腸道微生物與結直腸癌

編譯：月下荷花

來源：腫瘤資訊

腸道微生物的作用越來越得到重視，與多種疾病有直接或間接關係。結直腸疾病與腸道微生物間的關係研究最多，下面來看看腸道微生物與結直腸癌間有哪些千絲萬縷的聯繫。

結直腸癌（CRC）是發病率很高的一種惡性疾病，可分作二種類型：結腸炎相關CRC（CAC）和散發CRC（SCC）。CRC的發生是多步驟事件，啟動事件是SCC的APC突變和CAC的TP53突變，CRC的病因學包括遺傳學背景和環境因素如糖尿病、膽囊切除、肥胖、高脂飲食和加工肉類與紅肉。近期研究顯示腸道微生物在CRC的發生髮展中發揮作用，同濟醫學院的GAO教授在Eur J Clin Microbiol Infect Dis雜誌上發文，介紹了腸道微生物與結直腸癌的關係。

腸道微生物總覽

腸道環境複雜，細菌、真菌與病毒共存，達100萬億，是人類細胞10倍，與宿主相互交流、幫助上皮防禦病原體、加速免疫系統成熟、吸收營養。微生物通過誘導IgG幫助防禦病原體、保持局部以及遠隔相關器官平衡，與此同時宿主也不斷發展有效的防禦病原體途徑。

嬰兒腸道微生物來自產道和母體皮膚，逐漸成熟並保持相對穩定，直至老年才發生變化，食物、藥物、運動和基因型均影響微生物構成。健康腸道的核心菌在門類水平包括硬壁菌、變形桿菌、擬桿菌和放線菌，不過在屬和種水平上呈現多樣化。

腸道微生物與結直腸癌

有力證據顯示胃癌與一類致癌病原菌幽門螺桿菌相關，而結腸表面具有更複雜的微生物群，因此可能存在與CRC發生髮展相關的病原體。最初的研究並未得出陽性結果，隨著技術進步，採用下一代測序方法探索腸道侯選致癌病原體。

第一個將CRC與腸道微生物聯繫起來的研究來自Weisburger，之後越來越多研究證實病原性細菌與CRC間的關聯，包括牛鏈球菌、梭桿菌、產腸毒素脆弱類桿菌、腸球菌、脆弱類擬桿菌、B2系大腸桿菌、志賀氏菌、克雷白菌、鏈球菌、消化鏈球菌，研究證實健康人與CRC患者腸道、糞便和CRC標本的微生物構成不同，不過後二者存在共豐菌屬（CAGs），CAGs與免疫反應有關，炎症通過腸道菌群促進CRC進展。

嚙齒類動物模型研究證實無菌狀態能延緩腫瘤發展，而病原微生物促進腫瘤發展，抗菌素治療後可延緩腫瘤發展，因此腸道微生物在CRC的發生髮展中發揮重要作用，不過嚙齒類動物的腸道微生物明顯不同於人類，植入人類腸道微生物的小鼠研究初步顯示腸道生態失調是CRC的原因之一。

免疫系統鑒定病原體

機體免疫系統識別到達腸道的微生物對保護宿主至關重要（圖1），幾個受體與這一過程有關，模式識別受體（PRRs）可以搜索病原體表達的相關分子模式（PAMPs），下面將介紹這些受體-病原體的相互作用。

圖1宿主與腸道共生菌的相互作用。正常狀態下共生菌信號由TLR和NLR識別，並啟動免疫系統活化，細胞因子釋放。當微環境變化時病原體穿過內粘膜層侵入基質、誘導更大的反應。

1. Toll樣受體

PRRs中Toll樣受體（TLRs）研究最早，它是I型膜糖蛋白，屬於IL-1受體超家族，分布於上皮細胞膜和內涵體膜。通過TLR-2，病原體脂蛋白誘導宿主免疫反應、啟動單核細胞凋亡、活化NF-κB途徑，TLR-3能識別雙鏈RNA，多與病毒感染有關，TLR-4與CD14協同活化脂多糖誘導的NF-κB途徑，TLR-7和TLR-8識別種特異性病毒單鏈RNA，TLR-9協助細胞對感染病原體的CpG DNA發生反應。

