腸道菌群失調(diào)與結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展之間關(guān)系的研究進(jìn)展

王 生，黃曉星，余鵬飛，徐小濤，王一飛，劉 莉，3，梅其炳，3

(1.中國醫(yī)藥工業(yè)研究總院，上海 200040;2.上海醫(yī)藥工業(yè)研究院創(chuàng)新藥物與制藥工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437;3.上海市生物物質(zhì)成藥性評(píng)價(jià)專業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，上海 200437;4.第四軍醫(yī)大學(xué)西京消化病醫(yī)院，陜西西安 710032)

隨著2007年NIH人類微生物組項(xiàng)目(Human Microbiome Project，HMP)和2008年歐盟“人類腸道元基因組計(jì)劃”(Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT)的啟動(dòng)，腸道菌群在生命活動(dòng)進(jìn)程中的作用已經(jīng)成為國際研究的熱點(diǎn)。腸道菌群穩(wěn)態(tài)在促進(jìn)宿主營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收、維持腸道正常生理功能、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫以及拮抗病原微生物定植等方面有重要的生理意義［1］。一旦腸道內(nèi)環(huán)境發(fā)生改變，腸道菌群平衡狀態(tài)被破壞，則引發(fā)消化系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等。其中，結(jié)腸癌的發(fā)生、發(fā)展與腸道菌群失調(diào)之間的關(guān)系及其作用機(jī)制是我們課題組關(guān)注的主要問題。

流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌高發(fā)區(qū)與低發(fā)區(qū)人群腸道菌群組成方面有很大差異，不同飲食習(xí)慣的人群，腸道菌群構(gòu)成截然不同，同樣地，患結(jié)直腸癌的危險(xiǎn)性也不同，提示腸道菌群的變化與結(jié)直腸癌的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)［2］。首先，在結(jié)腸部位腸道菌群分布密度最高，腸道菌群穩(wěn)態(tài)一旦失衡，對(duì)于結(jié)腸疾病的發(fā)生具有非常重要的誘導(dǎo)作用。其次，腸道菌群失調(diào)引起腸道膽汁酸代謝紊亂、短鏈脂肪酸含量減少、腸黏膜免疫功能失調(diào)，促進(jìn)結(jié)腸上皮增生和對(duì)致癌物的易感性增加;同時(shí)，膽汁酸在腸道細(xì)菌的作用下產(chǎn)生環(huán)戊烯菲的致癌代謝物，增加腸胺濃度，引起結(jié)腸癌的發(fā)生。目前，針對(duì)兩者之間關(guān)系的研究已經(jīng)取得部分進(jìn)展，但是，對(duì)腸道菌群失調(diào)的引發(fā)因素、腸道菌群失調(diào)引發(fā)結(jié)腸癌的分子機(jī)制尚無系統(tǒng)明確的認(rèn)識(shí)。對(duì)于能否通過調(diào)節(jié)腸道菌群的失衡狀態(tài)達(dá)到防治結(jié)腸癌的目的，仍需要開展大量的研究工作。本文就近年來國內(nèi)外有關(guān)這方面研究的熱點(diǎn)、關(guān)注的問題及發(fā)展的前景作一綜述，為結(jié)腸癌研究工作者及臨床醫(yī)生提供借鑒。

1 腸道菌群失調(diào)方式及引發(fā)因素

研究資料表明，腸道菌群失調(diào)包括腸道菌群種類、數(shù)量的改變，同時(shí)腸道菌群移位也是腸道菌群失調(diào)的重要方式。腸道菌群是一個(gè)龐大復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，在健康狀態(tài)下，益生菌和致病菌保持平衡狀態(tài)，但機(jī)體的內(nèi)、外環(huán)境發(fā)生變化，益生菌通過基因轉(zhuǎn)移作用轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏【瑢?dǎo)致益生菌種類(Tab 1)、數(shù)量減少，致病菌(Tab 2)則趁機(jī)大量繁殖，進(jìn)而引發(fā)菌群失調(diào)。另一種方式則是腸道內(nèi)細(xì)菌及其產(chǎn)物L(fēng)PS透過腸道黏膜屏障轉(zhuǎn)移到腸道以外的組織器官甚至血液，進(jìn)一步引發(fā)腸道菌群失調(diào)［3］。

