腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在膠質(zhì)瘤中的調(diào)控機制研究進展*

姜海嘯，曾巍，張恒柱，盧光玉，李育平

225001 江蘇 揚州，揚州大學臨床醫(yī)學院 神經(jīng)外科 (姜海嘯、曾巍、張恒柱、李育平)；225003 江蘇 揚州，揚州大學 公共衛(wèi)生學院 (盧光玉)

膠質(zhì)瘤是成人顱內(nèi)最常見的原發(fā)性惡性腫瘤，占顱內(nèi)惡性腫瘤的81%，總發(fā)病率約為6.8/10萬人[1]。根據(jù)病理、分子及基因突變等特征，可將膠質(zhì)瘤分為多種亞型，其中膠質(zhì)母細胞瘤最為常見(約占膠質(zhì)瘤的49.1%)，其惡性程度高預后差，5年生存率僅5%[2]。有研究證實基因突變是膠質(zhì)瘤形成的重要原因之一；此外，諸多因素已被證實與腫瘤的發(fā)生發(fā)展及預后密切相關，其中包括遺傳、電離輻射(增加風險)和過敏史(降低風險)等[3-4]。近年來相關研究開始關注顱腦以外因素對膠質(zhì)瘤微環(huán)境的調(diào)控機制，包括受試者易感性、環(huán)境和非遺傳內(nèi)源性因素[5]，并提出許多新的治療方案[6]。尤其是關于腸道菌群、腸道微環(huán)境參與膠質(zhì)瘤微環(huán)境調(diào)控機制的研究，該方向已成為當下研究的熱點之一。

腸道微生物數(shù)量繁多數(shù)以萬億計，其種類包括細菌、真菌等，并攜帶大量的基因序列(約4×106個基因)[7]。多項研究表明，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物除參與胃腸道自身調(diào)控外，還廣泛地參與機體及中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)的免疫調(diào)節(jié)及能量代謝。首先，腸道微生物參與腸道屏障的建立，包括黏液屏障、物理屏障和生物屏障。其次，腸道菌群參與物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)，包括機體各種必需物質(zhì)及能量的吸收，以及胃腸道微環(huán)境的調(diào)控[8]。第三，菌群可調(diào)控腸道局部和全身免疫，尤其在神經(jīng)系統(tǒng)免疫功能的誘導、成熟中發(fā)揮重要作用[9]。

對于腸道菌群參與CNS功能調(diào)控方面，已有研究證實大腦和腸道之間存在著一個雙向調(diào)控關系，即腦腸軸[10]。研究表明腸道菌群的紊亂與一系列CNS及胃腸系統(tǒng)疾病密切相關，例如帕金森、抑郁癥、腸易激綜合征等[11]。而腸道菌群的代謝產(chǎn)物也可參與多種CNS功能的調(diào)控，包括代謝、免疫、神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育等[12]。此外，膠質(zhì)瘤雖然常局限于腦部且較少轉(zhuǎn)移，但仍可被視為全身性系統(tǒng)疾病，與機體免疫系統(tǒng)及腸道微環(huán)境之間存在密切的聯(lián)系。然而，菌群及其代謝產(chǎn)物對膠質(zhì)瘤微環(huán)境中免疫應答及代謝的調(diào)控機制仍缺乏相關研究證實[13]。因此，本文將對腸道菌群及其代謝物參與膠質(zhì)瘤進展的作用機制進行綜述。

