次级胆汁酸与短链脂肪酸对结直肠癌发生发展的影响

肖 昕, 孙建飞, 肖 刚, 郭 辉, 曹丽娟, 任玉静

(1.陕西中医药大学, 陕西 咸阳 712046 2.陕西中医药大学附属医院, 陕西 咸阳 712000)

结直肠癌(Colorectal cancer,CRC)发病率和死亡率呈逐年递增的趋势,是恶性肿瘤死亡的主要原因之一。据2008年中国癌症统计公报表明:我国结直肠癌的发病率、死亡率在世界恶性肿瘤中居于第三位及第五位,新发病例37.6万,死亡病例19.1万[1]。饮食对CRC发病影响至关重要,高脂饮食习惯和低膳食纤维含量的“西方”饮食会增加体内次级胆汁酸含量从而导致结肠炎症和肿瘤形成。而短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)作为肠道微生物群分解膳食纤维的一种代谢物,随着膳食纤维的摄入增加可有效预防结直肠癌变。目前国内外就次级胆汁酸和短链脂肪酸对CRC的影响及其关联性研究还不够深入,因此探讨次级胆汁酸和短链脂肪酸对CRC的影响因素及其后续防治意义至关重大。

1 次级胆汁酸与SCFAs

1.1次级胆汁酸产生、运输及代谢:次级胆汁酸由初级胆汁酸分泌,在肠道菌群代谢作用下进行7α-脱羟基作用分解所产生。初级胆汁酸是以肝细胞中胆固醇为主要原料直接合成的一种甾醇化合物。合成后的胆汁酸由甘氨酸或牛磺酸结合后排出并储存在胆囊中,再经回肠顶端钠依赖性胆汁酸转运蛋白(apical sodium-dependent bile salt transporter,ASBT)主动吸收及结肠的被动吸收进行重吸收,重吸收的胆汁酸在肠黏膜细胞内与回肠胆汁酸结合蛋白(ileal bile acid binding protein,IBABP)结合,并通过OSTα-OSTβ 转运系统转运至基底膜外侧并通过门脉血入肝脏完成“肠-肝循环”。只有5%的胆汁酸真正进入到结肠,并通过肠道菌群代谢,其中的初级胆汁酸如胆酸(cholic acid,CA)和鹅脱氧胆酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)则转化为次级胆汁酸:脱氧胆酸(deoxycholic acid,DCA)和石胆酸(lithocholic acid,LCA)。当两者水平升高,又会破坏肠道微生物平衡,损害肠黏膜,引发氧化应激反应,进而促使结直肠炎症和癌变的发生。

1.2SCFAs的组成及作用:SCFAs是一个具有1～6个碳键原子的羧酸,并由复杂的碳水化合物被肠道微生物区代谢成低聚糖并发酵形成。作为大肠内游离阴离子(SCFA-)的主要组成部分,SCFAs基本被肠黏膜直接吸收,且种类繁多,以丁酸盐、丙酸盐、乙酸盐为主,在人体肠道中占全部短链脂肪酸的比重超95%且达到50～200mmoL/L的总浓度。它们通过肠黏膜被有效吸收,并作为能量来源、基因表达调节剂和被特异性受体识别的信号分子对宿主生理学影响重大。丁酸盐作为结肠上皮细胞的主要能量源,低浓度会导致哺乳动物细胞和结肠癌细胞的分化。而短链脂肪酸作为健康和疾病中氧化还原信号的调节剂,尤其是丁酸盐,表现出与其氧化还原信号传导活性相关的抗炎和抗增殖特性。

