腸道微環境對膠質瘤的影響

朱云揚，肖紅，劉宏毅

膠質瘤是中樞神經系統(central nervous system，CNS)最常見的惡性腫瘤。對于高級別膠質瘤，主流治療方式包括外科手術、放療、化療等的效果常常不理想，且預后差，復發率高。影響膠質瘤生成、進展、預后的因素很多，如原癌、抑癌基因的突變及免疫因素、膠質瘤微環境改變等。然而，大多數研究只專注于CNS內部，對顱腦以外的相關影響因素研究甚少。人體作為一個有機整體，機體各大系統間均緊密相關。胃腸道作為消化系統的重要部分，其代謝產物、免疫微環境、炎癥刺激等因素與各大系統的腫瘤如食管癌、血液腫瘤、骨腫瘤、乳腺癌等密切相關[1-2]。近年來，雖然腸道微環境與CNS疾病的相關性研究越來越受重視，但腸道微環境對膠質瘤生長、增殖的影響的研究卻仍相對較少。

人體胃腸道內定居著數萬億的微生物群，其攜帶的基因序列是人類基因組的約150倍。早在兩千多年前，希波克拉底就曾斷言：“所有疾病都來自于胃腸道”。如今，微生物及其代謝產物已被證明在人腦的生長、發育、免疫調節、能量代謝、信號轉導等方面具有重要調節作用[3]。腸道被視為人體第二個大腦，“腸腦軸”這一概念包含了腸道代謝與人腦神經信號的傳遞、免疫誘導、神經系統微環境調節等之間的相互作用[4]。大腦與胃腸是雙向緊密聯系的，緊張、焦慮所產生的神經信號，往往引起腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)等疾病。腸道菌群與各種腸道代謝產物，如各種激素、色氨酸、谷氨酸(glutamate，Glu)、五羥色胺(5-HT)、短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)等都會影響著人腦的抑郁、焦慮、自閉等精神狀態。此外，腸腦軸通過神經、免疫、內分泌等途徑，影響著精神分裂癥、老年癡呆癥、帕金森病等多種神經精神疾病的發生與進展。腸道菌群與腸道內環境的改變，已被證實與膠質瘤的增殖相關；如飲食、腸道菌群等產生的腸道代謝產物，可以激活膠質瘤中的芳基烴受體(aryl hydrocarbon receptor，AHR)，并通過抑制細胞免疫等機制促進膠質瘤的惡性進展。

以往，腸道微環境影響CNS腫瘤的研究報道較少，只在近期才逐漸受到業界的重視。現對腸道菌群與各類腸道代謝產物通過神經信號傳導、小膠質細胞調節、能量代謝等方式，對腦膠質瘤發生、發展的影響進行綜述，希望能為膠質瘤的研究提供新的思路。

1 腸腦相關神經因子與信號

胎兒的腸道在出生前呈無菌狀態，在出生后，隨著雙歧桿菌、乳酸桿菌、大腸桿菌、各類球菌、細菌以及其他微生物的定植，神經肽Y(NpY)、多巴胺(dopamine，DA)、5-HT、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)、乙酰膽堿(acetylcholine，Ach)和Glu等神經遞質、神經肽被合成與傳遞。這些神經信號因子可通過下丘腦-垂體-腎上腺(HPA)軸、迷走神經通路、腸腦谷胱甘肽通路等影響壓力、焦慮、抑郁等心境變化，影響神經退行性疾病和腦膠質瘤的進展。下面，著重介紹幾種與膠質瘤密切相關的腸腦神經信號。

