次級膽汁酸與短鏈脂肪酸對結直腸癌發生發展的影響

肖 昕, 孫建飛, 肖 剛, 郭 輝, 曹麗娟, 任玉靜

(1.陜西中醫藥大學, 陜西 咸陽 712046 2.陜西中醫藥大學附屬醫院, 陜西 咸陽 712000)

結直腸癌(Colorectal cancer,CRC)發病率和死亡率呈逐年遞增的趨勢,是惡性腫瘤死亡的主要原因之一。據2008年中國癌癥統計公報表明:我國結直腸癌的發病率、死亡率在世界惡性腫瘤中居于第三位及第五位,新發病例37.6萬,死亡病例19.1萬[1]。飲食對CRC發病影響至關重要,高脂飲食習慣和低膳食纖維含量的“西方”飲食會增加體內次級膽汁酸含量從而導致結腸炎癥和腫瘤形成。而短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)作為腸道微生物群分解膳食纖維的一種代謝物,隨著膳食纖維的攝入增加可有效預防結直腸癌變。目前國內外就次級膽汁酸和短鏈脂肪酸對CRC的影響及其關聯性研究還不夠深入,因此探討次級膽汁酸和短鏈脂肪酸對CRC的影響因素及其后續防治意義至關重大。

1 次級膽汁酸與SCFAs

1.1次級膽汁酸產生、運輸及代謝:次級膽汁酸由初級膽汁酸分泌,在腸道菌群代謝作用下進行7α-脫羥基作用分解所產生。初級膽汁酸是以肝細胞中膽固醇為主要原料直接合成的一種甾醇化合物。合成后的膽汁酸由甘氨酸或牛磺酸結合后排出并儲存在膽囊中,再經回腸頂端鈉依賴性膽汁酸轉運蛋白(apical sodium-dependent bile salt transporter,ASBT)主動吸收及結腸的被動吸收進行重吸收,重吸收的膽汁酸在腸黏膜細胞內與回腸膽汁酸結合蛋白(ileal bile acid binding protein,IBABP)結合,并通過OSTα-OSTβ 轉運系統轉運至基底膜外側并通過門脈血入肝臟完成“腸-肝循環”。只有5%的膽汁酸真正進入到結腸,并通過腸道菌群代謝,其中的初級膽汁酸如膽酸(cholic acid,CA)和鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)則轉化為次級膽汁酸:脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)和石膽酸(lithocholic acid,LCA)。當兩者水平升高,又會破壞腸道微生物平衡,損害腸黏膜,引發氧化應激反應,進而促使結直腸炎癥和癌變的發生。

1.2SCFAs的組成及作用:SCFAs是一個具有1～6個碳鍵原子的羧酸,并由復雜的碳水化合物被腸道微生物區代謝成低聚糖并發酵形成。作為大腸內游離陰離子(SCFA-)的主要組成部分,SCFAs基本被腸黏膜直接吸收,且種類繁多,以丁酸鹽、丙酸鹽、乙酸鹽為主,在人體腸道中占全部短鏈脂肪酸的比重超95%且達到50～200mmoL/L的總濃度。它們通過腸黏膜被有效吸收,并作為能量來源、基因表達調節劑和被特異性受體識別的信號分子對宿主生理學影響重大。丁酸鹽作為結腸上皮細胞的主要能量源,低濃度會導致哺乳動物細胞和結腸癌細胞的分化。而短鏈脂肪酸作為健康和疾病中氧化還原信號的調節劑,尤其是丁酸鹽,表現出與其氧化還原信號傳導活性相關的抗炎和抗增殖特性。