2 次级胆汁酸、SCFAs影响CRC的相关因素

2.1肠道微生物群

2.1.1次级胆汁酸与肠道微生物群的稳态失调致使结直肠癌变:高脂肪饮食习惯不仅会引起肠道微生物群的紊乱、破坏肠屏障功能并诱导炎症,还会异常代谢出诸如次级胆汁酸等致癌产物,进而促使CRC形成。长期的高脂肪低纤维饮食人群,在其粪便中可明显检测到高水平的DCA、LCA,这些都使得CRC发病率显著提高。次级胆汁酸作为结直肠中一种肿瘤促进剂,当肠道微生物菌群长期暴露于其中,其细胞膜结构的相对完整性也会遭到一定程度的损害甚至导致肠道菌群死亡。一则临床研究发现[2],在通过对比正常人与CRC患者体内胆汁酸水平得出,CRC患者次级胆汁酸表达水平显著升高于正常人群(P<0.05),且癌变处的肠道微生物群受到显著改变(P<0.05),说明次级胆汁酸影响肠道微生物进而促进肿瘤的发生发展。另一方面,肠道微生物群能显著改变胆汁酸的理化性质,产生宿主核受体(法尼醇X受体、维生素D受体(VDR)、孕烷X受体)和G偶联蛋白受体5(TGR-5)的高亲和力配体,并激活一系列如JNK、ERK、Akt等信号通路。肠道微生物群失衡同样使得胆汁酸硫酸化降低,进而抑制其对FXR的激活。在一项动物实验中得出[3],在无菌(GF)和常规饲养(CONV-R)小鼠整个肠-肝系统的胆汁酸组成中CONV-R小鼠的鼠胆酸(啮齿动物体内的一种次级胆汁酸)水平显著降低。这些研究表明,肠道微生物群在调节次级胆汁酸代谢时,通过上调FXR来抑制肝脏中胆汁酸合成起到了重要作用。有研究证明7α-脱羟基梭菌的浓度在所调查的CRC患者粪便中均有所升高[4]。7α-脱羟基梭菌加剧了次级胆汁酸的异常分泌,增加了CRC发病率。由此看出,CRC的发生发展离不开次级胆汁酸与肠道微生物菌群两者的相互影响。因此,改变饮食习惯、减少高脂肪摄入、调节次级胆汁酸与肠道微生物之间的稳态平衡,可以有效预防结直肠炎症及癌变的发生。

2.1.2SCFAs与肠道微生物群对结直肠癌的影响:素食及其他高纤维饮食可以有效的预防CRC,SCFAs作为结肠微生物群酵解膳食纤维的产物,同样在预防CRC中起到了重要作用。在SCFAs中,属丁酸盐的含量最高。进入人体的膳食纤维经肠道微生物群利用,使得丁酸盐含量升高,减少亚硝酸盐的毒性从而降低癌变率。肠道微生物群失衡的显著特征便是丁酸盐及其代谢菌群的减少。有研究发现通过周期性的摄入酸奶可以有效增加肠道中的益生菌,显著升高SCFAs水平,进而加速结直肠癌细胞的凋亡[5]。研究指出,在丁酸衣原体的作用下,结直肠肿瘤细胞的增殖明显减少,同时还加速其凋亡。此外,丁酸芽孢杆菌抑制了Wnt/β-连环蛋白信号通路并调节了肠道微生物群组成。以及通过高脂肪饮食(HFD)诱导的APCmin/+小鼠,在丁酸梭状芽孢杆菌(丁酸盐的产物之一)的作用下显著抑制了其肠道肿瘤的发展。因此,丁酸梭菌在降低了粪便次级胆汁酸含量同时增加了盲肠SCFA含量,并激活了G蛋白偶联受体(GPR),说明丁酸衣原体可以通过调节Wnt信号传导和肠道微生物群来抑制肠道肿瘤的发展,从而证明了产生丁酸盐的菌群对CRC有着潜在抑制功能。

2.2对结直肠细胞增殖的影响

2.2.1次级胆汁酸促进结直肠癌细胞增殖:次级胆汁酸对结直肠癌细胞增殖的影响程度可以反映在其浓度变化上。低浓度DCA(5-50μmoL/L)通过反式激活表皮生长因子受体(EGFR)诱导COX-2表达,增强结肠癌细胞增殖和侵袭性;而在高脂肪饮食下,次级胆汁酸浓度可高达1mmoL/L,并通过激活蛋白1(AP1)和c-髓细胞瘤(c-Myc)靶向通路激活β-连环蛋白细胞信号、细胞外信号调节蛋白1和2(ERK1/2)信号通路,刺激结肠癌细胞增殖和侵袭性。另一方面,生理浓度(0.05～0.3mmoL/L)的次级胆汁酸(如DCA)会根据不同类型细胞不同程度的抑制结直肠细胞的增殖。具体来说,DCA和LCA主要通过产生细胞内活性氧(ROS)、基因组DNA断裂、激活ERK1/2、caspase-3和聚(ADP-核糖)聚合酶(PARP)来促进细胞周期停滞和凋亡,但降低了细胞周期蛋白E(CyclinE)的表达,从而抑制结肠细胞增殖[6]。此外,DCA激活细胞信号通路,导致对凋亡、血管生成、增殖和氧化应激的选择性抵抗。因此,次级胆汁酸暴露造成的反复DNA损伤,使得结直肠(和其他胃肠道)上皮细胞中的大量细胞代谢并诱导结直肠细胞癌变。

