综述 | Seminars in Cancer Biology：基于肠道菌群变化的结直肠癌的发生和治疗

编译：微科盟一山，编辑：微科盟汤貝、江舜尧。

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 人体肠道中含有大量的共生菌，被称为最大的共生体。这些细菌包含大约800个物种和7000多个菌株；这个庞大的数字(大约100兆，总重量1−2 kg)使得肠道菌群成为人体不可忽视的免疫有机体。肠道菌群具有高度的多样性、稳定性、抵抗力和韧性，而肠道菌群的紊乱则与共生和多样性的丧失有关。

大多数肠道微生物倾向于发酵碳水化合物，而碳水化合物发酵细菌在近端肠道区域形成主要群体。这些微生物沿密度梯度分布在消化道中，其中结肠的密度最大。由于远端结肠中严格意义上的厌氧菌增多，远端结肠中的细菌密度是近端的100倍。

肠道中存在的正常菌群是拟杆菌(Bacteroides)、乳杆菌(Lactobacillus)、大肠杆菌(Escherichia coli)和肠球菌(Enterococcus)。肠道微生物中，拟杆菌和犁头霉(Absidia)的丰度最高，占微生物总数的90%以上。肠道和宿主是一种共生关系，互惠互利。肠道向宿主提供养分流动，而细菌参与食物加工并支持肠道。

肠道菌群促进人体免疫系统的成熟，维持天然屏障的完整性。在健康的个体中，结直肠上皮的结构和免疫功能在肠道菌群和宿主之间保持着有益的关系。研究表明，短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群消化长链植物纤维的产物，是肠道上皮细胞的重要营养物质，促进其分化和生长，维持肠道上皮屏障的完整性，防止肠道内毒素进入血液，引起代谢性内毒素血症。

肠道的变化影响免疫系统的功能，免疫系统参与调节肠道菌群的位置和组成。宿主免疫系统受到肠道菌群的影响，肠道免疫系统控制肠道微生物的组成。驻留的微生物提供促进正常免疫系统发育和调节后续免疫反应的信号。

肠道菌群丰度和肠道微生态结构的改变会导致肠道菌群失衡。一旦肠道菌群失衡，肠道益生菌种类如双歧杆菌(Bifidobacterium)、乳杆菌和拟杆菌减少，而致病菌数量增加，如产生肠毒素的拟杆菌、大肠杆菌和艰难梭菌(Clostridium difficile)。病原菌分泌多种毒性因子，破坏肠上皮细胞，引发慢性炎症反应，发展为结直肠癌。

肠道细菌疾病与人类疾病密切相关，包括肠道疾病和恶性肿瘤。肠道菌群通过天然免疫促进粘膜和系统免疫系统的成熟和调节。例如，粘膜中的某些类型的细胞(肠细胞、多核细胞、肥大细胞、巨噬细胞)表达模式识别受体(PRRs)，T细胞和B细胞表面表达高度特异性的受体。这些细胞的招募和激活高度依赖于菌群的信号，并受到严格的调控。研究表明，肠道菌群通过肠道粘膜M细胞激活粘膜巨噬细胞，触发先天免疫反应，产生边际效应，从而促进大肠癌的发生发展。此外，在高水平的氧化应激(如超氧化物和一氧化氮诱导的应激)下的慢性炎症导致屏障上皮细胞的死亡依赖性丧失，这可能导致屏障功能障碍的加重和免疫过度循环。获得性免疫反应包括体液反应，在体液反应中，可溶性肿瘤抗原被特定的B细胞识别，这些B细胞在CD4Th细胞的帮助下成熟，并产生肿瘤抗原特异性抗体。辅助性T细胞(Th)、调节性T细胞(Treg)和B细胞分泌免疫球蛋白A(IgA)通过适应性免疫反应参与肿瘤的发生。涉及肠道肿瘤相关菌群致癌的发病机制如下表1所示。肠道肿瘤相关菌群引起结直肠癌的途径如图1所示。

 

与具核梭杆菌相关的CRC具有高微卫星不稳定性(MSI-H)和高CpG岛甲基化表型(CIMP)。具核梭杆菌可通过增强肿瘤免疫逃避、抑制自然杀伤或T细胞抗肿瘤防御以及调节E-钙粘蛋白/β-连环蛋白来支持CRC的发展和转移。具核梭杆菌在其表面表达超抗原因子，并与钙粘蛋白结合以激活CRC细胞中的亚型信号通路并促进结直肠癌生长。具核梭杆菌及其组分使得肿瘤浸润性骨髓细胞上的TLR参与并激活MyD88介导的炎性细胞因子的产生，尤其是IL-23的产生。反过来，IL-23通过诱导IL-17A、IL-6和IL-22的产生促进CRC的发展。

