腸道微生物群衍生的代謝產(chǎn)物調(diào)控結(jié)直腸癌的新進展

王朗玥 趙琦 綜述 吳華星 審校

結(jié)直腸癌是最常見的癌癥之一，它在所有癌癥中的發(fā)病率排名第3，死亡率排名第2[1]。腸道生態(tài)系統(tǒng)的改變與人類健康和疾病的變化有關(guān)，人體腸道微生物在結(jié)直腸癌病因?qū)W中發(fā)揮作用，這不僅源于某些特定病原體的專門致癌作用，也源于更廣泛的微生物群落尤其是它們代謝產(chǎn)物的影響[2]。多項研究表明，短鏈脂肪酸(Short chain fatty acids，SCFA)、肌苷、長鏈脂肪酸(Long chain fatty acids，LCFA)和吲哚等代謝產(chǎn)物有助于宿主抵抗結(jié)直腸癌?？偰懼?、三甲胺N-氧化物(Trimethylamine N-oxide，TMAO)、N-亞硝基化合物(N-nitroso compounds，NOC)、乙醛、硫化氫(Hydrogen sulfide，H2S)和細菌毒素等代謝產(chǎn)物與結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。

1 腸道微生物群代謝產(chǎn)物的來源

腸道微生物群在人體內(nèi)進行著復雜活躍的代謝活動，不僅為自身提供生長和繁殖所需的能量和營養(yǎng)，也產(chǎn)生大量的代謝產(chǎn)物進入到人體中。來自菌群的代謝產(chǎn)物主要分為三類[3]：(1)腸道微生物群直接從飲食成分中產(chǎn)生的代謝物。主要包括SCFA、吲哚衍生物和多胺。SCFA是由腸道微生物群發(fā)酵宿主無法代謝的食物而產(chǎn)生的碳原子小于6個的有機脂肪酸。腸道中的SCFA主要是乙酸、丙酸和丁酸，比例通常為3∶1∶1。乙酸和丙酸主要由擬桿菌產(chǎn)生，丁酸主要由厚壁菌產(chǎn)生[4]。除SCFA以外，腸道微生物群還會從宿主無法消化的食物中產(chǎn)生不同的吲哚衍生物，它們可以充當宿主細胞中芳烴受體(Aromatic hydrocarbon receptor，AhR)的配體。AhR是配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，在腸道中起著重要作用[5]。AhR缺乏的小鼠患有多種免疫缺陷疾病，比如自身免疫性腦脊髓炎和對細菌或真菌感染的抵抗力降低等[6]。事實證明，丁酸和乙酸鹽等SCFA可以顯著改善人類結(jié)直腸癌細胞系和小鼠結(jié)腸細胞中與Ah相關(guān)的基因表達，這證明了SCFA和AhR配體之間在保護結(jié)直腸癌方面具有協(xié)同作用[7]。腸道微生物群還可以加工飲食中的精氨酸產(chǎn)生多胺(主要為腐胺和亞精胺)，多胺在基因表達和增殖中起重要作用[8]；(2)宿主產(chǎn)生并由腸道微生物群進行生物化學修飾的代謝物。主要包括次級膽汁酸、牛磺酸、支鏈氨基酸等。腸道微生物群不僅代謝飲食成分，還代謝宿主分泌到胃腸腔中的底物。Duboc等[9]發(fā)現(xiàn)無菌(GF)小鼠糞便中的膽汁酸含量比常規(guī)小鼠更高，并且在GF小鼠的糞便樣品中幾乎未檢測到次級膽汁酸；(3)腸道微生物群合成的代謝物。主要包括ATP、多糖A(Polysaccharide A，PSA)。腸道微生物群不僅會改變飲食成分和宿主代謝產(chǎn)物，而且自身還會合成并分泌信號分子。例如，部分腸道微生物群會主動分泌ATP，并且GF小鼠的腸道中ATP濃度低于對照組[10]。