Tab 1 Main probiotics in intestinal［4］

1.1 腸道菌群構(gòu)成改變引發(fā)菌群失調(diào) 腸道菌群的穩(wěn)態(tài)很大程度上依賴于腸道菌種類和數(shù)量的相對(duì)穩(wěn)定，但是宿主年齡、飲食、抗生素類藥物、某些疾病狀態(tài)均會(huì)影響腸道菌群的構(gòu)成，進(jìn)而引發(fā)菌群失調(diào)。老齡階段，腸道菌群多樣性逐漸衰退，益生菌數(shù)量減少，可能與機(jī)體功能退化和老年病高發(fā)生率有一定的關(guān)系。除了年齡因素，飲食是決定腸道菌群多樣性的最重要因素之一，Hekmatdoost等［6］發(fā)現(xiàn)，高脂肪飼料喂養(yǎng)的小鼠，糞便中擬桿菌門數(shù)目增多，而益生菌數(shù)目減少。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食可使大鼠腸道乳酸桿菌和雙歧桿菌明顯降低，擬桿菌門和梭菌屬菌落增多［7］。

Tab 2 Main pathogenic bacteria in intestinal［5］

某些疾病狀態(tài)與腸道菌構(gòu)成的改變關(guān)系十分緊密。Turnbaugh等［8］對(duì)肥胖和正常的同異卵雙胞胎腸道微生物宏基因組測序發(fā)現(xiàn)，肥胖個(gè)體中厚壁菌門比例明顯上升，而擬桿菌門則明顯降低。Larsen等［9］發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者腸道中的厚壁菌門和梭菌的比例要比正常人高得多，β-變形菌綱的比例也明顯升高，而雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量減少，并與血糖濃度相關(guān)。除了疾病因素引發(fā)菌群失調(diào)，Edlund等［10］發(fā)現(xiàn)，青霉素類藥物可以引起具青霉素抗性的腸桿菌過度生長，而頭孢類藥物則會(huì)減少腸桿菌的數(shù)目，造成腸球菌的生長旺盛。

1.2 通過腸道細(xì)菌移位引發(fā)菌群失調(diào) 正常狀態(tài)下，腸道菌群分布在消化道內(nèi)，但是在腸道黏膜組織損傷情況下，黏膜上皮細(xì)胞的通透性增加，會(huì)引起細(xì)菌移位的發(fā)生，最終導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)。各種創(chuàng)傷、大出血、心源性或感染性休克發(fā)生時(shí)，機(jī)體為保護(hù)心、腦等重要臟器，血液重新分布，腸黏膜及黏膜下層血流減少，黏膜上皮細(xì)胞壞死，為細(xì)菌移位創(chuàng)造了條件。此外有研究報(bào)道［11］，腸黏液中分泌型免疫球蛋白sIg A減少是導(dǎo)致細(xì)菌移位發(fā)生的重要原因。大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)［12］，多種細(xì)胞因子如C干擾素(INF-C)、白介素4(IL-4)、腫瘤壞死因子A(TNF-A)、血小板活化因子(PAF)、氧自由基等均能增加實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腸上皮細(xì)胞的通透性，促進(jìn)腸道菌移位。

2 腸道菌群失調(diào)與結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)

諸多研究證實(shí)，結(jié)腸癌人群與健康人群腸道微生物構(gòu)成存在差異，表現(xiàn)出明顯菌群穩(wěn)態(tài)失衡。Scanlan等［13］對(duì)結(jié)直腸癌和腺瘤性息肉病患者腸道菌群構(gòu)成進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌及腺瘤性息肉病患者腸道菌群多樣性和優(yōu)勢(shì)菌群降低，但柔嫩梭菌和球形梭菌明顯增加。Sobhani等發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌人群中腸道擬桿菌門和普里沃菌屬較健康對(duì)照組增多。同時(shí)有研究表明，腸道菌群組成在腸息肉和結(jié)腸癌病人惡性轉(zhuǎn)化發(fā)生之前和早期已經(jīng)發(fā)生改變，提示腸道菌群結(jié)構(gòu)組成的改變可能對(duì)結(jié)腸癌的發(fā)生有促進(jìn)作用。目前，已知的可能與結(jié)直腸腫瘤有關(guān)的腸道菌株主要有擬桿菌屬的某些種(如脆弱擬桿菌、多酸擬桿菌、檸檬酸桿菌、肝螺桿菌)、牛鏈球菌、敗血梭菌、丁酸梭菌、大腸埃希菌的某些種、鏈球菌屬如唾液鏈球菌、血鏈球菌和糞腸球菌等。

