估结直肠癌目前仍缺乏特异性及敏感性较强的预后评估分子标志物。Wei等［34］采用16S基因测序的方法对不同预后的肿瘤组织进行了微生物区系分析，发现结直肠癌预后较差患者肿瘤组织中的具核梭杆菌与脆弱拟杆菌丰度较高，预后较好患者的普拉梭菌丰度较高；为进一步探讨所发现细菌的预后价值，采用Kaplan-Meier和Cox回归分析，结果显示，具核梭杆菌与脆弱拟杆菌的高丰度是患者生存不良的独立指标。肠道菌群的研究为探索结直肠癌的预后评估标志物提供了新的思路。

肠道菌群在结直肠癌中的作用研究是一个新兴的研究领域。近年来，随着测序技术及动物模型试验的大量开展，人们对肠道菌群在结直肠癌中的重要性的认识逐渐增长。尽管在研究肠道菌群影响结直肠癌发生发展机制方面取得了部分进展，但是大部分研究还处于试验阶段，还需要转化医学研究发现实验研究机制与人类结直肠癌之间的更多关联，从而为寻求结直肠癌新的无创诊断标志物及治疗方法提供更多的理论依据。