2 腸道微生物群代謝產(chǎn)物與結(jié)直腸癌的關(guān)系

2.1 DNA損傷

腸道微生物群可以產(chǎn)生直接導致DNA損傷的蛋白質(zhì)、分子和次級代謝產(chǎn)物。這些產(chǎn)物可以直接與宿主DNA相互作用，從而使其突變[11]。結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展與相關(guān)基因結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變有關(guān)。菌群代謝產(chǎn)生的NOC通過DNA烷基化促進癌癥并發(fā)揮致癌作用[12]。腸道微生物群代謝乙醇為乙醛，乙醛具有高毒性和致癌性并且會引起DNA損傷[13]。脆弱芽孢桿菌毒素(Bacillus fragilis toxin，BFT)可以通過誘導基因突變，破壞DNA以及最終破壞上皮細胞基因組導致結(jié)直腸癌的進展[14]。梭狀芽胞桿菌產(chǎn)生的膽汁酸水解酶催化次級膽汁酸(包括膽石酸和脫氧膽酸)的增加，這些次級膽汁酸影響有絲分裂過程，致使活性氧(Reactive oxygen species，ROS)增加和DNA損傷，從而導致結(jié)直腸癌的發(fā)病風險增加[15]。Wilson等[16]在家族性息肉病患者中鑒定出了一種能產(chǎn)生基因毒素colibactin的pks+大腸桿菌。colibactin可與腺嘌呤發(fā)生烷基化反應形成DNA加合物，從而損傷DNA結(jié)構(gòu)，是促進結(jié)直腸癌的潛在分子機制。這種DNA加合物或許能作為pks+大腸桿菌暴露的生物標志物，用于預測結(jié)直腸癌的風險，其臨床價值有待進一步研究。

2.2 免疫反應

腸道微生物群衍生的代謝產(chǎn)物與宿主免疫系統(tǒng)之間的相互作用會影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展[17]。產(chǎn)腸毒素型脆弱擬桿菌(Eeterotoxigenic-Bacteroides fragilis，ETBF)釋放一種毒素，該毒素引起上皮細胞脫落和上皮鈣粘蛋白裂解[18]，ETBF除了直接破壞上皮屏障功能外，還可以激活Toll樣受體導致IL-6和TNF-α的產(chǎn)生以及STAT3和NF-kB的進一步激活來促進結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展[19]，這也提示ETBF可作為檢測結(jié)直腸癌的潛在標志物。菌群衍生的次級膽汁酸可調(diào)節(jié)腸道調(diào)節(jié)性T細胞(T regulatory cells，Treg)穩(wěn)態(tài)[20]。SCAF通過上調(diào)GPR15表達促進腸道Treg細胞增殖來發(fā)揮抗腫瘤作用[21]。菌群來源的ATP已顯示出可促進腸道Th17細胞的分化功能[22]。最新的一項研究中，科研人員從小鼠中分離出了約氏乳桿菌、假長雙歧桿菌和歐氏菌屬，假長雙歧桿菌的代謝產(chǎn)物肌苷作用于T細胞表達的腺苷2A受體，在常規(guī)樹突狀細胞的共刺激下，可促進Th1細胞的分化和活化，促進抗腫瘤免疫反應，這些益生菌及代謝產(chǎn)物可在結(jié)直腸癌模型小鼠中增強免疫檢查點抑制劑(Immune checkpoint inhibitor，ICI)治療的療效[23-24]。該研究鑒定出了一個能強化ICI的微生物代謝產(chǎn)物-免疫途徑，對于研發(fā)基于微生物的輔助療法具有重要參考意義。

2.3 腸道粘膜屏障

腸道屏障功能受損會促進結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展，致癌代謝物的分泌增加以及有益代謝物的分泌減少會損害腸道屏障功能[25]。在大鼠實驗中已驗證腸道微生物群的代謝產(chǎn)物氨會使粘膜屏障受損并且增加結(jié)腸腺瘤的數(shù)量[26]。硫化物對結(jié)腸細胞有毒并抑制丁酸鹽氧化，會破壞結(jié)腸細胞屏障[27]。有些菌群代謝產(chǎn)物可以增強腸道粘膜屏障功能。SCFA是腸道上皮細胞的重要營養(yǎng)素，促進腸道上皮細胞分化和生長并保持腸道上皮的完整性[28]。肽鏈球菌來源的色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚可以通過AhR發(fā)出信號誘導杯狀細胞增殖從而維持粘膜屏障功能，吲哚還可以調(diào)節(jié)細胞骨架蛋白來增強腸道上皮的屏障功能[29-30]。

