腸道菌群對結(jié)直腸癌發(fā)生及其診治作用的研究進(jìn)展

黃丹妮，周喜漢

1右江民族醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，廣西 百色 533000；2右江民族醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院

結(jié)直腸癌（CRC）是一種始于結(jié)直腸的惡性腫瘤，是消化系統(tǒng)常見的惡性腫瘤之一。據(jù)最新的癌癥統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年全球CRC發(fā)病率及病死率在所有癌癥中分別位居第3位及第2位［1］。盡管隨著科學(xué)研究的深入，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)及代謝組學(xué)方法的整合在惡性腫瘤的預(yù)防、診斷及治療方面的研究取得較大進(jìn)展，使得CRC患者生存率和生活質(zhì)量得到不同程度的提高；但在中國，CRC仍是一個重大的健康和社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。國內(nèi)有學(xué)者統(tǒng)計分析了2020年我國癌癥發(fā)病數(shù)及死亡數(shù)，CRC分別位居第2位、第5位，CRC發(fā)病數(shù)已超過胃癌，居我國癌癥發(fā)生率第2位［2］。因此，詳細(xì)了解CRC潛在的病因及作用機(jī)制，對其防治有重要意義?，F(xiàn)就腸道菌群在CRC的作用機(jī)制及在其診斷治療中的應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 腸道菌群在CRC發(fā)生中的作用機(jī)制

胃腸道是人體內(nèi)細(xì)菌密度最高、種類最多的地方，結(jié)腸中約有3.8×1013個細(xì)菌，每克管腔內(nèi)容物中有多達(dá)1×1012個微生物，占糞便重量的60%。隨著2007年人類微生物組計劃（HMP）開啟，人們逐漸發(fā)現(xiàn)腸道細(xì)菌是CRC發(fā)生的危險因素之一。

有研究通過對所有基因進(jìn)行隨機(jī)測序確定了人類腸道的細(xì)菌微生物組，以厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門為主，其中厚壁菌門和擬桿菌門約占腸道微生物群的90%［3］。在CRC中常表現(xiàn)為部分菌群的富集，如研究發(fā)現(xiàn)具核梭桿菌在晚期CRC組織中大量存在［4］，這可能有助于腫瘤侵襲和轉(zhuǎn)移性增殖；研究發(fā)現(xiàn)，CRC組織中大腸桿菌（E.coli）、產(chǎn)腸毒素脆弱類桿菌（ETBF）、厭氧消化鏈球菌、糞腸球菌的豐度顯著增加［5］。CRC的發(fā)生、發(fā)展是在基因突變基礎(chǔ)上多因素共同參與的過程。雖然研究發(fā)現(xiàn)很多細(xì)菌在CRC中富集，但目前尚無明確證據(jù)表明某個確切的細(xì)菌可以引發(fā)CRC。20世紀(jì)70年代，國外學(xué)者研究首次發(fā)現(xiàn)了腸道菌群與CRC的相關(guān)性。目前普遍認(rèn)為，腸道菌群誘導(dǎo)的CRC作用機(jī)制與細(xì)菌產(chǎn)生的毒素釋放增強誘導(dǎo)DNA損傷、腸道有益菌衍生代謝物的減少、腸道上皮屏障功能障礙或腸道菌群生態(tài)失調(diào)等多方面因素有關(guān)。

1.1 腸道菌群失調(diào)、屏障功能障礙引發(fā)炎癥反應(yīng)正常的腸道菌群在宿主營養(yǎng)代謝、外源物質(zhì)和藥物代謝、維持腸道黏膜屏障的結(jié)構(gòu)完整性、免疫調(diào)節(jié)和抵抗病原體方面具有特定的功能。西式生活習(xí)慣（如肥胖、不健康飲食）、宿主基因和免疫反應(yīng)的相互作用會引起微生物組的變化，最終導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，并將代謝功能的平衡從有益轉(zhuǎn)變?yōu)橛泻?。腸道細(xì)菌失調(diào)導(dǎo)致宿主微生物組從健康相關(guān)的穩(wěn)態(tài)持續(xù)偏離，轉(zhuǎn)向促進(jìn)和或維持癌癥的表型，這是癌癥的病因和發(fā)病機(jī)制之一［6］。