2 次級膽汁酸、SCFAs影響CRC的相關因素

2.1腸道微生物群

2.1.1次級膽汁酸與腸道微生物群的穩態失調致使結直腸癌變:高脂肪飲食習慣不僅會引起腸道微生物群的紊亂、破壞腸屏障功能并誘導炎癥,還會異常代謝出諸如次級膽汁酸等致癌產物,進而促使CRC形成。長期的高脂肪低纖維飲食人群,在其糞便中可明顯檢測到高水平的DCA、LCA,這些都使得CRC發病率顯著提高。次級膽汁酸作為結直腸中一種腫瘤促進劑,當腸道微生物菌群長期暴露于其中,其細胞膜結構的相對完整性也會遭到一定程度的損害甚至導致腸道菌群死亡。一則臨床研究發現[2],在通過對比正常人與CRC患者體內膽汁酸水平得出,CRC患者次級膽汁酸表達水平顯著升高于正常人群(P<0.05),且癌變處的腸道微生物群受到顯著改變(P<0.05),說明次級膽汁酸影響腸道微生物進而促進腫瘤的發生發展。另一方面,腸道微生物群能顯著改變膽汁酸的理化性質,產生宿主核受體(法尼醇X受體、維生素D受體(VDR)、孕烷X受體)和G偶聯蛋白受體5(TGR-5)的高親和力配體,并激活一系列如JNK、ERK、Akt等信號通路。腸道微生物群失衡同樣使得膽汁酸硫酸化降低,進而抑制其對FXR的激活。在一項動物實驗中得出[3],在無菌(GF)和常規飼養(CONV-R)小鼠整個腸-肝系統的膽汁酸組成中CONV-R小鼠的鼠膽酸(嚙齒動物體內的一種次級膽汁酸)水平顯著降低。這些研究表明,腸道微生物群在調節次級膽汁酸代謝時,通過上調FXR來抑制肝臟中膽汁酸合成起到了重要作用。有研究證明7α-脫羥基梭菌的濃度在所調查的CRC患者糞便中均有所升高[4]。7α-脫羥基梭菌加劇了次級膽汁酸的異常分泌,增加了CRC發病率。由此看出,CRC的發生發展離不開次級膽汁酸與腸道微生物菌群兩者的相互影響。因此,改變飲食習慣、減少高脂肪攝入、調節次級膽汁酸與腸道微生物之間的穩態平衡,可以有效預防結直腸炎癥及癌變的發生。

2.1.2SCFAs與腸道微生物群對結直腸癌的影響:素食及其他高纖維飲食可以有效的預防CRC,SCFAs作為結腸微生物群酵解膳食纖維的產物,同樣在預防CRC中起到了重要作用。在SCFAs中,屬丁酸鹽的含量最高。進入人體的膳食纖維經腸道微生物群利用,使得丁酸鹽含量升高,減少亞硝酸鹽的毒性從而降低癌變率。腸道微生物群失衡的顯著特征便是丁酸鹽及其代謝菌群的減少。有研究發現通過周期性的攝入酸奶可以有效增加腸道中的益生菌,顯著升高SCFAs水平,進而加速結直腸癌細胞的凋亡[5]。研究指出,在丁酸衣原體的作用下,結直腸腫瘤細胞的增殖明顯減少,同時還加速其凋亡。此外,丁酸芽孢桿菌抑制了Wnt/β-連環蛋白信號通路并調節了腸道微生物群組成。以及通過高脂肪飲食(HFD)誘導的APCmin/+小鼠,在丁酸梭狀芽孢桿菌(丁酸鹽的產物之一)的作用下顯著抑制了其腸道腫瘤的發展。因此,丁酸梭菌在降低了糞便次級膽汁酸含量同時增加了盲腸SCFA含量,并激活了G蛋白偶聯受體(GPR),說明丁酸衣原體可以通過調節Wnt信號傳導和腸道微生物群來抑制腸道腫瘤的發展,從而證明了產生丁酸鹽的菌群對CRC有著潛在抑制功能。

2.2對結直腸細胞增殖的影響

2.2.1次級膽汁酸促進結直腸癌細胞增殖:次級膽汁酸對結直腸癌細胞增殖的影響程度可以反映在其濃度變化上。低濃度DCA(5-50μmoL/L)通過反式激活表皮生長因子受體(EGFR)誘導COX-2表達,增強結腸癌細胞增殖和侵襲性;而在高脂肪飲食下,次級膽汁酸濃度可高達1mmoL/L,并通過激活蛋白1(AP1)和c-髓細胞瘤(c-Myc)靶向通路激活β-連環蛋白細胞信號、細胞外信號調節蛋白1和2(ERK1/2)信號通路,刺激結腸癌細胞增殖和侵襲性。另一方面,生理濃度(0.05～0.3mmoL/L)的次級膽汁酸(如DCA)會根據不同類型細胞不同程度的抑制結直腸細胞的增殖。具體來說,DCA和LCA主要通過產生細胞內活性氧(ROS)、基因組DNA斷裂、激活ERK1/2、caspase-3和聚(ADP-核糖)聚合酶(PARP)來促進細胞周期停滯和凋亡,但降低了細胞周期蛋白E(CyclinE)的表達,從而抑制結腸細胞增殖[6]。此外,DCA激活細胞信號通路,導致對凋亡、血管生成、增殖和氧化應激的選擇性抵抗。因此,次級膽汁酸暴露造成的反復DNA損傷,使得結直腸(和其他胃腸道)上皮細胞中的大量細胞代謝并誘導結直腸細胞癌變。