2.4 炎癥反應

腸炎誘發(fā)結(jié)直腸癌需要腸道微生物群及其衍生的代謝產(chǎn)物參與，已有研究證明通過靶向促腫瘤腸桿菌的代謝可以降低小鼠腸炎相關(guān)結(jié)直腸癌發(fā)生率[31]。SCFA發(fā)揮重要抗炎作用，丁酸結(jié)合其受體并通過信號傳導促進巨噬細胞和樹突狀細胞的抗炎活性，還會觸發(fā)Treg細胞和T細胞的分化并促進抗炎細胞因子IL-10的表達[32]。在小鼠實驗中發(fā)現(xiàn)，高水平的丁酸鹽可以抑制組蛋白脫乙酰酶(Histone deacetylase，HDAC)的活性，并上調(diào)由甲氧基甲烷/右旋糖酐硫酸鈉(Azoxymethane/dextran sodium sulfate，AOM/DSS)誘導的結(jié)直腸癌鼠模型腸道中的抗炎反應[33]。由于丁酸鹽可以維持腸道健康并具有抵抗結(jié)直腸癌的能力，因此鼓勵研究人員確定潛在的產(chǎn)生丁酸鹽的細菌作為下一代益生菌。大腸桿菌Nissle1917(EcN)相比于其它大腸桿菌菌株，可產(chǎn)生更多的一種特定長鏈脂肪酸(LCFA)，這種LCFA可結(jié)合并激活過氧化物酶體增殖物激活受體PPARγ以發(fā)揮抗炎作用，從而抑制DSS誘導的小鼠結(jié)腸炎[34]。這種特殊的大腸桿菌也可做為結(jié)直腸癌的治療靶點。脆弱擬桿菌通過外膜囊泡釋放PSA誘導Treg細胞增加和IL-10介導的T細胞和樹突狀細胞的抗炎反應[35]。熊去氧膽酸(Ursodeoxycholic acid，UDCA)可以阻止COX-2的產(chǎn)生和抑制脫氧膽酸(Deoxycholic acid，DCA)的作用，并且能用作結(jié)直腸癌的化學預防劑[36]。一些菌群代謝產(chǎn)物有致炎作用。研究發(fā)現(xiàn)通過刺激結(jié)直腸癌細胞系中促炎細胞因子的表達，在Apc(min/+)小鼠中施用DCA可促進腸腺瘤和腸癌的生長[37]，但施用雙果糖酐III(Difructose anhydride III，DFAIII)作為益生元可通過調(diào)節(jié)膽汁酸代謝來減少大鼠DCA的產(chǎn)生[38]，或許可以用DFAIII來拮抗DCA的作用以減緩結(jié)直腸癌的發(fā)展。產(chǎn)生硫化物的細菌會通過產(chǎn)生H2S來破壞腸壁的屏障功能，從而引起炎癥和成瘤[39]。Hebels等[40]在患有潰瘍性結(jié)腸炎的大量患者中發(fā)現(xiàn)了糞便NOC，通過將潰瘍性結(jié)腸炎患者的糞便NOC水平與基因表達相關(guān)聯(lián)，或許可以預測NOC在結(jié)直腸癌進展中的作用。Guo等[41]發(fā)現(xiàn)受到高劑量輻射后的小鼠與GF小鼠相比，糞便中微生物衍生的丙酸和色氨酸代謝產(chǎn)物的濃度增加，這些代謝產(chǎn)物發(fā)揮了放射防護作用、減輕了造血和胃腸綜合征并降低了促炎反應。這也為減輕癌癥放療的毒副作用和治療輻射損傷提供了潛在的治療靶點。

