腸道菌群對結直腸癌發生、發展和診療影響的研究進展

王 純 陳東風 魏艷玲

陸軍軍醫大學大坪醫院消化內科(400010)

結直腸癌(colorectal cancer, CRC)為全球發病率第三、癌癥死亡率第二的腫瘤，目前臨床迫切需明確其危險因素和生物學標志物。CRC的發生、發展和治療與多種因素有關，其中腸道菌群紊亂可能起有一定的作用，但具體作用機制尚未闡明。一般而言，宿主維持著腸道內環境的穩態，一旦這種穩態被破壞(腸道菌群失調)，會導致疾病的發生，在炎癥性腸病、腸道腺瘤和CRC中均發現了腸道菌群失調的現象[1-2]。部分細菌如脆弱擬桿菌、大腸埃希菌、幽門螺桿菌、糞腸球菌、梭狀芽孢桿菌、具核梭桿菌等與CRC的發生有密切關系。不同種類的腸道菌群及其代謝產物對CRC的發生、發展和治療起截然不同的作用。本文就此作一綜述。

一、腸道菌群與CRC發生的關系

一項研究[3]對腸息肉患者糞便標本進行細菌培養和評估，發現富集的擬桿菌屬和雙歧桿菌會增加結腸癌的發生風險，而乳酸桿菌和產氣真菌是保護因素。Swidsinski等[4]亦發現大腸埃希菌富集與CRC的發生有關。隨著分子生物學和測序技術的發展，高通量分子測序技術可對CRC患者和正常對照組糞便中更多的菌群組成進行分析。Yu等[5]的研究采用宏基因組學方法對74例CRC患者和54名健康人糞菌進行測序，結果發現CRC組糞便細菌的多樣性明顯縮窄，同時21種細菌豐度明顯升高，且多數為口腔致病菌。表明CRC的發生與相關細菌之間存在協同作用。Wong等[6]將5例CRC患者和5名健康人的糞菌混合物分別喂養經多種抗菌藥物處理的低菌小鼠和無菌鼠，結果顯示CRC糞菌移植后可激活腸黏膜免疫，誘發炎癥反應，促進上皮細胞增殖，從而起促癌的作用。Baxter等[7]將CRC患者腸道菌群移植至無菌小鼠后，腫瘤發生率顯著提高。目前專一細菌對CRC特定作用的研究成果還很有限，常見細菌在CRC發生中的作用見表1。

二、腸道菌群參與CRC的可能機制

1. 腸道菌群失調引發的DNA損傷和染色體不穩定性：結直腸上皮細胞通過基因突變和(或)表觀遺傳學改變等導致細胞生長失調，最終導致腫瘤的形成。部分腸道菌群可通過自身直接作用或產生毒性代謝產物損傷上皮細胞DNA，引起基因突變或誘發染色體不穩定性。如部分大腸埃希菌含有聚酮合酶(PKS)島基因，能編碼一種基因毒素，引發DNA損傷通路，導致細胞雙鏈DNA斷裂[8]。脆弱擬桿菌腸毒素可裂解腸上皮細胞E-鈣黏蛋白并激活Wnt/β-catenin信號通路，誘導腸上皮細胞DNA損傷[9]。腸道內多數革蘭陰性菌可產生細胞致死性腫脹毒素(CDT)，CDT 可作為脫氧核苷酸酶損傷宿主成纖維細胞第9號染色體斷臂cⅡ基因，同時阻礙該基因的修復，最后導致CRC的發生[10]。腸桿菌能產生活性氧、活性氮、亞硝基化合物、β-葡萄糖醛酸酶以及精胺氧化酶等多種有毒代謝產物，誘導腸黏膜細胞DNA損傷，進而誘發CRC[11-12]。Lee等[13]的研究結果顯示，腸道菌群通過TLR/MyD88信號轉導途徑誘導活化的細胞外調節蛋白激酶(ERK)，使癌基因c-Myc發生磷酸化，通過翻譯后修飾提高c-Myc的穩定表達，促進腸上皮細胞發生癌變。此外，致病性大腸埃希菌NC101可編碼聚酮肽基因毒素“colibactin”，導致腸上皮細胞內DNA 錯配修復蛋白表達下調，γH2AX灶形成、G2/M 期細胞周期阻滯以及TM/CHK/CDC25/CDK1 DNA信號轉導通路的激活，損傷的染色體內DNA無法修復，并通過破損-融合-交聯過程影響細胞分裂而出現非整倍體和四倍體以及染色體不穩定性，最終誘發腫瘤[8,14]。