2.2.2SCFAs抑制結直腸癌細胞增殖:丁酸鹽被認為是結直腸上皮細胞中對生長和分化最有效的SCFA。組蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性通過濃縮染色質包裝抑制轉錄活性,導致腫瘤抑制基因(如p21)的表觀遺傳學介導沉默。而丁酸鹽作為一種HDAC抑制劑(HDACI)強烈激活細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑p21的表達,并促進結腸癌細胞的細胞周期停滯、分化和凋亡,是一種潛在的抗腫瘤藥物。丁酸鹽被結腸上皮組織通過單羧酸轉運體1和其他轉運體選擇性吸收,并滿足能量平衡為結腸細胞提供約70%的能量;細胞內丁酸鹽在低濃度(<0.5mmoL/L)時符合細胞的能量需求,并促進正常結腸細胞的增殖;當濃度超過其能量所需濃度(取決于細胞類型,范圍:0.5～5mmoL/L)時,丁酸鹽則充當組蛋白脫乙酰酶抑制劑(HDACi);此外,丁酸鹽在生理濃度(0.5～5mmoL/L)時,以p53依賴和非依賴的方式誘導細胞周期停滯和凋亡。在0.5mmoL/L或更高的濃度下,丁酸鹽通過增加抗轉移基因(如金屬蛋白酶)的表達和抑制促轉移基因(如基質金屬蛋白酶)的激活來抑制癌細胞的遷移和侵襲能力。盡管測試的每種SCFAs都顯著降低了原發性細胞侵襲,但丁酸鹽是最有效的。Wang[7]等將癌性HCT116結腸細胞暴露于生理相關劑量的丁酸鈉(丁酸鹽的一種),發現丁酸鈉抑制NRF2/NRF2信號軸靶基因并阻斷NRF2-ARE信號傳導,證明丁酸鹽通過調節KEAP1/NRF2信號傳導并起到預防和治療CRC的作用。另一項研究表明與短鏈脂肪酸聯合放療時,丁酸鹽作為一種候選放射增敏劑可以在保護正常黏膜的同時增強放射治療的療效[8]。且丁酸鹽不會增加輻射誘導的細胞死亡,也不會提高正常類器官輻射后的再生能力。由此可見,SCFAs對結直腸癌的治療將成為未來新的研究方向。

2.3相關信號通路

2.3.1次級膽汁酸影響結直腸癌的相關通路及分子機制:CRC的發生過程循序漸進,包括從腺瘤到癌的一系列細胞突變,其中一些突變導致Wnt和凋亡信號通路的失控。在結腸腫瘤發生發展中,細胞對次級膽汁酸的反應包括激活Wnt和NF-κB信號通路,DNA氧化損傷和核分裂活性受損,從而導致結腸細胞過度增殖和侵襲。次級膽汁酸作用于癌細胞表面的TGR5或癌細胞細胞核內的VDR后,可激活各種信號通路,抑制癌細胞凋亡,誘導癌細胞周期的進展,增強癌細胞轉移和侵襲的能力,并促進細胞向腫瘤干細胞(CSCs)的轉化。此外,次級膽汁酸可以降低肝竇內皮細胞中趨化因子CXCL16的水平,從而抑制NKT細胞上CXCR6蛋白的積累。

作為對膽汁酸毒性濃度的響應,由FXR、VDR、PXR和CAR組成復雜的核受體網絡協調膽汁酸攝取和解毒。一項對腸道腫瘤和其附近正常黏膜的研究指出,在從正常上皮向腫瘤轉化上皮的轉變過程中,FXR的表達顯著減少[9]。FXR表達下調是引起結直腸炎癥及腫瘤形成的重要因素。而應用FXR激動劑可維持干細胞的正常增殖及染色體的穩定性[10],上調促凋亡基因的表達,抑制CRC的進展。在Renga等的實驗中,與WT小鼠相比,FXR-/-小鼠(FXR缺陷)表現出結腸炎和癌癥風險的增加。證實結直腸癌細胞中FXR的激活抑制了結腸上皮細胞的增殖,并誘導了促凋亡基因p21,同時抑制了抗凋亡基因Bcl2。

2.3.2SCFA影響結直腸癌的相關通路及分子機制:丁酸鹽在結腸上皮組織中發揮抗增殖和促凋亡作用的相關信號通路是最近研究的焦點。有研究指出,TGF-β/Smad3通路激活對結腸細胞促凋亡有著顯著作用,而其通路的下調會導致癌癥進展[11]。且丁酸鹽的機制作用與TGF-β上調介導的Wnt通路有關,這也涉及到多種組蛋白乙酰轉移酶中的任何一種,即cAMP反應元件結合蛋白(CREB)、CREB結合蛋白(CBP)或p300:CBP介導的Wnt信號與結腸細胞增殖有關,而p300介導的Wnt信號與分化更密切相關;因此,CBP-Wnt活性可能在癌癥中占主導地位。隨后,丁酸鹽(或其他HDACis)對該通路的過度激活導致與結腸癌細胞凋亡有關的Wnt信號相關蛋白的轉錄增強。丁酸鹽作為正常結腸上皮細胞的主要能量來源,并通過維持低水平的Wnt信號來支持細胞增殖[12]。因此,丁酸鹽誘導的腫瘤細胞中Wnt信號的過度激活有望增加Wnt的活性水平,從而導致細胞凋亡;而膽汁酸對正常結腸細胞的刺激可能導致中等水平的Wnt活性,從而促進腫瘤細胞生長。