結(jié)腸癌發(fā)生、發(fā)展過程中涉及眾多環(huán)節(jié)，目前對(duì)其機(jī)制尚無清楚的認(rèn)識(shí)。結(jié)直腸癌被認(rèn)為是多因素疾病，涉及到遺傳、免疫、環(huán)境因素、飲食和生活習(xí)慣，所有這些因素與腸道菌群相互作用，改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)組成和功能，誘發(fā)腫瘤的形成和增殖。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，腸道菌群失調(diào)是誘發(fā)結(jié)腸癌的關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)，無菌動(dòng)物結(jié)腸炎和結(jié)腸癌的發(fā)生率明顯降低甚至不發(fā)生，但是一旦將失調(diào)的腸道菌群移植到無菌動(dòng)物體內(nèi)，這些動(dòng)物免疫功能就會(huì)降低，結(jié)腸炎和結(jié)腸癌的發(fā)病率也會(huì)隨之明顯上升［14］。這些研究進(jìn)一步印證腸道菌群改變會(huì)促進(jìn)結(jié)腸癌的發(fā)生。腸道菌群介導(dǎo)結(jié)腸癌的發(fā)生、發(fā)展與菌群生態(tài)失調(diào)激活的下游信號(hào)分子密切相關(guān)，此外，腸道菌群代謝活性的改變也是引發(fā)結(jié)腸癌重要的方式。

3 腸道菌群失調(diào)引起結(jié)腸癌發(fā)生發(fā)展的機(jī)制

腸道菌群失調(diào)和結(jié)腸癌形成及惡化過程之間的關(guān)系已經(jīng)引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，對(duì)于腸道菌群失調(diào)介導(dǎo)結(jié)腸癌的發(fā)生有了一定的認(rèn)識(shí)。目前認(rèn)為，導(dǎo)致結(jié)直腸腫瘤發(fā)生、發(fā)展的機(jī)制主要有以下二個(gè)方面:①腸道微生物紊亂使腸道黏膜促炎癥反應(yīng)信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制異常，導(dǎo)致腸道黏膜上皮損傷加劇，最終出現(xiàn)瘤形成和惡變;②某些腸道微生物在參與營養(yǎng)物質(zhì)代謝過程中的產(chǎn)物對(duì)腸道上皮細(xì)胞具有毒性作用，受損腸道黏膜上皮的不完全修復(fù)可導(dǎo)致其致瘤性化。

3.1 炎性微環(huán)境介導(dǎo)的炎性通路的活化促進(jìn)結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展 國內(nèi)外研究者對(duì)于腸道菌群失調(diào)介導(dǎo)結(jié)腸癌發(fā)生的機(jī)制研究，發(fā)現(xiàn)菌群失調(diào)狀態(tài)下，炎性微環(huán)境發(fā)揮非常重要的作用。研究表明［15］，很多消化系統(tǒng)腫瘤誘發(fā)于慢性炎癥條件下，如果去除感染性的致病菌，同時(shí)輔以抗炎藥物治療，可以預(yù)防炎癥癌變。腸道菌群失調(diào)介導(dǎo)的慢性和低炎癥狀態(tài)容易刺激腫瘤的形成，主要與免疫細(xì)胞及其產(chǎn)生的細(xì)胞因子有關(guān)。微環(huán)境中的免疫細(xì)胞及其產(chǎn)生的細(xì)胞因子、生長因子激活相關(guān)的信號(hào)通路，如Wnt、Notch、TGF-β等，影響結(jié)腸黏膜上皮細(xì)胞的自我更新;激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和STAT3，影響結(jié)腸組織修復(fù)和免疫穩(wěn)態(tài);激活通路MAPK和 Akt/PKB，影響結(jié)腸細(xì)胞的有絲分裂和生存［16］。