1 腸道菌群參與調(diào)控膠質(zhì)瘤的增殖及免疫應答

近年來開展的膠質(zhì)瘤荷瘤小鼠動物實驗表明,腸道菌群的異常或失調(diào)與膠質(zhì)瘤腫瘤細胞的生長和遷移存在相關性。有研究對膠質(zhì)瘤小鼠模型使用抗生素(萬古霉素和慶大霉素混合制劑)治療后，顯著地改變了腸道菌群的種類和組成結構。該研究結果表明，抗生素激活了小鼠腦組織中小膠質(zhì)細胞的精氨酸酶1和P2RY12蛋白，促進炎癥反應，并加速膠質(zhì)瘤細胞的增殖[14]。另一項研究對比了膠質(zhì)瘤荷瘤小鼠較健康小鼠腸道菌群發(fā)生的變化，結果發(fā)現(xiàn)其厚壁菌門/擬桿菌門比值顯著降低，并在疣微菌門和阿克曼氏菌屬的相對豐度方面表現(xiàn)出顯著差異。由此可見，菌群豐度降低或結構失調(diào)與膠質(zhì)瘤進展存在一定的相關性[15]。在臨床管理中，研究表明可通過改變腸道菌群治療諸如肥胖、糖尿病及老年癡呆等代謝病或慢性病[16]；那么我們能否通過改變膠質(zhì)瘤荷瘤小鼠的腸道菌群來抑制腫瘤細胞的生長呢？目前相關的研究較少，需開展進一步研究明確及證實相關機制。Kim等[17]的研究表明腸道菌群代謝產(chǎn)物Compound k可抑制膠質(zhì)瘤細胞上特異性趨化受體CXCR4的表達，進而抑制其介導的蛋白激酶C和細胞外信號調(diào)控激酶的激活，最終抑制基質(zhì)細胞產(chǎn)生的生長因子1誘導的膠質(zhì)瘤細胞遷移。膠質(zhì)瘤微環(huán)境中存在大量的免疫細胞及功能性淋巴管，由其構成的淋巴網(wǎng)絡功能障礙可促進膠質(zhì)瘤的進展。由于腸道菌群本身可參與調(diào)控免疫細胞的發(fā)育和功能，同時其代謝物亦可影響淋巴網(wǎng)絡的功能，因此菌群可直接或間接參與膠質(zhì)瘤進展的調(diào)控[13]；另外，腸道菌群比例的失調(diào)能夠誘導腫瘤微環(huán)境中的免疫應答處于抑制狀態(tài)，從而增加了膠質(zhì)瘤細胞的免疫逃逸進而加速膠質(zhì)瘤的進展[13,18]。有研究報道腸道菌群失調(diào)可下調(diào)粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子信號的傳導，使得骨髓來源的抑制細胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSCs)明顯增多，而MDSCs可通過產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)來抑制CD8 T細胞的功能，從而促進腫瘤的進展[19]；然而，在移植健康腸道菌群后，MDSCs介導的ROS生成及釋放明顯減少，因此其對膠質(zhì)瘤生長的促進作用就會相應減輕[20-21]。

此外，菌群多樣性的喪失同樣會導致CNS中免疫功能的缺陷；研究指出當菌群的多樣性下降時，會引起小膠質(zhì)細胞的發(fā)育異常及功能缺陷[22]，從而促進以異常小膠質(zhì)細胞為主的腫瘤相關巨噬細胞的增殖，最終促進膠質(zhì)瘤的進展。因此，我們可以得到以下推論：調(diào)控或移植菌群有望通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)成為治療膠質(zhì)瘤的新手段。

2 腸道菌群調(diào)控激素分泌對膠質(zhì)瘤的影響

腸道菌群可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸直接影響激素分泌，亦可間接調(diào)節(jié)包括雌激素、胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、單胺類神經(jīng)遞質(zhì)、瘦素和生長素釋放肽等在內(nèi)的多種激素；因此，一些學者甚至將腸道菌群稱為內(nèi)分泌器官[23]。由于人體激素對膠質(zhì)瘤微環(huán)境的調(diào)控具有雙向性，因此腸道菌群通過調(diào)節(jié)激素亦可對膠質(zhì)瘤微環(huán)境產(chǎn)生雙向調(diào)控作用。

雌激素已被證實參與了機體細胞的凋亡、神經(jīng)元的遷移及分化成熟等重要生理過程。當雌激素被神經(jīng)膠質(zhì)細胞分解為2-甲氧基雌二醇后，能夠通過激活JNK-c-jun信號通路促進膠質(zhì)瘤細胞凋亡；此外，腸道菌群分泌的β-葡萄糖醛酸苷酶能夠誘導已結合的雌激素解偶聯(lián)，促使循環(huán)雌激素水平上升，進而抑制膠質(zhì)瘤的進展[24]。生理狀態(tài)下，IGF-1可作為促進和穩(wěn)定新生血管生成及維持血腦屏障完整性的生長因子；然而，在膠質(zhì)瘤微環(huán)境中，IGF-1卻可促進膠質(zhì)瘤細胞的增殖及腫瘤血管的生成。研究證實腸道菌群能夠通過產(chǎn)生IGF-1激活PI3K/AKT信號通路誘導促凋亡的Bad蛋白中Ser136位點磷酸化，從而抑制膠質(zhì)瘤細胞的凋亡，使得腫瘤細胞持續(xù)地分裂和增殖[25]。同時，IGF-1還能通過穩(wěn)定血管內(nèi)皮生長因子，促進腫瘤血管生成，進一步促進膠質(zhì)瘤的發(fā)展。