腸道屏障作為一個動態(tài)而復(fù)雜的物理和化學(xué)屏障，它可以抑制病原生物、抗原和其他入侵細(xì)菌進(jìn)入宿主，其功能障礙是導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的始動因素。宿主腸道屏障缺陷和細(xì)菌入侵的結(jié)合可能會引發(fā)大量的免疫反應(yīng)、腸道黏膜中的細(xì)菌易位和免疫過度激活，從而影響腸道菌群，并導(dǎo)致具有遺傳易感性的個體進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成為促進(jìn)疾病的微生物成分，最終導(dǎo)致慢性炎癥和惡性轉(zhuǎn)化［7］。

最近研究發(fā)現(xiàn)，CRC中可以檢測到炎癥細(xì)胞分泌的促炎細(xì)胞因子：腫瘤壞死因子，揭示了CRC與炎癥的重要關(guān)系［8］。腸道菌群參與慢性炎癥、特定細(xì)菌感染和慢性炎癥后，腸道細(xì)胞微環(huán)境發(fā)生變化，導(dǎo)致癌前病變和最終癌變事件。有研究發(fā)現(xiàn)，ETBF產(chǎn)生的脆弱類桿菌毒素（BFT）可通過破壞緊密連接和增加腸道通透性在腸道炎癥和上皮屏障損傷中起重要作用［9］。一項體內(nèi)實驗結(jié)果表明，腸道屏障的改變允許微生物誘發(fā)局部炎癥，促進(jìn)小鼠息肉的形成和癌癥的發(fā)展［10］。在另一項體內(nèi)實驗中亦證明，屏障功能缺陷有利于脂多糖易位和黏膜免疫細(xì)胞源性細(xì)胞因子的激活，如IL-23、IL-6和IL-17A，這種獨特的炎癥環(huán)境有利于癌細(xì)胞的進(jìn)展和腺癌的發(fā)展［11］。此外，研究發(fā)現(xiàn)，飲食和生活方式因素亦會影響宿主和腸道菌群之間的關(guān)系，導(dǎo)致腸道屏障功能和免疫反應(yīng)的改變，引發(fā)炎癥［12］。

1.2 腸道菌群代謝產(chǎn)物促進(jìn)CRC發(fā)生腸道菌群在多個代謝過程中起重要作用：營養(yǎng)和礦物質(zhì)吸收、合成不同酶、維生素、氨基酸以及短鏈脂肪酸（SCFA）等，其中SCFA可為上皮細(xì)胞提供能量、增強上皮屏障完整性以及提供免疫調(diào)節(jié)和抵抗病原體。腸道菌群代謝產(chǎn)物是將腸道菌群與CRC聯(lián)系起來關(guān)鍵因素之一，不同的代謝產(chǎn)物與黏膜界面的上皮細(xì)胞相互作用，刺激上皮，可能直接導(dǎo)致上皮細(xì)胞的結(jié)構(gòu)損傷并激活促致癌信號通路，或可間接與腸道菌群相互作用，影響不同疾病的發(fā)生、發(fā)展［13］。

多胺：腸道內(nèi)含有大量多胺，包括精胺、亞精胺和腐胺，它們是從飲食中獲得或由宿主和細(xì)菌生物合成，是正常細(xì)胞和癌細(xì)胞中細(xì)胞增殖、分化和生長的基本要素。目前研究表明，多胺代謝失調(diào)可加速CRC的發(fā)生，其可能通過促進(jìn)氧化應(yīng)激或激活致癌信號發(fā)揮作用。有研究通過宏基因組分析確定，CRC相關(guān)菌群與氨基酸轉(zhuǎn)化為多胺（如L-精氨酸和L-鳥氨酸降解為腐胺）有關(guān)［14］。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，亞精胺/精胺N1消耗CRC細(xì)胞中的乙酰轉(zhuǎn)移酶導(dǎo)致亞精胺和精胺水平升高以及pAKT和β-連環(huán)蛋白的表達(dá)增加，并促進(jìn)細(xì)胞增殖和腫瘤轉(zhuǎn)移，表明多胺可以激活致癌信號［15］。