2.2.2SCFAs抑制结直肠癌细胞增殖:丁酸盐被认为是结直肠上皮细胞中对生长和分化最有效的SCFA。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性通过浓缩染色质包装抑制转录活性,导致肿瘤抑制基因(如p21)的表观遗传学介导沉默。而丁酸盐作为一种HDAC抑制剂(HDACI)强烈激活细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21的表达,并促进结肠癌细胞的细胞周期停滞、分化和凋亡,是一种潜在的抗肿瘤药物。丁酸盐被结肠上皮组织通过单羧酸转运体1和其他转运体选择性吸收,并满足能量平衡为结肠细胞提供约70%的能量;细胞内丁酸盐在低浓度(<0.5mmoL/L)时符合细胞的能量需求,并促进正常结肠细胞的增殖;当浓度超过其能量所需浓度(取决于细胞类型,范围:0.5～5mmoL/L)时,丁酸盐则充当组蛋白脱乙酰酶抑制剂(HDACi);此外,丁酸盐在生理浓度(0.5～5mmoL/L)时,以p53依赖和非依赖的方式诱导细胞周期停滞和凋亡。在0.5mmoL/L或更高的浓度下,丁酸盐通过增加抗转移基因(如金属蛋白酶)的表达和抑制促转移基因(如基质金属蛋白酶)的激活来抑制癌细胞的迁移和侵袭能力。尽管测试的每种SCFAs都显着降低了原发性细胞侵袭,但丁酸盐是最有效的。Wang[7]等将癌性HCT116结肠细胞暴露于生理相关剂量的丁酸钠(丁酸盐的一种),发现丁酸钠抑制NRF2/NRF2信号轴靶基因并阻断NRF2-ARE信号传导,证明丁酸盐通过调节KEAP1/NRF2信号传导并起到预防和治疗CRC的作用。另一项研究表明与短链脂肪酸联合放疗时,丁酸盐作为一种候选放射增敏剂可以在保护正常黏膜的同时增强放射治疗的疗效[8]。且丁酸盐不会增加辐射诱导的细胞死亡,也不会提高正常类器官辐射后的再生能力。由此可见,SCFAs对结直肠癌的治疗将成为未来新的研究方向。

2.3相关信号通路

2.3.1次级胆汁酸影响结直肠癌的相关通路及分子机制:CRC的发生过程循序渐进,包括从腺瘤到癌的一系列细胞突变,其中一些突变导致Wnt和凋亡信号通路的失控。在结肠肿瘤发生发展中,细胞对次级胆汁酸的反应包括激活Wnt和NF-κB信号通路,DNA氧化损伤和核分裂活性受损,从而导致结肠细胞过度增殖和侵袭。次级胆汁酸作用于癌细胞表面的TGR5或癌细胞细胞核内的VDR后,可激活各种信号通路,抑制癌细胞凋亡,诱导癌细胞周期的进展,增强癌细胞转移和侵袭的能力,并促进细胞向肿瘤干细胞(CSCs)的转化。此外,次级胆汁酸可以降低肝窦内皮细胞中趋化因子CXCL16的水平,从而抑制NKT细胞上CXCR6蛋白的积累。

作为对胆汁酸毒性浓度的响应,由FXR、VDR、PXR和CAR组成复杂的核受体网络协调胆汁酸摄取和解毒。一项对肠道肿瘤和其附近正常黏膜的研究指出,在从正常上皮向肿瘤转化上皮的转变过程中,FXR的表达显著减少[9]。FXR表达下调是引起结直肠炎症及肿瘤形成的重要因素。而应用FXR激动剂可维持干细胞的正常增殖及染色体的稳定性[10],上调促凋亡基因的表达,抑制CRC的进展。在Renga等的实验中,与WT小鼠相比,FXR-/-小鼠(FXR缺陷)表现出结肠炎和癌症风险的增加。证实结直肠癌细胞中FXR的激活抑制了结肠上皮细胞的增殖,并诱导了促凋亡基因p21,同时抑制了抗凋亡基因Bcl2。

2.3.2SCFA影响结直肠癌的相关通路及分子机制:丁酸盐在结肠上皮组织中发挥抗增殖和促凋亡作用的相关信号通路是最近研究的焦点。有研究指出,TGF-β/Smad3通路激活对结肠细胞促凋亡有着显著作用,而其通路的下调会导致癌症进展[11]。且丁酸盐的机制作用与TGF-β上调介导的Wnt通路有关,这也涉及到多种组蛋白乙酰转移酶中的任何一种,即cAMP反应元件结合蛋白(CREB)、CREB结合蛋白(CBP)或p300:CBP介导的Wnt信号与结肠细胞增殖有关,而p300介导的Wnt信号与分化更密切相关;因此,CBP-Wnt活性可能在癌症中占主导地位。随后,丁酸盐(或其他HDACis)对该通路的过度激活导致与结肠癌细胞凋亡有关的Wnt信号相关蛋白的转录增强。丁酸盐作为正常结肠上皮细胞的主要能量来源,并通过维持低水平的Wnt信号来支持细胞增殖[12]。因此,丁酸盐诱导的肿瘤细胞中Wnt信号的过度激活有望增加Wnt的活性水平,从而导致细胞凋亡;而胆汁酸对正常结肠细胞的刺激可能导致中等水平的Wnt活性,从而促进肿瘤细胞生长。