大肠杆菌通过增加bcl-2和bcl-xl的表达，增加IL-17c的表达，抑制结肠细胞凋亡，从而增加肿瘤负荷。在早期的单克隆IL-10/小鼠实验中，宿主炎症被证明对大肠杆菌的促癌活性是必不可少的。研究还显示，大肠杆菌与可能促进肿瘤生长的促炎浸润相关联。疾病表型与大肠杆菌基因目录的变化有关，例如致癌聚酮合酶(PKS)岛的存在。体外培养的哺乳动物上皮细胞暴露于PKS阳性大肠杆菌后，出现短暂的DNA损伤、DNA修复损伤和基因突变频率增加的现象。虽然其病理机制尚不清楚，但异种移植和炎症相关肿瘤模型的数据显示，表达编码基因毒素(如colibactin)的PKS毒力岛的大肠杆菌可以促进肿瘤生长。

粪肠球菌激活(或极化)巨噬细胞，产生旁观者效应。当未转化的原生上皮细胞暴露在粪肠球菌极化的巨噬细胞中时，细胞会产生染色体不稳定性(CIN)，然后转化为癌细胞。

肿瘤微环境由巨噬细胞、中性粒细胞、肥大细胞、髓系抑制细胞、树突状细胞、自然杀伤细胞、适应性免疫细胞(T和B淋巴细胞)、癌细胞及其周围间质(成纤维细胞、内皮细胞、周细胞和间充质细胞)组成。这些细胞通过产生自分泌、旁分泌和内分泌介质进行通讯，从而控制肿瘤的生长。

慢性感染是导致慢性炎症和癌症的主要环境因素。当脂肪组织处于增生和肥大状态时，各种促炎免疫细胞过载，包括经典激活的巨噬细胞、自然杀伤细胞(NK细胞)、肥大细胞、中性粒细胞、树突状细胞(DC)、B细胞、CTLs和辅助性Th1细胞。这些细胞释放促炎因子，如干扰素-γ(IFN-γ)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)，导致局部和全身炎症和胰岛素抵抗增加，它们是促进肿瘤进展的强有力因素。

快速生长的实体肿瘤核心区的坏死诱导促炎介质的释放，如白细胞介素-1(IL-1)和高迁移率族蛋白1(HMGB1)，进而导致血管生成因子的释放。这些因素直接通过增加肿瘤组织的氧气供应和营养，间接地通过招募促炎细胞和促进细胞因子的释放来促进肿瘤的存活率。

微环境的变化最终表现为微环境中细胞分泌的细胞因子及其引发的炎症的变化。

肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)被广泛认为受肿瘤环境的调节，在促进肿瘤功能方面起着重要作用。转化生长因子-β(TGF-β)和白细胞介素-10(IL-10)等因子可以调节单核细胞，使其极化为M2巨噬细胞，从而促进肿瘤细胞增殖、侵袭和转移、血管生成、基质沉积和重塑。

高水平的IL-1、IL-6、IL-10和TNF-α通过三个步骤启动肿瘤进展：(I)活化B细胞的核因子κ轻链增强剂(NF-κB)、Wnt信号和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)途径；(II)抑制凋亡；(III)增加氧化应激。β-catenin复合体、腺瘤性息肉病基因(APC;一种抑癌基因，最初是在结肠腺瘤样息肉病人中发现的，并以此命名)、糖原合成酶激酶3β(Gsk3β)和轴蛋白(Axin)引起上皮细胞Wnt通路的异常，从而激活编码c-myc和细胞周期蛋白D1的原癌基因。

越来越多的证据表明，结肠菌群调节宿主的炎症并影响结肠肿瘤的发生。研究表明，山羊饲喂大黄后，紧密连接蛋白claudin-1水平和梭状芽孢杆菌(Clostridium)、乳酸菌(等共生菌数量增加，葡萄球菌数量和促炎因子IL-1水平下降。这些结果表明，增加共生菌的数量可以增强肠道屏障和宿主的免疫防御能力。

髓系分化因子88(MyD88)是一种调节天然免疫和对病毒和细菌感染的免疫反应的蛋白质。TLR和 IL-1R识别微生物或内源性配体，招募MyD88激活MyD88依赖的信号通路。MyD88蛋白在TLR/IL-1R炎症和RAS信号通路之间起桥梁作用。MyD88/TLR/IL-1R信号通路激活导致RAS/ERK激活并促进肿瘤细胞增殖。