表1 腸道微生物對CRC發生的影響和功能

2. 腸道菌群失調可誘發腸道慢性炎性反應：長期潛在致病菌感染可導致腸黏膜慢性炎癥，這與CRC的發生、發展直接相關[15]。腸道菌群失調介導的慢性炎癥主要與免疫細胞及其產生的細胞因子有關，包括IL-23、IL-6、TNF-α、IL-17等，可促進血管形成并抑制腫瘤免疫反應，參與腫瘤增殖。腸道菌群還可通過激活TLR促進IL-1β、TNF-α等的表達，從而促進COX-2的產生。COX-2可介導前列腺素E2合成和促進炎癥反應，從而促進腫瘤的形成。

3. 腸道菌群失調介導免疫異常：研究顯示，腸道菌群通過腸黏膜M細胞激活黏膜內巨噬細胞，觸發固有免疫反應并產生邊際效應，從而促進CRC發生、發展[16]。固有免疫細胞膜表面TLR等模式識別受體過度表達，這些受體接受腸道菌群的刺激信號后促使細胞分泌大量炎性細胞因子如IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α等。此外，共生菌誘導的適應性免疫反應異常也可促進CRC的發生、發展。

4. 益生菌抑制CRC發生：益生菌(酪酸梭狀芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌)可通過減少炎癥、改善免疫穩態抑制細胞增殖，促進細胞凋亡，從而抑制CRC的發生[17]。腸道菌群發酵纖維產生的丁酸可誘導Treg細胞的擴增和抗炎細胞因子的產生，抑制CRC的發生[18]。

三、腸道菌群對CRC的診斷價值

腸道菌群的生物學標志物或可作為診斷CRC的新標準。有研究顯示，通過觀測具核梭桿菌的富集即可預測CRC處于進展期，且化療療效欠佳[19]。另有研究發現，腸道菌群多樣性預示患者移植后血液感染發生風險低，移植前菌群多樣性減低者接受移植后菌群多樣性維持降低狀態，且中性粒細胞數量恢復后的90 d內更易發生感染[20]。

四、腸道菌群對CRC治療的影響

1. 腸道菌群對化療的影響：腸道菌群對化療的影響表現為提高化療療效、降低化療療效和介導耐藥、介導毒性反應。腸道菌群作用于腫瘤化療的機制可用“TIMER”來概括[21]，即Translocation(菌群移位)、Immunomodulation(免疫調節)、Metabolism(代謝)、Enzymatic degradation(酶降解)以及Reduced diversity and ecological variation(多樣性降低和菌群失調)，其中，與CRC關系密切的機制為免疫調節、代謝和酶降解。Iida等[22]證實，腸道菌群可增強鉑類、CpG寡核苷酸等化療藥物對腫瘤的療效。研究發現，化療期間腸道微生態的改變與腸黏膜炎癥密切相關[23]。腸道有益菌可能通過降低促炎因子活性和活性氧含量、加強腸上皮細胞間的緊密連接、降低腸道通透性、促進腸上皮細胞黏液分泌、促進腸上皮細胞修復等途徑減輕化療相關炎癥反應。研究顯示化療期間補充益生菌可減輕化療相關胃腸道反應[24]。

2. 腸道菌群對免疫治療的影響：某些特定的腸道菌群可增強烷化劑、TLR激動劑、免疫檢查點抑制劑(ICI)、過繼性細胞免疫治療等的抗腫瘤作用。如多形擬桿菌、脆弱擬桿菌、變形菌門可顯著影響CTLA-4阻斷劑的抗腫瘤療效，雙歧桿菌屬則可明顯提高小鼠腫瘤特異性T細胞反應和腫瘤內CD8+T細胞的積累，并可增強PD-L1單克隆抗體的抗腫瘤療效。近期有研究顯示多種腫瘤對PD-1/PD-L1單克隆抗體無應答的原因為腸道菌群失調，抗菌藥物可顯著降低患者對ICI治療的應答率，將對ICI應答者的糞菌移植給小鼠，可顯著提高ICI的療效。患者體內Akk菌豐度與ICI應答顯著相關，移植了對ICI無應答者糞菌的無菌小鼠口服Akk菌后，能恢復對PD-1抑制劑的應答[25]。

五、結語

綜上所述，腸道菌群與CRC的發生、發展密切相關。有害菌增多可通過誘導腸道慢性炎癥、介導免疫異常以及造成DNA損傷等途徑促進CRC的發生、發展，而有益菌不僅可抑制腸道腫瘤的發生，而且可用于增強CRC化療和免疫治療的療效。腸道菌群特定細菌標志物的檢測有望作為CRC的篩查方法。由此可見，對腸道菌群的研究有望為CRC的防治提供新的思路。