膽汁酸：在胃腸道中初級膽汁酸主要通過回腸中的腸肝循環(huán)被重新吸收，約5%的膽汁酸通過腸道菌群被解偶聯(lián)轉(zhuǎn)化為次級膽汁酸，次級膽汁酸包括脫氧膽酸（DCA）、石膽酸（LCA）和熊去氧膽酸（UDCA）。在人CRC HCT116細(xì)胞中進(jìn)行的一項研究表明，LCA可刺激IL-8表達(dá)，并在腫瘤微環(huán)境中誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞增殖和管狀形成，表明LCA可能作為CRC啟動子誘導(dǎo)腫瘤發(fā)生［16］。有研究發(fā)現(xiàn)，DCA可誘導(dǎo)CHANGDAO腸道菌群變化促進(jìn)腺瘤-腺癌轉(zhuǎn)化，具體機(jī)制可能是DCA拮抗腸道法尼醇X受體（FXR）功能，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞增殖和Lgr5+癌癥干細(xì)胞擴(kuò)增［17］。

SCFA：腸道菌群代謝產(chǎn)物對腸道的作用既可以是致癌的，也可以是抑癌的。SCFA是腸道菌群發(fā)酵膳食纖維的產(chǎn)物，主要包括丁酸鹽、丙酸鹽和醋酸鹽，其可通過調(diào)節(jié)局部免疫反應(yīng)和保護(hù)腸道屏障，對結(jié)腸黏膜的健康有重要作用。目前認(rèn)為，SCFA具有腫瘤抑制特性。研究發(fā)現(xiàn)，在CRC中丁酸鹽可通過直接抑制組蛋白去乙?；富钚詠碚{(diào)節(jié)腫瘤抑制基因的翻譯來抑制腫瘤發(fā)生，它還通過替代途徑介導(dǎo)其作用，如癌細(xì)胞的代謝重新布線、G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）信號通路的激活，最終導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡和抗炎反應(yīng)［18］。SCFA還可通過增強局部免疫抑制腫瘤發(fā)生，SCFA通過促進(jìn)漿細(xì)胞產(chǎn)生IgA促進(jìn)免疫，IgA抗體阻止細(xì)菌黏附上皮細(xì)胞，并阻止進(jìn)一步惡性轉(zhuǎn)化，IgA抗體直接影響細(xì)菌毒性，從而防止細(xì)菌入侵和感染［19］。目前證據(jù)表明，SCFA對CRC具有預(yù)防作用，但仍需更深入的研究來了解其在腫瘤發(fā)生背景下介導(dǎo)結(jié)腸上皮和腸道菌群相互作用中的具體機(jī)制。

1.3 細(xì)菌毒力因子誘導(dǎo)DNA損傷腸道菌群不僅可通過炎癥疾病及代謝產(chǎn)物誘發(fā)CRC，還可通過毒力因子誘導(dǎo)DNA損傷促進(jìn)癌變。目前研究發(fā)現(xiàn)，很多在CRC組織中富集的細(xì)菌都可以誘導(dǎo)DNA損傷，從而促進(jìn)CRC發(fā)生。早期研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌和空腸彎曲菌產(chǎn)生的細(xì)胞致死性擴(kuò)張毒素（CDT）可以通過其DNA酶活性誘導(dǎo)雙鏈DNA斷裂。最近一項在CRC小鼠模型中實驗結(jié)果表明，CDT缺陷菌株致癌潛力降低，間接證明CDT的致癌作用［20］。研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌、ETBF、核桿菌屬等微生物會破壞腸道屏障內(nèi)襯和結(jié)腸細(xì)胞DNA，增加促炎細(xì)胞因子和氧化因子，并產(chǎn)生潛在的致癌毒素［6］。沙門氏菌產(chǎn)生的傷寒毒素可通過結(jié)腸上皮細(xì)胞中的磷酸肌醇3激酶（PI3K）途徑損傷DNA［21］。糞腸球菌菌株會產(chǎn)生活性氧和細(xì)胞外超氧陰離子，導(dǎo)致DNA損傷和染色體不穩(wěn)定［22］。目前研究表明，腸道細(xì)菌可以通過產(chǎn)生不同的毒力因子誘導(dǎo)DNA損傷促進(jìn)CRC發(fā)生，這可能成為CRC治療的一個重要靶點。

