腸道菌群失調(diào)與結(jié)直腸癌的相關(guān)研究進(jìn)展

胡嘉怡，陳 蕾

根據(jù)美國《臨床腫瘤雜志》報道，結(jié)直腸癌是美國第二癌癥死亡原因，據(jù)預(yù)測2020年約有15萬人被診斷為結(jié)直腸癌，5萬人死于該病[1]。在中國，尤其是廣東地區(qū)，結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率同樣處于高位[2]，嚴(yán)重危害我國人民健康安全，減少結(jié)直腸癌的發(fā)生率并改善患者的生活質(zhì)量已成為亟待解決的問題。在全部結(jié)直腸癌患者中，家族遺傳性結(jié)直腸癌占比不足25%，散發(fā)性結(jié)直腸癌占比超過75%。盡管廣泛的研究尚不能對結(jié)直腸癌的確切病因達(dá)成共識，但遺傳和環(huán)境因素已被認(rèn)為是影響結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展的危險因素。生活方式被認(rèn)為是結(jié)直腸癌最重要的環(huán)境危險因素之一，尤其是在散發(fā)性結(jié)直腸癌中。近年來，人民生活水平提高，生活方式發(fā)生了極大的轉(zhuǎn)變，如增加動物脂肪、加工肉和紅肉的攝入，減少纖維的攝入、減少運動和肥胖，這都被認(rèn)為會改變腸道菌群的組成并增加患結(jié)直腸癌的風(fēng)險。

1 腸道微生物群

人體腸道是一個營養(yǎng)豐富的環(huán)境，其中居住著多達(dá)100萬億個微生物，其中大多數(shù)生活在結(jié)腸中，其密度接近每毫升1011～1012個細(xì)胞[3]。在生命最初的十年中，由于人們在出生、遺傳、環(huán)境和飲食等方面接觸了腸道微生物，微生物種類和組成迅速發(fā)生變化，從而在結(jié)腸中形成不同的微生物群落，即微生物菌群[4]。不同腸道菌群間的相互作用可維持腸道菌群微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，并且共同參與宿主的新陳代謝、物質(zhì)吸收及轉(zhuǎn)化過程。同時，高水平的共生菌群在抑制病原菌的入侵和定居、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、維持腸粘膜屏障結(jié)構(gòu)的完整性以及預(yù)防結(jié)直腸癌的發(fā)生中發(fā)揮重要作用[5]。健康人群的腸道菌群主要由類桿菌和硬壁菌門組成，占腸道微生態(tài)系統(tǒng)的90%，此外為放線菌、蛋白菌和梭狀芽胞菌[6]。腸道微生物群大約包含300萬個基因，這些基因為我們提供了探究微生物與宿主關(guān)系的關(guān)鍵窗口。研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)腸道菌群與人體的關(guān)系，可以將細(xì)菌大致分為3類：有益細(xì)菌，如雙歧桿菌、乳酸桿菌等；有害細(xì)菌，如球形芽孢桿菌、糞腸球菌等；在特定條件下的致病菌，如大腸桿菌等[7]。因此，腸道共生菌群的相對豐度和比例對于維持腸道微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和人類健康至關(guān)重要。

2 腸道菌群失調(diào)

腸道菌群失調(diào)包括腸道菌群移位和腸道菌群失衡[8]。腸道菌群移位是指腸道中原定植菌群發(fā)生縱向和(或)橫向移位?？v向移位是指結(jié)腸細(xì)菌從腸道到深層粘膜甚至整個宿主機(jī)體的轉(zhuǎn)移。橫向移位是指定植細(xì)菌在腸道中的位置轉(zhuǎn)移，如下消化道中的細(xì)菌轉(zhuǎn)移至上消化道。腸道菌群失衡是指原腸道優(yōu)勢菌群發(fā)生改變，腸道微生態(tài)環(huán)境中有益菌群豐度減少，致病菌群豐度增多。此外導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的因素有很多[9]，包括早期抗生素的使用、免疫系統(tǒng)缺陷、基因毒素的產(chǎn)生、生活方式改變、飲食結(jié)構(gòu)變化等。腸道菌群失調(diào)已被確定為越來越多的醫(yī)學(xué)問題的根源，包括過敏、腸易激綜合征、自身免疫性疾病、難辨梭狀芽胞桿菌腹瀉、炎癥性腸病、肥胖癥、糖尿病和結(jié)腸癌。