一些报道表明，炎症诱导的癌变涉及多个分子变化，包括抑癌基因的失活、癌基因的突变、杂合子和染色体的丢失以及微卫星不稳定性(MSI)。慢性炎症通过诱导结肠上皮细胞突变和异常DNA甲基化导致结肠癌的发展。在炎症性肠病的发展过程中，DNA甲基化是受cpG岛甲基化表型影响的肿瘤亚群中的一个关键因素，这是一种以表观遗传不稳定性的形式出现的途径。在这种情况下，炎症性肠病相关肿瘤的一个重要方面是DNA错配修复缺陷，表现为MSI和错配修复基因MLH1的启动子高甲基化。然而，结肠菌群对异常DNA甲基化的影响仍不清楚。此外，微生物失调可导致免疫反应失调和炎症增加，导致PIK3CA突变，从而可能加速直肠癌的发展和/或生长。

肠道菌群被认为通过其代谢活动和对免疫细胞功能的深刻影响而对癌症易感性产生影响。越来越多的证据表明，正常肠道菌群的失衡可以通过产生致癌的次生代谢物而促进炎症状态，从而导致肿瘤的发生。细菌毒素和致癌代谢物的分泌增加，有益代谢物的分泌减少，损害了肠道屏障功能，导致免疫失调和进一步的细胞增殖，这可能导致结直肠癌。表2总结了代谢物和CRC之间的相关性。研究表明，拟杆菌、双歧杆菌、梭状芽胞杆菌和乳杆菌的发酵产物SCFAs，包括乙酸、丙酸盐和丁酸盐，它们通过改变基因表达和转录参与CRC的形成。其中，丁酸与其受体结合，通过信号传递促进巨噬细胞和树突状细胞的抗炎活性，进而触发Tregs和T细胞的分化，促进抗炎细胞因子IL-10的表达。它还能增强结肠的保护屏障，减少氧化应激。此外，产生硫化物的细菌会产生H₂S，从而损害肠壁的屏障功能，从而导致炎症和肿瘤的发生。Grivennikov等人使用CRC小鼠模型，发现肿瘤部位屏障功能受损有助于细菌产物的渗透，导致致瘤细胞因子IL-23和IL-17的激活。临床研究表明，CRC患者的结肠腔内胆汁酸含量较高。由梭状芽胞杆菌产生的酶催化的微生物次级胆汁酸(包括石胆酸(LCA)和脱氧胆酸(DCA))的增加可能导致ROS产生增加和DNA损伤。这些变化会导致K-ras突变、非整数倍数、微核等异常，而Wnt信号通路的激活是促癌机制。日本一项队列研究的代谢组分析显示，多发性息肉状腺瘤（CRC的前体）患者粪便中DCA浓度较高，支持DCA可能参与早期癌变的建议。色氨酸(Trp)是哺乳动物必需的营养物质，其内源性代谢产物参与肠道免疫稳态和多种免疫性疾病的发生发展。蛋白质发酵的产物之一氨也是一种致癌物质，但它在人体内的浓度很低。在大鼠实验中，氨已被证明可以增加粘膜损伤和结肠腺瘤的数量。因此，加速微生物代谢产物的分解可能是未来研究的热点。

肠道细菌与肠道免疫细胞的直接接触是肠道细菌作用于宿主免疫系统的重要途径。一般来说，健康的肠上皮不与肠道内容物(即细菌和食物的混合物)直接接触，而是由肠上皮中的一类杯状细胞分泌的粘液隔离其间。此外，在病理条件下，如IBD，肠道细菌与肠道上皮下免疫细胞一般没有直接接触。然而，研究发现，位于小肠微绒毛的树突状细胞迁移到微绒毛中，树突状伪足从上皮细胞的缝隙中伸出，捕获位于肠腔内的细菌或抗原物质。在肠上皮细胞下方的Peyer氏结中有大量的B细胞，通过分泌IgA来实现对肠道共生菌的主动调节，IgA选择性地将病原体和非共生菌结合到肠腔内。

近年来在结肠腺瘤表面发现了微生物生物膜。这些生物膜可以通过降低表面的正常防御来促进细菌衍生物进入表面上皮。与结肠腺瘤相关的微生物膜包括拟杆菌门和厚壁菌门毛螺菌科、梭状芽孢杆菌、瘤胃球菌和丁酸弧菌以及梭杆菌门和γ-变形菌。健康粘膜缺乏与腺瘤相关的典型生物膜。根据Johnson等人的报告，在多胺细菌的生产中，生物膜与腺瘤的关系有待研究。多胺细菌可通过诱导遗传毒性损伤促进细胞生长，从而促进CRC的发生。