此外，研究發(fā)現(xiàn)菌群失調(diào)會(huì)釋放大量的細(xì)菌毒素，誘發(fā)結(jié)腸炎等炎性腸病，腸道屏障功能的損傷會(huì)引起非致病性細(xì)菌的轉(zhuǎn)位，進(jìn)而影響免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，使其向致癌相關(guān)的免疫反應(yīng)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而誘導(dǎo)結(jié)腸癌的發(fā)生［17］。細(xì)菌毒素與模式識(shí)別受體特異性結(jié)合，如Toll樣受體(TLRs)和Nod樣受體(Nod-like receptors)，激活相應(yīng)的信號(hào)通路，引起趨化因子、炎性因子和抗菌肽的表達(dá)，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖、抑制腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制抗腫瘤免疫反應(yīng)、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的侵襲轉(zhuǎn)移、腫瘤血管新生等惡性生物學(xué)行為，進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)腸癌的惡化［18］。

3.2 腸道菌群失調(diào)引起細(xì)菌代謝能力改變可以誘導(dǎo)結(jié)腸癌的發(fā)生 腸道菌群失調(diào)后，某些細(xì)菌代謝能力發(fā)生改變，使代謝產(chǎn)物與正常穩(wěn)態(tài)相比大不相同，研究資料表明，結(jié)腸癌的發(fā)生與細(xì)菌代謝水平的改變密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌和腸息肉患者纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、谷氨酸鹽、酪氨酸水平比健康對(duì)照組明顯升高，而甲胺水平低于健康對(duì)照［19］。Chan等［20］發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)、葡萄糖、聚乙二醇脂在結(jié)腸癌黏膜層水平低于正常結(jié)腸黏膜組織，然而，含膽堿化合物、?；撬帷Ⅴ徏〈?、甘氨酸、乳酸鹽、磷酸氨基乙醇和磷酸膽堿在結(jié)腸癌黏膜中水平升高。

腸道菌群失調(diào)后，代謝能力的改變歸因于腸道厭氧菌產(chǎn)生一系列的代謝酶，這些酶作用于不同的底物，如膽汁酸、脂肪酸等，產(chǎn)生致癌物質(zhì)，進(jìn)而引發(fā)結(jié)腸癌。綜述近3年國內(nèi)外相關(guān)綜述，細(xì)菌代謝產(chǎn)生的致癌毒物主要包括硫化氫、活性氧族ROS、次級(jí)膽汁酸等。研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌患者體內(nèi)硫化氫含量明顯高于健康者，同時(shí)，結(jié)腸癌患者結(jié)腸組織對(duì)硫化氫的解毒能力減弱。硫化氫誘導(dǎo)結(jié)腸癌的形成主要通過誘導(dǎo)DNA損傷、自由基釋放、結(jié)腸黏膜炎癥、結(jié)腸黏膜過度增生，同時(shí)抑制細(xì)胞色素氧化酶、丁酸鹽利用、黏液合成和DNA甲基化［21］。其次，活性氧族氧化損傷持續(xù)地誘導(dǎo)DNA突變是誘發(fā)結(jié)腸癌最重要的因素之一，同時(shí)，ROS可以誘導(dǎo)結(jié)腸癌的侵襲和增殖［22］。然后高水平的糞便膽汁酸已經(jīng)被證實(shí)與人類結(jié)腸癌高發(fā)人群密切相關(guān)。腸道菌可以產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸，尤其是高脂飲食的條件下，梭菌屬通過7a脫羥基作用，產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸，次級(jí)膽汁酸影響有絲分裂過程，誘導(dǎo)DNA損傷，并且可以誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生，增加結(jié)腸癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)［23］。