3 腸道菌群失調(diào)與結(jié)直腸癌

研究表明[10]，結(jié)直腸癌患者的腸道微生態(tài)系統(tǒng)與健康受試者的腸道微生態(tài)系統(tǒng)不同。結(jié)直腸癌的發(fā)生是一個復(fù)雜的過程，受基因和環(huán)境因素的影響，有著不同的致病機(jī)制，其中一些機(jī)制與腸道菌群失調(diào)密切相關(guān)。目前，有兩種模型可以解釋腸道菌群失調(diào)在結(jié)直腸癌發(fā)生過程中的作用。第一種是“驅(qū)動-乘客”模型，Tjalsma等[11]利用一代測序技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，致病菌可以通過引起腸道持續(xù)性炎癥，增加細(xì)胞增殖和(或)產(chǎn)生基因毒性物質(zhì)，從而在腺瘤-癌序列中導(dǎo)致癌前病變的發(fā)生和隨后的突變累積，從而發(fā)揮結(jié)直腸癌的細(xì)菌驅(qū)動作用。炎癥環(huán)境使結(jié)腸屏障通透性和細(xì)胞代謝發(fā)生變化[12]，從而使得致病性細(xì)菌驅(qū)動因子逐漸被可促進(jìn)或阻礙癌變的具有其他優(yōu)勢的乘客細(xì)菌(如機(jī)會性病原體、共生菌、益生菌)替代，并在腫瘤微環(huán)境中具有生長優(yōu)勢。第二種模型考慮了宿主遺傳學(xué)，研究者認(rèn)為結(jié)直腸是基因突變和微生物共同引起的。Gagnière等[13]通過代謝組學(xué)和RNA測序方法，在宿主和病原體的相互作用研究中得出了腸道菌群失調(diào)會導(dǎo)致腸道炎癥反應(yīng)以及上皮細(xì)胞轉(zhuǎn)化并最終導(dǎo)致癌癥發(fā)生的結(jié)論。研究學(xué)者認(rèn)為[14]，腸道微生物群可通過以下方式誘發(fā)慢性炎癥：①黏附于腸上皮細(xì)胞；②通過與Toll樣受體結(jié)合和(或)激活調(diào)節(jié)T細(xì)胞激活免疫反應(yīng)；③合成和分泌細(xì)胞毒性生物分子或代謝物；④通過轉(zhuǎn)移進(jìn)入體內(nèi)。梭桿菌是一種革蘭氏陰性厭氧菌，是結(jié)直腸癌中最常見的定植寄托菌，認(rèn)為其在結(jié)直腸癌組織中的高水平與較短的總生存率顯著相關(guān)。相關(guān)研究表明[15]，核梭桿菌在其促發(fā)炎癥性和組織侵襲性中可作為“驅(qū)動-乘客”模型中的驅(qū)動細(xì)菌。研究發(fā)現(xiàn)[16]，與周圍組織相比，核梭桿菌在人結(jié)直腸腺瘤及癌癥患者的糞便樣本中較健康受試者富集。此外，在ApcMin/+小鼠腸致瘤模型中，核梭桿菌在增加了腫瘤多樣性的同時選擇性地招募相關(guān)被腫瘤浸潤的骨髓細(xì)胞，促進(jìn)結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展。暴露于核梭桿菌的ApcMin/+小鼠的腫瘤表現(xiàn)出促炎性表達(dá)特征，與人類核梭桿菌陽性的結(jié)直腸癌相同。此外，核梭桿菌富集的結(jié)直腸癌與CD3+T細(xì)胞的密度負(fù)相關(guān)，與微衛(wèi)星不穩(wěn)定和CpG島甲基化或表型相關(guān)的結(jié)直腸癌密切相關(guān)[17]。脆弱類擬桿菌厭氧菌是一種常見的結(jié)腸共生菌，對粘膜定植有親和力[18]，有兩種分子亞型：非產(chǎn)腸毒素型脆弱類桿菌(Non Ttoxic Bacterooides Fragilis，NTBF)和產(chǎn)腸毒素脆弱類桿菌(Enterotoxigenic Bacteroides Fragilis，ETBF)。研究者認(rèn)為[19]，ETBF與活動性炎癥性腸病和結(jié)直腸癌之間相關(guān)，是“驅(qū)動-乘客”模型中的驅(qū)動細(xì)菌。ETBF通過其毒素因子在結(jié)腸上皮細(xì)胞中促發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，包括白介素-17、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)錄激活因子3及NF-κB信號通路，這些信號通路在結(jié)腸(尤其是遠(yuǎn)端結(jié)腸)中創(chuàng)造促炎條件并誘導(dǎo)DNA損傷[20]。這些數(shù)據(jù)表明核梭桿菌和ETBF是散發(fā)性結(jié)直腸癌的候選致病因子。因此，結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展以及預(yù)后需要與腸道微環(huán)境變化、免疫、宿主遺傳學(xué)、炎癥和其他復(fù)雜因素相關(guān)。