靶向共抑制或共刺激受体-配体系统，如程序性死亡1(PD-1)-程序性死亡配体1(PD-L1)和细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(CTLA-4)已成为招募宿主免疫系统对抗癌细胞的有力手段。细菌对以PD-1为基础的免疫疗法治疗上皮性肿瘤的疗效有直接影响，揭示了肠道菌群和免疫系统之间的功能联系。抗生素引起的肠道微生物组成的改变与免疫疗法治疗此类肿瘤的疗效降低有关。特别值得一提的是，相对缺乏嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila)与治疗反应较弱有关。嗜黏蛋白阿克曼氏菌通过白细胞介素-12(IL-12)和增加肿瘤微环境对CCR9⁺CXCR3⁺ CD4⁺ T淋巴细胞的募集，逆转PD-1阻断的效果。此外，PD-1/PD-L1阻断对微卫星高不稳定性(MSI-high)/错配修复缺陷(dMMR)肿瘤的治疗非常有效。微卫星不稳定性高的肿瘤对PD-1阻断的敏感性可能与高肿瘤突变负荷(TMB)有关，因为TMB可以预测许多癌症类型的检查点阻断反应。

益生菌除了通过产生抗炎因子来增强免疫系统外，还有助于产生SCFAs以及抗氧化剂和抗癌化合物。Jang等人发现Weissella cibaria CMU和两种从商业益生菌产品中分离出来的益生菌物种，唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius)和罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)对具核梭杆菌的生长抑制率超过95%。此外，W. cibaria CMU与具核梭杆菌的共聚率达到81.2%。共聚是影响各种生物膜形成的附着过程，是益生菌的有益特性。这个过程可能会导致屏障形成，从而阻止病原菌的定植。此外，一些菌株通过直接发挥对具核梭杆菌的抗菌活性或调节CRC相关的微生物群起到保护肠道的作用。Gao等人在一项前瞻性对照试验中将22名CRC患者随机分为两组。一组接受长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)、嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)和粪肠球菌的混合物。结果表明，服用益生菌混合物后，消化链球菌(Peptostreptococcus)和丛毛单胞菌(Comamonas)的丰度显著下降；特别是，具核梭杆菌的数量减少了5倍。此外，接受益生菌治疗的患者的变形杆菌和肠球菌水平高于健康对照受试者。在Hibberd等人的一项研究中，使用含有高浓度乳酸双歧杆菌BL-04和嗜酸乳杆菌NCFM的益生菌干预，结果显示，与健康对照组相比，接受益生菌干预的CRC患者粪便标本中，与CRC、具核梭杆菌和消化链球菌关系最密切的类群较少。此外，益生菌干预组的粪便样本中丁酸产生菌Clostridiales spp、Faecalibacterium和Eubacterium的丰度增加。研究发现，双歧杆菌通过调节树突状细胞活化和增强CD8T细胞免疫应答，增加细胞程序性死亡，促进免疫治疗。鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)菌株可减少细胞增殖和致癌作用。在CRC的体内模型中，嗜酸乳杆菌ATCC314和发酵乳杆菌NCIMB5221的组合使用减少了细胞增殖并下调细胞增殖标志物。小檗碱是一种植物来源的饮食成分，可以抑制Fn诱导的肿瘤形成，并与减轻粘膜炎症有关。具有抗炎和抗癌特性的抗性淀粉可能通过调节微生物数量来降低炎症相关CRC大鼠模型的肿瘤负荷。这些发现表明微生物干预对CRC的治疗是有益的。

粪便微生物移植(FMT)包括用健康受试者的粪便重新填充患有胃肠道病变的患者的下消化道。对于艰难梭杆菌感染(CDI)、肠易激综合征和炎症性肠病的患者，这种干预已成为一种“自然”且有希望的治疗方法。在治疗艰难梭菌复发感染方面，FMT已显示出90%的临床成功率。在FMT之后，供体和受体菌株共存超过90天。大量研究表明，CDI与粪便中微生物多样性的减少和微生物组成的变化有关。然而，FMT作为一种缓解IBD的方法的研究在治疗的有效性和安全性方面产生了相互矛盾的结果，还需要进一步的研究。同样，FMT治疗CRC的有效性也不清楚。因此，需要进一步利用特定的微生物制剂来研究FMT在治疗CRC中的价值。

肠道微生物组通过破坏微环境的稳态和改变免疫反应以及肠道细菌的生物膜和有毒代谢物，在CRC的发展中起着至关重要的作用。某些类型的细菌可能比其他细菌更能影响CRC的发展。确定肠道微生物群的组成可以为评估CRC的发生提供诊断依据，尤其是CRC的早期阶段。识别肠道细菌和粪便代谢物的变化可能代表一种非侵入性的疾病检测方法，并导致抑制CRC相关细菌的生长，降低患CRC的风险的策略。与潜在有害的肠道微生物相反，一些肠道菌群在免疫疗法和化学疗法中显示出积极的抗肿瘤作用。此外，健康饮食、避免不必要的广谱抗生素、益生菌和益生元的使用以及粪便细菌移植来调节肠道菌群有可能成为降低CRC风险的方法，并可能提供新的治疗选择。在未来，监测肠道微生物的变化可能有助于早期疾病检测和干预，并促进疾病预防方法的发展。