除此之外，腸道菌群還參與了五羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)及多巴胺(dopamine,DOPA)的調(diào)節(jié)，并且這兩種激素對膠質(zhì)瘤細胞均具有雙向調(diào)控作用。其中，90%的5-HT來源于腸道菌群的代謝；當過度分泌5-HT時，可通過激活蛋白磷酸化信號通路(MAPK和AKT)從而促進膠質(zhì)瘤的增殖；然而，當5-HT分泌不足時，卻能夠通過減少腫瘤的血供從而抑制腫瘤生長。同樣，DOPA既可通過結合多巴胺受體2激活表皮生長因子受體的表達促使蛋白激酶MAPK磷酸化，促進膠質(zhì)瘤的進展；亦可與血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)相互作用誘導多種抗血管生成活動從而抑制腫瘤的增殖[26]。然而，目前對于腸道菌群在激素間相互作用的調(diào)節(jié)機制仍不明確，需進一步的研究證實。

3 腸道菌群代謝產(chǎn)物對膠質(zhì)瘤的作用

在過去的15年中，研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群產(chǎn)生的代謝物可以影響人們的諸多健康問題，例如糖尿病、心臟病和抑郁癥等[16,27]。對于膠質(zhì)瘤而言，其進展和機體的免疫狀態(tài)及多種炎細胞因子密切相關，而腸道菌群所產(chǎn)生的代謝物可通過一系列的級聯(lián)反應影響各個環(huán)節(jié)，尤其在免疫微環(huán)境、表觀遺傳修飾、能量代謝方面調(diào)控膠質(zhì)瘤的生長及代謝[13,28-29]。人類腸道菌群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物數(shù)目和種類繁多，可分為兩大類：1)短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFAs)，由乙酸(acetic acid,AA)、丙酸(propionic acid,PA)和丁酸(butyric acid,BA)等組成；2)非SCFAs菌群代謝產(chǎn)物，包括維生素、多酚和氨基酸等代謝物。

3.1 SCFAs對膠質(zhì)瘤的調(diào)節(jié)作用

機體產(chǎn)生SCFAs的腸道菌群主要有擬桿菌、雙歧桿菌、丙酸桿菌、乳桿菌、梭菌、Roseburia和普氏菌屬。其中BA主要來源于Roseburia等菌群，而AA主要來源于雙歧桿菌屬。在生理狀態(tài)下，SCFAs參與構建免疫屏障防止菌群和菌群代謝物移位，并參與調(diào)控血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)的通透性[30]。在維持和穩(wěn)定BBB方面，生理量的PA可保護BBB免受氧化應激損傷并降低細胞旁通透性[31],同樣BA可降低BBB的通透性進而減少有害物質(zhì)進入CNS[32]。對胃腸道而言，SCFAs還可通過調(diào)節(jié)緊密連接蛋白的表達來降低腸道黏膜的通透性，從而減少循環(huán)中腸源性細菌含量，維持正常的腸道屏障功能。此外，SCFAs可直接或間接地激活或抑制免疫細胞并調(diào)控炎癥因子的釋放。研究表明SCFAs可通過調(diào)控G蛋白偶聯(lián)受體等調(diào)節(jié)免疫細胞的分化、募集和激活[28]，包括樹突狀細胞、中性粒細胞、巨噬細胞、單核細胞及T細胞。例如，SCFAs可通過GPR109A信號通路誘導調(diào)節(jié)性T細胞分化，并通過GPR41/43通路活化蛋白激酶的信號轉(zhuǎn)導，從而增強免疫應答，維持腸道穩(wěn)態(tài)[29]；另外SCFAs還可促進輔助性T細胞(helper T cell,Th)1和Th17細胞的生成，進而直接影響T細胞的分化和增殖，調(diào)節(jié)機體的適應性免疫反應[33]。同時，SCFAS也可促進某些炎癥因子的釋放從而激活機體免疫應答(包括IL-1β、IL-6和CXCL8/IL-8等)。