1.1 AHR AHR在膠質瘤，特別是膠質母細胞瘤中廣泛高表達。AHR除了被膠質瘤自身的犬尿氨酸激活外，還能被環境、飲食、腸道菌群產生的AHR配體所激活，且AHR的高表達常常與膠質瘤患者的預后不良相關。

腸道微生物群將膳食中的色氨酸催化成AHR激動劑，與星形膠質細胞及膠質瘤的AHR結合并誘導其相關作用，如誘導T細胞的激活[5]，調節樹突狀細胞(dendritic cell，DC)，通過缺氧因子1(hypoxia factor，HIF1)來招募腫瘤相關巨噬細胞(tumor associated macrophages，TAM)；DC與TAM中的AHR還能作用于CD8+T細胞來調控膠質瘤的生長[6]。此外，膠質瘤通過消耗內源性色氨酸，生成免疫調節色氨酸，從而激活AHR并抑制T細胞功能，誘導T細胞凋亡，促進CD39表達，誘導白介素10(interleukin-10，IL-10)產生Tr1細胞的分化等作用[7]。

AHR相關信號通路會改變氨基酸代謝途徑，抑制膠質瘤相關巨噬細胞、T細胞、抗原呈遞細胞、星形膠質細胞和小膠質細胞等免疫細胞的功能，造成膠質瘤發生、發展過程中免疫微環境的抑制性改變，并促進膠質瘤侵襲、遷移、克隆形成等功能[6,8]。AHR通路激活的關鍵因子有IL4誘導因子1(IL4I1)、吲哚胺-2,3-雙加氧酶1/2(indoleamine dioxygenase，IDO1/2)和色氨酸-2,3-雙加氧酶(tryptophan dioxygenase,TDO)。無論在高級別膠質瘤還是低級別膠質瘤中，IL4I1與AHR活性正相關，與患者生存期負相關[9]。IDO1/TDO激活犬尿氨酸-AHR信號通路，與膠質瘤的病理分級、Ki67指數正相關，與總生存期負相關[10]。總之，AHR是飲食與腸道菌群影響膠質瘤進展的重要因素，且與膠質瘤的級別相關。

1.2 迷走神經 迷走神經是副交感神經系統的重要組成部分。迷走神經的內臟感知功能，能將腸道代謝的信息傳遞給CNS，構成微生物-腸-腦軸信號傳遞網絡。腸道菌群的各種代謝產物，通過toll樣受體刺激腸道內分泌細胞，產生的5-HT、縮膽囊素(cholecystokinin，CCK)、胰高血糖素肽等激素，向迷走神經的傳入纖維傳遞信息至CNS。除了通過迷走神經化學感受器來間接傳遞信號之外，Glu、短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFA)等神經遞質還能直接向迷走神經傳遞腸道-神經信號[11]。α-突觸核蛋白通過腸道信號刺激迷走神經而在CNS中產生并積聚，可造成帕金森病等疾病。近期研究發現，α-突觸核蛋白也在膠質母細胞瘤中高表達[12]。迷走神經及其膽堿受體信號能調節腫瘤相關微環境以及腫瘤免疫環境，甚至向大腦提前作出腫瘤預警，通過抑制腫瘤因子來減緩各種腫瘤的進展[13]。雖然許多研究揭示了迷走神經與腫瘤的微環境間的關聯，但迷走神經刺激能否確切而有效地影響膠質瘤的增殖，仍有待進一步研究。

1.3 腸道炎癥相關因子對膠質瘤的影響 在腸道炎癥患者中，許多與膠質瘤增殖相關的蛋白、因子被陸續發現。如膠原蛋白十六、血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)等均在腸道炎性疾病中大量存在。膠原蛋白十六可充當一種適配器蛋白，連接、構成大型纖維網絡，調節細胞外基質的完整性和穩定性。膠原蛋白十六在膠質母細胞瘤中，可作為粘附和侵襲的細胞基質，誘導膠質瘤的侵襲性[14]。血管活性腸肽具有抗膠質瘤細胞增殖的特性[15]。在過半膠質母細胞瘤(glioblastoma,GBM)樣本中發現的血管活性腸肽受體(vasoactive intestinal polypeptide receptor，VPAC)特別是VPAC1的增強核定位作用，促進了膠質瘤的增殖與遷移[16]。