除了具有Wnt信號通路的激活突變外,癌細胞往往會異常代謝,增加對有氧糖酵解的依賴。這將使結腸腫瘤細胞會優先利用葡萄糖而非丁酸作為主要供能,并允許更多的丁酸鹽作為HDACi發揮作用,刺激Wnt信號轉導和誘導細胞凋亡。因此,經過丁酸鹽處理的結直腸癌細胞中Wnt信號的過度激活是促使這些細胞高水平凋亡所必需的條件。然而,適度的Wnt活性也與癌細胞增殖相關,癌細胞可能逐漸對丁酸鹽的作用產生抗藥性。這種抗藥性可以表現為從依賴β-連環蛋白的Wnt途徑轉變為不依賴于β-連環蛋白下游效應的修飾途徑。總體而言,丁酸鹽過度激活由于突變而表現出Wnt信號失控的結腸癌細胞系中的Wnt信號,這種突變是大多數結直腸癌類型的共同特征。因此,Wnt通路的過度激活與丁酸誘導的結腸腫瘤細胞的凋亡有關,這一作用可以解釋丁酸鹽對結腸癌的預防作用。

3 腸道微生物組將成為免疫治療結直腸癌的新目標

多項研究證明,微生物群有望成為免疫治療的新靶點。微生物群可以直接或間接激活和調節宿主的免疫系統,并且癌癥免疫療法對抗腫瘤的新思路,與微生物群的關系密切。近期一項研究表明,腸道微生物群可以與其宿主的免疫檢查點抑制劑(ICI)協同作用,尤其是在增強程序性死亡1(PD-1)蛋白及其配體程序性死亡配體1(PD-L1)阻斷治療癌癥的方面[13]。Montalban-Arques等[14]發現四種產丁酸梭菌:羅氏菌屬、哈利氏真細菌、普氏桿菌和卡卡厭氧桿菌(CC4)可以預防CRC發展:補充CC4可增加腫瘤浸潤IFN-γ+CD8+T細胞的頻率和活性。另有研究發現,雞乳桿菌可通過分泌一種保護性代謝產物吲哚-3-乳酸,促進CRC細胞的凋亡,從而阻止CRC的發生。總之,微生物的改造和應用對腫瘤免疫治療有很大的貢獻,不僅能提高療效,還能降低副作用。同時,微生物群作為治療靶點,在腫瘤治療和預防中也發揮著重要作用。這些微生物組促進癌癥和癌癥免疫治療的機制,還需要更多的理論支持和數據研究,但無疑是現代醫學新的治療方向。

4 討 論

通過腸道微生物群、結腸細胞增殖、相關信號通路及分子機制等方面概述了次級膽汁酸與SCFAs對CRC的影響。總體而言,次級膽汁酸和SCFAs這兩種腸道主要代謝物在結直腸細胞增殖中起到的作用既有相似點也有不同點。在低濃度下這些微生物代謝物可促進結腸細胞增殖,在高濃度時,次級膽汁酸和SCFAs通過共同或不同的分子途徑抑制結腸細胞的增殖;以及這兩者在長期的高生理水平上對結腸炎癥及CRC產生相反的作用。通過文獻總結,次級膽汁酸和SCFAs之間的關聯可能通過改變結腸微生物群組成而發生。然而,哪些特定的生化途徑可能導致膽汁酸和SCFAs信號之間的潛在關聯仍需要進一步研究,因為它們的影響不僅基于濃度和持續時間,還取決于細胞類型。由于腸道微生物群失調會改變次級膽汁酸和SCFAs的產生,并促使結直腸炎最終形成惡性腫瘤,因此平衡營養攝入量與高纖維低飽和脂肪攝入量對于維持健康的腸道微生物群至關重要。

另一方面,在近期的不斷研究下,微生物群和癌癥免疫治療已經逐漸臨床上得到嘗試,在臨床研究中一些關于腸道微生物群在癌癥免疫治療中的初步報告表明,這將是對抗癌癥的一種新的方法。因此,更多地了解這些微生物及其代謝產物的相互作用很可能在結直腸癌的預防和治療方向有新的突破。