在膠質(zhì)瘤中，SCFAs通過影響機體的免疫、血管生成、表觀遺傳學修飾來調(diào)控膠質(zhì)瘤細胞的生長及代謝。小膠質(zhì)細胞在CNS的免疫調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用，其可分為靜息的小膠質(zhì)細胞(M1型)和活化的小膠質(zhì)細胞(M2型)[34]。在生理狀態(tài)下這兩種亞型的小膠質(zhì)細胞處于動態(tài)平衡中。Dehhaghi等[21]通過動物實驗證實由菌群產(chǎn)生的SCFAs能夠打破這種平衡，使得膠質(zhì)瘤組織中出現(xiàn)大量M2型小膠質(zhì)細胞，抑制淋巴細胞增殖和T細胞分化，并顯著地促進了膠質(zhì)瘤細胞的增殖和遷移[35]。同時，Lisi等[36]的細胞實驗表明由SCFAs激活的M2型小膠質(zhì)細胞，通過分泌IL10、EGF和VEGF等細胞因子，促進膠質(zhì)瘤的生長及腫瘤新生血管生成。此外，表觀遺傳修飾失調(diào)是膠質(zhì)瘤進展的關鍵機制之一，菌群產(chǎn)生的SCFAs參與了組蛋白去?；^程[37]，能夠抑制組蛋白去乙?；?histone deacetylases,HDACs)的活性。研究表明，當HDACs的活性被抑制后能夠顯著降低腫瘤壞死因子-α和核因子NF-κB的表達，從而進一步抑制了膠質(zhì)瘤的增殖和分化[13]。

3.2 非SCFAs菌群代謝物對膠質(zhì)瘤的影響

除SCFAs外，由腸道菌群代謝產(chǎn)生的多種氨基酸對機體同樣具有廣泛的調(diào)節(jié)作用。其中，色氨酸作為必需氨基酸，是煙酸、氧化還原輔助因子NAD+/NADP+的重要前體。同時色氨酸是組蛋白去乙?；富钚缘恼{(diào)節(jié)因子，可參與神經(jīng)元凋亡調(diào)控，并可調(diào)節(jié)腫瘤細胞微環(huán)境中的分解代謝。此外，色氨酸衍生的吲哚及其衍生物亦可反向調(diào)節(jié)腸道菌群的穩(wěn)態(tài)及細胞基因的表達。色氨酸可通過激活膠質(zhì)瘤細胞中的芳基烴受體調(diào)節(jié)先天性和適應性免疫系統(tǒng)的功能，從而抑制膠質(zhì)瘤微環(huán)境中的免疫應答，最終促進膠質(zhì)瘤細胞的侵襲[21]。

谷氨酸作為酮戊二酸的重要來源，由短桿菌屬產(chǎn)生，參與異檸檬酸脫氫酶1/2基因突變后的代謝過程及DNA的異常甲基化；即谷氨酸可通過影響表觀遺傳修飾失調(diào)程度調(diào)控膠質(zhì)瘤的生長[13]；此外，減少谷氨酸的衍生物谷氨酰胺，以及甲硫氨酸、半胱氨酸等氨基酸的產(chǎn)生，可抑制腫瘤的自噬效應，降低腫瘤能量代謝進而限制膠質(zhì)瘤的增殖[38]。

多胺及一氧化氮是精氨酸的衍生物，同樣由腸道菌群代謝產(chǎn)生[39]。其中多胺可透過血腦屏障，通過上調(diào)鳥氨酸脫羧酶活性來誘導腫瘤細胞的增殖和轉(zhuǎn)移。而一氧化氮則通過抑制JAK3-STAT5信號通路，干擾T細胞功能并誘導其凋亡[21]，促進腫瘤細胞的生長。

4 總 結

腸道菌群通過直接或間接影響激素分泌及免疫應答參與機體多系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，并參與調(diào)控膠質(zhì)瘤微環(huán)境中的多種應答反應。此外，菌群的代謝產(chǎn)物中SCFAs和氨基酸不僅參與膠質(zhì)瘤免疫應答，同時還參與調(diào)控基因表觀遺傳學修飾。因此，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可作為抗膠質(zhì)瘤治療的潛在靶點，為抗膠質(zhì)瘤治療新靶點的發(fā)現(xiàn)提供思路及方向。

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