富亮氨酸重復序列的G蛋白偶聯受體4(Lgr4)涉及腸道、胃和表皮細胞功能，LGR5是腸道粘膜和皮膚毛囊中的干細胞標記，其均被證實與惡性膠質瘤的進展及不良預后相關[17-18]。Anoctamin-1(ANO1)在胃腸道中介導上皮細胞的液體分泌功能和平滑肌細胞的蠕動功能，對胃腸道內環境具有重要調節作用。ANO1的異常表達與IBS、病理性腹瀉等胃腸道內環境紊亂性疾病密切相關[19]。除調節胃腸道內環境外，ANO1被發現在GBM中過表達，ANO1的高表達通過激活MAPK、PKB、NF-κB等信號通路促進膠質母細胞瘤的增殖、遷移、侵襲和血管生成等惡性進程[20-21]。ANO1可能是連結腸道內環境與腦膠質瘤間潛在的橋梁。

2 小膠質細胞成熟與活化

2.1 小膠質細胞與膠質瘤 膠質瘤組織不僅僅由腫瘤細胞單獨組成，還有許多非腫瘤細胞共同構成的。其中，以小膠質細胞為主的TAM占比多達30%～50%。如此高比例的小膠質細胞，為膠質瘤的治療提供了可能性。針對小膠質和巨噬細胞的免疫治療，可能會成為膠質瘤新的輔助療法。

雖然小膠質細胞是CNS中有免疫與吞噬功能的細胞，但在膠質瘤中，其卻不攻擊或很少吞噬膠質瘤細胞。研究發現，膠質瘤表面蛋白CD47高表達，該蛋白與吞噬細胞上的同源受體STRP+結合，以抑制其吞噬活性。另外，小膠質細胞在膠質瘤中通過TLR2、TLR4等toll樣受體、T淋巴細胞等獲得重新編碼[22]；這可能與膠質瘤的免疫逃逸有關。膠質瘤組織中，小膠質細胞等TAMs，不僅難以吞噬膠質瘤細胞，反而為膠質瘤細胞的遷移和侵襲創造支持性基質[23]。故而雖然小膠質細胞是惡性膠質瘤中比例最高的免疫細胞，其卻與患者的存活率成反比[24]。此外，研究還發現，在膠質瘤復發時，外周來源的單核細胞減少，中樞性的巨噬細胞/小膠質細胞的亞型依賴性增加[25]。膠質瘤微環境很大一部分由以小膠質和巨噬細胞為首的炎癥滲透物組成，能促進腫瘤生長、耐藥、復發[26]。因此，將小膠質細胞作為治療靶標，具有較高的可行性。

2.2 腸道代謝產物、微生物對小膠質細胞成熟、活化的影響 腸道微生物群是小膠質細胞活化所必須的[27]。在沒有或缺乏腸道微生物群的情況下，雖然CNS中小膠質細胞的總數保持不變，但成熟小膠質細胞的數量卻大幅減少[28]。研究表明，進入循環的腸道微生物群及其代謝產物的含量也會影響CNS小膠質細胞的功能[29]。如由膳食碳水化合物和纖維的細菌發酵而成的SCFA，能管控小膠質細胞成熟的過程，缺乏SCFA將導致CNS小膠質細胞結構和免疫功能受損[30-31]。一項將老年小鼠的糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)到年輕小鼠的實驗顯示，在FMT移植后，小膠質細胞與其他CNS免疫細胞的表型發生了變化[32]。腸道炎癥小鼠模型實驗發現，小鼠CNS中出現了明顯的可逆性炎癥反應，其特征是小膠質細胞活化和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factorα,TNF-α)表達水平增高[33]。另一項急慢性結腸炎模型的實驗發現[34]，急性結腸炎模型小鼠的海馬體中，來自外圍的巨噬細胞和炎癥性骨髓細胞的滲透增強，以及炎癥M1樣小膠質細胞增多。在慢性結腸炎模型實驗研究中發現，組織修復M2樣小膠質細胞的百分比增加，同時抗炎細胞因子水平升高。除了腸道菌群外，腸道TLR4信號的激活導致腸道中高流動性組框1的釋放，能夠促進大腦的小膠質細胞活化與神經功能障礙[35]。