4 糞便腸道菌群作為新一代生物標(biāo)志物在結(jié)直腸癌中的診斷價值

糞便腸道菌群是一種新興的生物標(biāo)志物，一旦轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，具有便捷、高效、經(jīng)濟(jì)、無創(chuàng)等優(yōu)點。目前有效可行的降低結(jié)直腸癌的發(fā)病率和死亡率的方法是對高危人群進(jìn)行腸鏡篩查[21]。選取單個腸道微生物候選菌作為結(jié)直腸癌的生物標(biāo)志物具有挑戰(zhàn)性，其突出的問題是難以明確效應(yīng)和原因。而聯(lián)合選取腸道微生物候選菌(如核梭狀芽孢桿菌結(jié)合共生梭菌、大腸桿菌等)則可增強(qiáng)其敏感性和特異性[22]。研究者使用熒光定量PCR(Real-time PCR，qPCR)作為檢測工具，僅核梭狀芽孢桿菌的敏感性和特異性高達(dá)80%左右。此外，如果將糞便中的梭狀芽孢桿菌與克拉魯斯擬桿菌以及一個未定義物種細(xì)菌(m7)結(jié)合起來，可以在很小程度上提高敏感性及特異性。將這4種細(xì)菌與糞便免疫化學(xué)實驗結(jié)果相結(jié)合，可以使二期結(jié)直腸癌的檢出率提高到92.8%。除診斷外，結(jié)直腸癌腫瘤組織中的核梭狀芽孢桿菌高水平也與較差的臨床預(yù)后成正比[23]。盡管已經(jīng)在廣泛的研究中確立了糞便腸道菌群在結(jié)直腸癌診斷中的作用和潛力，但在許多方面仍然缺乏共識。這些研究結(jié)論的不一致性，可能是由于糞便樣本的采集、儲存和處理、DNA提取、擴(kuò)增以及測序、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和隨后的生物信息分析組成的生物信息工作流程的差異造成的[24]。盡管具有這些局限性，糞便腸道菌群仍是檢測結(jié)直腸癌的一種很有前途的工具。今后的研究應(yīng)將血液標(biāo)志物、糞便潛血試驗、糞便免疫化學(xué)實驗以及qPCR等相關(guān)檢測方式結(jié)合起來，并且側(cè)重于結(jié)直腸癌的早期篩查，如息肉、腺瘤和其他相關(guān)的結(jié)直腸癌(癌前)病變，最終在更大的隊列研究中進(jìn)行驗證。

5 調(diào)節(jié)腸道菌群在結(jié)直腸癌治療中的應(yīng)用

5.1 膳食成分代謝 新陳代謝是宿主和微生物群相互作用的關(guān)鍵領(lǐng)域。腸道菌群基因組編碼的基因可以代謝許多膳食營養(yǎng)素，比如我們所熟知的不易消化的碳水化合物，常見形式為低聚半乳糖和低聚果糖以及宿主化合物，如膽汁酸。近期的一項研究表明,38.3%的早期結(jié)直腸癌患者與不良飲食習(xí)慣有關(guān)，如攝入全谷物以及乳制品含量低及高加工肉類食物[25]。攝入不易消化的碳水化合物，如纖維和抗性淀粉，會導(dǎo)致腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸,如丁酸和丙酸。丁酸鹽作為一種抗炎分子，可抑制結(jié)腸形成細(xì)胞和免疫細(xì)胞中的組蛋白脫乙酰，下調(diào)促炎性細(xì)胞因子，誘導(dǎo)結(jié)直腸癌細(xì)胞系凋亡[26]。此外，丁酸鹽和丙酸鹽已在動物模型中被證明可通過調(diào)節(jié)結(jié)腸調(diào)節(jié)性T細(xì)胞以發(fā)揮有效的抗炎作用[27]。另一類與飲食和腸道菌群密切相關(guān)的代謝產(chǎn)物是膽汁酸。它們是由肝臟合成的類固醇酸，并被細(xì)菌代謝為腸道中的次級形式。高脂飲食的人結(jié)腸中的次級膽汁酸(包括脫氧膽酸)水平升高，可誘導(dǎo)DNA氧化損傷并促進(jìn)結(jié)直腸癌的形成，因此與結(jié)直腸癌的高風(fēng)險相關(guān)[28]。更多的代謝產(chǎn)物在結(jié)直腸癌中的作用已在其他文獻(xiàn)中綜述[29]，但值得注意的是，這些代謝產(chǎn)物可獨立調(diào)節(jié)或通過影響腸道菌群從而影響結(jié)直腸癌的發(fā)生。