TLRs在人類外周血單核細胞中不對稱分布，TLR-1和TLR-6表達於所有漿細胞樣樹突細胞（PDC）、B細胞、NK細胞、T細胞和單核細胞，TLR-2高表達於單核細胞，TLR-3相對高表達於NK細胞，TLR-4在單核細胞高表達，TLR-6主要見於B細胞，NK、單核和PDC中也可表達，TLR-7中等表達於PDC和B細胞，TLR-8隻高表達於單核細胞，TLR-9在PDC的表達是B細胞的3倍，TLR-10隻高表達於B和PDC。

所有TLRs活化MyD-88途徑誘導下游免疫反應，具體如下：與TLR/IL-1R結合後，信號啟動級聯反應，這一過程包括的分子有MyD88、TGFβ活化激酶、TNFR相關因子6。巨噬細胞中TLRs活化後不但有直接殺傷作用，還能誘導維生素D受體表達增加，增加抗微生物肽段的抗結核分枝桿菌的功能。

2. NOD樣受體

固有免疫可以對病原體快速反應，主要源於對微生物保守序列PAMPs的識別，識別系統之一就是NOD樣受體（NLRs），是細胞內核酸結合寡聚區。NLRs對防禦細菌侵襲和細菌在胞內產物的作用非常關鍵，是受損或死亡細胞的感受器。已知的NLRs包括NOD1-5、NALP1-14、CII TA、Ipaf和Naip，根據N末端區域，NLRs分作三組：包含NODs的激酶招募區、包含NALPs的膿素、包含NAIPs的桿狀病毒抑制重複序列。

NLRs通過感知PAMPs啟動構象重排、信號傳導、活化多個信號途徑。NOD1能識別G+和G-菌上的g-D-谷氨醯二氨基庚二酸，通過固有免疫阻止病原體，此外還可能阻礙結腸炎症向腫瘤轉化；NOD2可對更多的細菌發生反應，突變可導致炎症性疾病。不過關於NOD1和NOD2功能研究的結果互有矛盾，需要進一步研究。

其它與免疫反應有關的NLRs包括NLRP3、NLRC4、NAIP和NLRP1等，線粒體是NLPR3重組平台，通過活性氧活化免疫過程；NLRC4炎症體活化細菌分泌系統；NAIPs通過與細菌鞭毛蛋白和III型系統結合而活化；致死毒素可能是NLRP1炎症體的活化因子，NLRP1與病毒免疫反應和蛋白水解功能有關；NRPL10對維持主動免疫很關鍵，NRPL12對維持腸道穩態至關重要。

結直腸癌的假說模型

關於腸道微生物與CRC關係間有許多假說，驅動-過路模型描述CRC發生髮展中各種共生菌的作用，該模型將微生物分成二組，驅動微生物誘發上皮細胞DNA損害，導致首個空間位置的CRC發展，接下來腫瘤微環境發生改變利於過路細菌繁殖，並可能成為腫瘤位置的主要細菌。該模型強調雖然驅動細菌啟動了CRC，但並不會一直存在，與突變類似，會因生長優勢消失而最終在癌組織中消失。該模型對解釋不同研究中的不同結果很有幫助，但如何明確這種模糊的關係是巨大挑戰。

另一個模型是基石假說，基石病原體定義為與疾病相關的有害微生物，在生態系統中丰度相對較低。該假說並不強調疾病相關微生物的強度，更關注與不平衡相關的功能狀態。該模型源於牙齦卟啉單胞菌即使丰度不足1%也能誘導牙周炎，伴隨微生物改變助力炎症發生，去除病原體後牙周炎不再發生。同樣肺炎克雷白菌和奇異變形桿菌也可作為炎症性腸病的基石病原體，產腸毒素脆弱類桿菌作為結腸癌的基石病原體。這一假說以新的視角看待腸道病原體的作用，不過需要進一步驗證。