雖然腸道微生物影響人腦小膠質細胞的確切機制仍不明晰，但小膠質細胞與腸道菌群的多樣性、特異性密切相關。3種細菌的最小菌落(類桿菌、唾液乳桿菌、ASF356)即可維持小膠質細胞的異常活化與生長[31]。近期，一項研究首次發現[36]，通過兩種抗生素來改變腸道菌群的家族性分布，便可通過產生NK細胞的早期損傷，誘導小膠質細胞表型改變，來促進膠質瘤的生長。總之，通過調節腸道菌群，誘導小膠質細胞活性與表型的改變，從而改變腦膠質瘤的免疫微環境。

3 能量代謝

飲食來源、腸道代謝、合成的蛋白與氨基酸不僅可以作為信號因子向膠質瘤傳遞神經信號，還能調節膠質瘤的代謝，從而促進或抑制腫瘤的增殖。大量研究表明，飲食和代謝療法對膠質瘤的治療具有積極作用。如在一項實驗中，給膠質瘤荷瘤小鼠喂食去除甲硫氨酸(methionine,Met)、半胱氨酸(cysteine,Cys)的飲食后，能顯著抑制膠質瘤的增殖；其機制與Met、Cys缺乏后，增多的活性氧(reactive oxygen,ROS)通過誘導腫瘤自噬效應以滿足自生能量及代謝需求有關[37-38]。除了直接改變飲食成分外，腸道各菌群的變化也會造成Met、Cys等氨基酸水平的顯著改變[39]。調節飲食或腸道菌群，通過營養代謝途徑來抑制膠質瘤的增殖是一個值得研究的新方向。

谷氨酰胺(glutamine,Gln)在膠質瘤能量代謝中起著重要作用，Glu與Gln在CNS中有參與能量代謝與神經信號傳遞的功能。雖然膠質瘤生長、代謝極度依賴Gln，Gln饑餓療法也被證明可減少膠質母細胞瘤細胞的增殖活力[40]。但膠質瘤代謝所需要的Gln過半是在CNS中原位合成；故外周血循環的Gln對膠質瘤能量代謝的影響有限。目前大多數Gln與膠質瘤能量代謝的研究均局限于CNS內。研究表明，膠質瘤患者外周血液循環中的Gln含量低于正常人[41]。這可能是因為其被用來補償膠質瘤細胞過度的能量消耗所致。腸道的Gln大部分來自于飲食，還有一部分由腸道各類細菌合成。在腸道環境病變時，如炎癥性腸病或IBS時，腸道屏障、血-腦屏障對Gln的滲透性增加，通過微生物群-腸-腦軸影響CNS中Glu能受體，導致CNS能量代謝的改變。此外，腸道腐生微生物群落的變化也通過多種途徑直接或間接地改變腦中Glu含量[42]，進而影響膠質瘤的能量供應。限制熱量和限制生酮的飲食是新的膠質瘤代謝療法，通過減少血循環中葡萄糖和Gln，可以限制膠質瘤能量代謝，誘導代謝性氧化應激與凋亡反應，改善膠質母細胞瘤的預后[43]。

4 結 論

腸道菌群、腸道代謝產物、炎癥等腸道微環境的改變，能通過神經、免疫、內分泌等多種途徑影響著膠質瘤的發生與發展。神經因子、神經信號通過腸腦軸的傳遞，小膠質細胞的活化，以及能量代謝是其中三種重要的機制。過去的研究多關注膠質瘤本身或瘤周微環境，而忽視了人體作為一個整體，腦與其他各大系統的緊密聯系。如果將膠質瘤的研究視角投向CNS以外，如腸道微環境為代表的消化系統中，相信能取得更多的研究成果。