5.2 益生菌 對人體有益的活體微生物被統(tǒng)稱為益生菌，應(yīng)用最廣泛的有乳酸菌、雙歧桿菌、酪酸梭菌等。Bultman等[30]研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可通過增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的活性來刺激宿主的免疫反應(yīng)，并促進(jìn)腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素12、干擾素γ等細(xì)胞因子發(fā)揮抗腫瘤作用。益生菌還可以干預(yù)改善結(jié)直腸癌患者的腸道菌群，幫助清除致癌物質(zhì)，改善腸道通透性以及發(fā)揮一系列有效的益生菌系的關(guān)鍵功能[31]。益生菌發(fā)揮有益影響的因素包括菌株、劑量、干預(yù)持續(xù)時間以及宿主生理學(xué)等。在一項隨機(jī)對照試驗中，口服凍干活嗜酸乳桿菌和雙歧桿菌可以預(yù)防腸易激綜合征患者放療和順鉑治療的腸道毒性[32]。但并非所有的益生菌菌株都表現(xiàn)出抗結(jié)直腸癌的活性，未來研究需要篩選出有效的菌株并制作成益生菌制劑來控制和預(yù)防結(jié)直腸癌的發(fā)生。

5.3 糞便菌群移植技術(shù) 大約兩千年前，就有中國人將健康人糞便制成“黃湯”口服給患者，以治療嚴(yán)重腹瀉。近十年來，糞便菌群移植技術(shù)被用于治療難治性梭菌感染并取得令人難以置信的高反應(yīng)率。此外，研究者發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在應(yīng)用中有著不同的反應(yīng)率，表現(xiàn)為與治療方法相關(guān)。在第一次給藥的療效中，最高反應(yīng)率為通過結(jié)腸鏡或灌腸給藥，次之為鼻胃管給藥和口服膠囊[33]。因此，糞便腸道菌群移植具有可以通過許多不同方式給藥的優(yōu)勢。到目前為止，將該技術(shù)用于良性疾病的治療中，甚至在免疫功能受損的個體中，都有很好的安全性。但將該技術(shù)應(yīng)用于結(jié)直腸癌患者中以治療結(jié)直腸癌的相關(guān)研究則非常有限，這可能與健康志愿者糞便菌群的獲取與保存、如何有效地提高抗腫瘤療效等問題有關(guān)?？傊?，糞便菌群移植給我們提供了很好的防治結(jié)直腸癌的手段，未來研究者們需要開展更多的臨床試驗將該技術(shù)對腸道微生物群的調(diào)節(jié)與結(jié)直腸癌治療結(jié)合起來。

6 結(jié)語

腸道菌群失調(diào)已被證實與結(jié)直腸癌的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。大量高質(zhì)量的研究文獻(xiàn)表明腸道微環(huán)境穩(wěn)態(tài)對于維持健康機(jī)體具有重要意義。這提示我們需要關(guān)注飲食、生活方式以及營養(yǎng)對于疾病發(fā)展的重要性。除了大量研究表明特定細(xì)菌與結(jié)直腸癌發(fā)病之間存在關(guān)聯(lián)外，大量文獻(xiàn)也證明了細(xì)菌參與導(dǎo)致結(jié)直腸癌發(fā)病的途徑和分子機(jī)制。如今，利用腸道菌群作為結(jié)直腸癌的預(yù)測和/或預(yù)后標(biāo)志物已經(jīng)有了初步發(fā)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)為潛能方面，腸道菌群作為治療結(jié)直腸癌的潛在工具具有顯著的優(yōu)化作用。但是，仍有許多問題亟待研究者們解決，如腸道菌群與結(jié)直腸癌之間精細(xì)又復(fù)雜的相互作用機(jī)制；機(jī)體免疫能力在腸道致病菌群致病中發(fā)揮的具體作用；如何將腸道菌群潛能更好地轉(zhuǎn)化并應(yīng)用到臨床中。這需要研究者們對腸道菌群的功能作用有更深入的了解，以及設(shè)計大量前瞻性研究以及良好的表型隊列來得出結(jié)論。預(yù)計在不久的將來，腸道菌群的潛在能力可轉(zhuǎn)化為真實的臨床應(yīng)用，并期待著使用這種方法來幫助結(jié)直腸癌患者實現(xiàn)精確用藥的目的。