除了具有Wnt信号通路的激活突变外,癌细胞往往会异常代谢,增加对有氧糖酵解的依赖。这将使结肠肿瘤细胞会优先利用葡萄糖而非丁酸作为主要供能,并允许更多的丁酸盐作为HDACi发挥作用,刺激Wnt信号转导和诱导细胞凋亡。因此,经过丁酸盐处理的结直肠癌细胞中Wnt信号的过度激活是促使这些细胞高水平凋亡所必需的条件。然而,适度的Wnt活性也与癌细胞增殖相关,癌细胞可能逐渐对丁酸盐的作用产生抗药性。这种抗药性可以表现为从依赖β-连环蛋白的Wnt途径转变为不依赖于β-连环蛋白下游效应的修饰途径。总体而言,丁酸盐过度激活由于突变而表现出Wnt信号失控的结肠癌细胞系中的Wnt信号,这种突变是大多数结直肠癌类型的共同特征。因此,Wnt通路的过度激活与丁酸诱导的结肠肿瘤细胞的凋亡有关,这一作用可以解释丁酸盐对结肠癌的预防作用。

3 肠道微生物组将成为免疫治疗结直肠癌的新目标

多项研究证明,微生物群有望成为免疫治疗的新靶点。微生物群可以直接或间接激活和调节宿主的免疫系统,并且癌症免疫疗法对抗肿瘤的新思路,与微生物群的关系密切。近期一项研究表明,肠道微生物群可以与其宿主的免疫检查点抑制剂(ICI)协同作用,尤其是在增强程序性死亡1(PD-1)蛋白及其配体程序性死亡配体1(PD-L1)阻断治疗癌症的方面[13]。Montalban-Arques等[14]发现四种产丁酸梭菌:罗氏菌属、哈利氏真细菌、普氏杆菌和卡卡厌氧杆菌(CC4)可以预防CRC发展:补充CC4可增加肿瘤浸润IFN-γ+CD8+T细胞的频率和活性。另有研究发现,鸡乳杆菌可通过分泌一种保护性代谢产物吲哚-3-乳酸,促进CRC细胞的凋亡,从而阻止CRC的发生。总之,微生物的改造和应用对肿瘤免疫治疗有很大的贡献,不仅能提高疗效,还能降低副作用。同时,微生物群作为治疗靶点,在肿瘤治疗和预防中也发挥着重要作用。这些微生物组促进癌症和癌症免疫治疗的机制,还需要更多的理论支持和数据研究,但无疑是现代医学新的治疗方向。

4 讨 论

通过肠道微生物群、结肠细胞增殖、相关信号通路及分子机制等方面概述了次级胆汁酸与SCFAs对CRC的影响。总体而言,次级胆汁酸和SCFAs这两种肠道主要代谢物在结直肠细胞增殖中起到的作用既有相似点也有不同点。在低浓度下这些微生物代谢物可促进结肠细胞增殖,在高浓度时,次级胆汁酸和SCFAs通过共同或不同的分子途径抑制结肠细胞的增殖;以及这两者在长期的高生理水平上对结肠炎症及CRC产生相反的作用。通过文献总结,次级胆汁酸和SCFAs之间的关联可能通过改变结肠微生物群组成而发生。然而,哪些特定的生化途径可能导致胆汁酸和SCFAs信号之间的潜在关联仍需要进一步研究,因为它们的影响不仅基于浓度和持续时间,还取决于细胞类型。由于肠道微生物群失调会改变次级胆汁酸和SCFAs的产生,并促使结直肠炎最终形成恶性肿瘤,因此平衡营养摄入量与高纤维低饱和脂肪摄入量对于维持健康的肠道微生物群至关重要。

另一方面,在近期的不断研究下,微生物群和癌症免疫治疗已经逐渐临床上得到尝试,在临床研究中一些关于肠道微生物群在癌症免疫治疗中的初步报告表明,这将是对抗癌症的一种新的方法。因此,更多地了解这些微生物及其代谢产物的相互作用很可能在结直肠癌的预防和治疗方向有新的突破。