2.5 其他

膽汁酸作為激素與核受體相互作用并激活促進細胞凋亡的細胞信號傳導途徑[42]。菌群代謝產(chǎn)物沒食子酸可破壞突變型p53對WNT通路的抑制功能，誘導由WNT驅(qū)動的腸細胞惡性程度增加[43]。菌群代謝產(chǎn)生芳香族氨基酸可以增加細胞膜通透性從而破壞細胞結(jié)構(gòu)[44]。

3 腸道微生物群代謝產(chǎn)物在早期結(jié)直腸癌篩查中的潛在應用

除了對腸道微生物群衍生的代謝產(chǎn)物及其致癌機制進行評估外，就結(jié)直腸癌檢測而言，一些代謝組學研究也支持腸道中存在的代謝產(chǎn)物水平與結(jié)直腸癌進展之間的關(guān)聯(lián)。通過鑒定和消除癌前病變進行合適的結(jié)直腸癌篩查有可能早期發(fā)現(xiàn)并降低結(jié)直腸癌的發(fā)生率和死亡率。Williams等[45]使用代謝組學方法檢查惡變前息肉轉(zhuǎn)基因模型中的糞便代謝譜，與對照小鼠相比，轉(zhuǎn)基因小鼠的脂肪酸和膽汁酸代謝產(chǎn)物(如牛磺酸或次黃嘌呤/黃嘌呤)顯著升高。在另一項研究中，研究人員使用NMR代謝組學定量結(jié)直腸癌患者糞便樣品中的代謝產(chǎn)物，結(jié)直腸癌患者糞便中的戊酸酯、異戊酸酯、支鏈脂肪酸、苯乙酸酯和異丁酸酯的濃度較高，糖、甲醇、氨基酸、膽酸鹽的含量很低[46]。最近的數(shù)據(jù)顯示，結(jié)直腸癌中粘膜內(nèi)癌患者糞便中的膽汁酸、苯丙氨酸和支鏈氨基酸含量明顯升高，結(jié)直腸癌中腸道微生物群衍生代謝物的動態(tài)變化是從早期到晚期，表明對糞便樣品代謝組學的評估可以揭示結(jié)直腸癌患者腸道微生物群的不同階段特異性表型[47]。

越來越多的代謝組學數(shù)據(jù)收集為診斷結(jié)直腸癌提供了豐富的資源，但由于微生物群及其代謝產(chǎn)物在個體之間的高度變異性，目前尚無用于結(jié)直腸癌檢測的通用生物標志物。一些因素如抗生素治療、診斷程序的標準化和驗證，對確定通用生物標志物構(gòu)成了挑戰(zhàn)[48]。一種代謝產(chǎn)物可能不是篩查結(jié)直腸癌患者糞便代謝組的有效生物標志物，因此，將需要在不同種族的患者群體中引入多種生物標志物，以得出更完整的代謝組學數(shù)據(jù)，以便在將來進行結(jié)直腸癌檢測。

4 小結(jié)與展望

菌群衍生的代謝產(chǎn)物不僅可以影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展，也可以影響結(jié)直腸癌的治療。未來，研究人員可以研究專門針對產(chǎn)生有害毒素和代謝產(chǎn)物的微生物酶的藥物來減少有害產(chǎn)物的積累，也可以補充對結(jié)直腸癌防治具有有益作用的菌群衍生產(chǎn)物如丁酸鹽、肌苷和LCFA。一些代謝產(chǎn)物對結(jié)直腸癌的確切作用的證據(jù)有限，如琥珀酸鹽、乳酸、H2S、TMAO和NOC等。這些產(chǎn)物對未來的研究具有挑戰(zhàn)性。因此，闡明腸道微生物群代謝產(chǎn)物與結(jié)直腸癌之間的確切機制對于理解代謝產(chǎn)物在人類結(jié)直腸癌形成和消退中的作用至關(guān)重要。總之，探索腸道微生物群代謝產(chǎn)物在結(jié)直腸癌中的作用可能有助于開創(chuàng)結(jié)直腸癌管理的新策略。