1.4 激活或增強免疫反應(yīng)促進(jìn)CRC發(fā)生除了上述作用機(jī)制，某些腸道菌還可通過激活或增強免疫反應(yīng)促進(jìn)CRC發(fā)生。如具核梭桿菌可通過下調(diào)抗腫瘤T細(xì)胞介導(dǎo)的適應(yīng)性免疫而促進(jìn)結(jié)腸腫瘤的發(fā)展［23］；有研究發(fā)現(xiàn)，厭氧消化鏈球菌誘導(dǎo)促炎癥免疫微環(huán)境并促進(jìn)腫瘤生長，該菌株可通過在小鼠模型中增加促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，并招募腫瘤浸潤性免疫細(xì)胞，如免疫抑制性髓源性抑制細(xì)胞，在腫瘤形成中發(fā)揮作用［24］；此外，沙門氏菌可通過激活結(jié)腸腫瘤細(xì)胞中的Wnt/β-catenin和激活免疫反應(yīng)STAT3信號通路促進(jìn)結(jié)腸腫瘤的發(fā)生［25］。

2 腸道菌群在CRC診斷及治療中的應(yīng)用

眾所周知，早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷及早期干預(yù)是提高CRC患者生存率及生活質(zhì)量的重要途徑。腸道微生物組作為腫瘤微環(huán)境的反映，和代謝組學(xué)在不久的將來會成為診斷和治療CRC的可靠無創(chuàng)靶點。

目前研究發(fā)現(xiàn)，ETBF檢測可能是結(jié)直腸癌的潛在標(biāo)志物。國外兩項薈萃分析表明，分類和功能性腸道菌群圖譜在診斷時均能高精度預(yù)測CRC［14，26］。微生物基因標(biāo)志物作為糞便宏基因組生物標(biāo)志物在CRC早期診斷中有潛在優(yōu)勢，并在不同種族的隊列研究中驗證了結(jié)果［27］。但目前由于技術(shù)及費用的問題，并且缺少可信的臨床證據(jù)，這些標(biāo)記物并未進(jìn)入到臨床應(yīng)用中。

腸道菌群不僅可作為檢測腫瘤的生物標(biāo)志物，還可調(diào)節(jié)CRC治療和預(yù)防措施的效果，腸道菌群調(diào)節(jié)是醫(yī)學(xué)中改善個體健康的最有前景的新策略之一。研究表明，可以通過飲食干預(yù)、益生元、益生菌、后生物、抗生素和糞便微生物群移植調(diào)節(jié)腸道菌群［28］。在一項隨機(jī)對照實驗中證實，定期食用益生菌可以改善腸道微生物群的多樣性和豐富性，降低慢性炎癥，并減少腸道失調(diào)期間致癌化合物的產(chǎn)生［29］。研究發(fā)現(xiàn)，益生菌不僅有助于增強抗癌治療劑的效果，還可減輕傳統(tǒng)癌癥治療所造成的不良反應(yīng)［30］。研究發(fā)現(xiàn)，具核梭桿菌可通過調(diào)節(jié)自噬促進(jìn)CRC的化療耐藥，減少CRC患者的特定腸道微生物可能會改善他們對化療的反應(yīng)并減少癌癥復(fù)發(fā)［31］。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，靶向大腸桿菌素可控制大腸桿菌素誘導(dǎo)的基因毒性和促腫瘤作用［32］。上述研究發(fā)現(xiàn)可能是治療CRC的治療靶點。但目前對于補充如可能具有抗炎和抗癌作用的微生物發(fā)酵產(chǎn)物、SCFA是否對CRC患者有益，尚缺乏令人信服的證據(jù)。

綜上所述，腸道菌群在CRC發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用，腸道菌群在CRC中的作用機(jī)制及診治中的作用是目前研究熱點。對于CRC中腸道菌群的研究及探索，不僅有助于更加深入了解CRC發(fā)生、發(fā)展的分子機(jī)制，還有助于建立基于腸道菌群的腫瘤標(biāo)志物，達(dá)到早期發(fā)現(xiàn)、早期干預(yù)CRC的目的。