4 調(diào)節(jié)腸道菌群可以預(yù)防治療結(jié)腸癌

流行病學(xué)調(diào)查和基礎(chǔ)研究資料表明，益生菌具有抗腫瘤效應(yīng)，主要與調(diào)節(jié)腸道菌群、增強(qiáng)機(jī)體免疫能力、直接抑制腫瘤相關(guān)分子有關(guān)。有研究者認(rèn)為，人類自身基因組相對(duì)穩(wěn)定，而共生微生物的基因組則更為靈活，可以通過定向調(diào)節(jié)腸道菌群基因組，達(dá)到預(yù)防治療的作用。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，益生菌有良好的抗腫瘤效應(yīng)，大鼠給予長雙歧桿菌后，結(jié)腸的癌前病變(隱窩異常病灶)降低 25% ～50%［24］。另一項(xiàng)對(duì)37名結(jié)腸癌患者和43名多發(fā)性結(jié)腸息肉切除患者使用合生元、乳桿菌LGG和雙歧桿菌 BB12的研究，發(fā)現(xiàn)患者糞便中保加利亞桿菌和乳酸菌增多，而產(chǎn)氣莢膜梭菌卻明顯減少，降低了患者外周血單核細(xì)胞和活化的輔助性T細(xì)胞IL-2的分泌，增加了結(jié)腸癌患者IFN-γ的分泌［25］。體外研究亦發(fā)現(xiàn)益生菌能夠影響結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖、凋亡和黏附等惡性生物學(xué)行為，乳酸菌衍生的聚磷酸酯可以誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞凋亡，聚酵素芽孢桿菌能夠黏附在結(jié)腸腺癌細(xì)胞表面，劑量依賴性地抑制結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖，青春雙歧桿菌可以抑制HT-29、SW480、Caco2三種結(jié)腸癌細(xì)胞的增殖，改變細(xì)胞形態(tài)［26］。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Lederberg形容人體是一個(gè)由人體自身細(xì)胞與微生物細(xì)胞共同構(gòu)成的“超生物體”，同時(shí)，有部分研究者提出人類自身基因組相對(duì)穩(wěn)定，而腸道微生物基因組則相對(duì)靈活，可以通過食物及藥物進(jìn)行定向調(diào)節(jié)，改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)組成及代謝，以影響宿主的自身代謝，達(dá)到預(yù)防治療的作用［27］。由此可見，腸道菌群對(duì)人類健康的重要性和其在診斷治療疾病方面的潛在巨大的研究價(jià)值已經(jīng)被廣大研究者接受和認(rèn)同。

惡性腫瘤的發(fā)生、發(fā)展與腸道菌群失調(diào)之間有著非常緊密的聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織中細(xì)菌的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常組織，細(xì)菌可以特異性的在腫瘤病灶部位聚集定植。腫瘤缺氧微環(huán)境為厭氧菌的生長提供良好的條件，同時(shí)腫瘤組織異常的血管和組織間隙高壓限制免疫成分(粒細(xì)胞、抗體、血清補(bǔ)體等)隨血流進(jìn)入，保護(hù)細(xì)菌逃避機(jī)體的免疫殺傷，成為細(xì)菌的免疫避難所［28］。由此可見，腫瘤組織特殊的微環(huán)境組成將導(dǎo)致大量的細(xì)菌生長，而過度增殖的細(xì)菌可以通過與腫瘤細(xì)胞競爭性爭奪營養(yǎng)從而抑制腫瘤的生長，同時(shí)細(xì)菌某些特殊的代謝產(chǎn)物可以直接抑制腫瘤細(xì)胞的增殖和誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，或許可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群達(dá)到治療惡性腫瘤的目的。Coley等的研究發(fā)現(xiàn)印證這一觀點(diǎn)，Coley發(fā)現(xiàn)感染急性鏈球菌的肉瘤患者的腫塊縮小，從而開啟了運(yùn)用細(xì)菌或細(xì)菌提取物治療腫瘤的歷史。伴隨著生活水平的提高，肥胖引發(fā)腸道菌群失調(diào)，繼而誘使結(jié)腸癌的高發(fā)生率亟需預(yù)防和治療的方法，因此，基于調(diào)節(jié)腸道菌群探索結(jié)腸癌治療的方法和作用機(jī)制是我們課題組關(guān)注的主要問題，希望通過這一探索研究為基于腸道菌群的藥物開發(fā)和臨床結(jié)腸癌的治療提供一定的理論參考。

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