Garrett提出了細菌或細菌社區對CRC的作用機制，雖然現代研究已鑒定了幾個與CRC關係密切的侯選致病菌，然而機制仍需進一步研究。

侯選菌種的致癌機制

CRC中存在微生物的異常分布，下面將討論一些侯選致癌菌種的作用機制。

1. 具核梭桿菌

具核梭桿菌與CRC關係的研究最多，該菌並不誘導結腸炎或加速結腸炎相關癌症發生，它通過招募免疫細胞，形成促炎症微環境，啟動CRC發生。從炎症組織中分離的具核梭桿菌具有高度侵襲能力並高表達MUC2、TNFα，可抑制NK細胞功能。但並不是所有具核梭桿菌均具有侵襲能力，可能與細菌株拷貝數的變化有關。

2. ETBF

腸道病原菌產腸毒素脆弱類桿菌（ETBF）能合成脆弱類桿菌金屬蛋白酶毒素（BFT）導致腹瀉，是CRC的致癌菌。以往認為ETBF具有重塑上皮細胞骨架和F-肌動蛋白的作用，現在研究認為ETBF能啟動結腸炎和結腸腫瘤，誘導活化Stat3途徑，特徵是Th17的反應。此外BFT能啟動細胞增殖、活化c-Myc表達、增加多胺代謝並誘導DNA損害。

3. 大腸桿菌

大腸桿菌（E.coli）是腸道中常見的G-厭氧共生菌，與CRC相關的機制不詳。現有研究顯示含pks島的大腸桿菌表達聚酮肽基因毒素並誘導DNA損害、染色體畸變和增加基因突變。Pks陽性大腸桿菌最先分離於炎症性疾病，最近發現pks島的致病性，提示炎症性疾病與CRC的關聯。腸道病原性大腸桿菌通過誘導巨噬細胞抑制因子1促進癌細胞生存。其它侯選致癌微生物包牛鏈球菌、幽門螺桿菌和梭菌。

腸道微生物的變化誘導細胞因子失衡，來自Th17細胞的IL-17與CRC關係密切，可能通過誘導BCL-xL和BCL-2表達延長上皮細胞壽命；此外EGFR-MAPK途徑活化也是CRC發展的風險因素；腸道微生物還可通過腸道代謝物促進癌症發生。

柔嫩梭菌群普拉梭菌的益處

腸道中有一些微生物是有益的，可用作益生菌，柔嫩梭菌類群中的普拉梭菌是其中的代表，抗炎和結腸炎預防作用與誘導IL-10分泌和Treg細胞調整能力有關，最近鑒定的細菌抗炎分子（MAM）能減少NF-KB途徑，並削弱化學物誘導的小鼠結腸炎。總之產丁酸的普拉梭菌的前景值得進一步關注。

微生物的臨床應用價值

研究顯示腸道微生物有望用作CRC早期篩查的有效工具，與其它工具聯合應用能區分腺瘤和癌症、檢測CRC；此外特異的病原體如具核梭桿菌及其丰度可用作疾病狀態預測工具，與CRC生存有關，具核梭桿菌與高度微衛星不穩定、高丰度pks+大腸桿菌和不良預後有關，梭桿菌在癌症組織中的丰度與CRC分子模式相關，高表達時與CpG島甲基化表型、TP53野生型、hMLH1甲化正相關。

腸道微生物在癌症治療方面也有很大潛能，免疫治療時某些特殊的擬桿菌通過靶向CTLA-4使療效更佳，雙歧桿菌也具有類似作用。上述研究表明腸道微生物在預防和治療方面的價值，需要進一步研究。

腸道微生物管理

腸道微生物有很多種，在不同條件下具有不同功能，發揮其正面預防與治療作用尤為重要。飲食是通過腸道微生物影響癌症風險的最重要因素，長期食用動物脂肪利於擬桿菌型，碳水化合物利於普氏菌型。飲食干預對腸道微生物影響迅速，有效改善基因多樣性，寡聚糖、雙糖、單糖和多羥基化合物能改善微生物多樣性和細菌負荷，但對炎症作用有限。通過飲食管理腸道微生物是最經濟有效的降低癌症風險方法。

體育運動也能明顯改善腸道微生物多樣性及某些特殊細菌的丰度。不過最理想的調整腸道微生物的方法就是直接使用益生菌。研究顯示雙歧桿菌能影響腸道菌群的構成及某些細菌的丰度，單種雙歧桿菌與多種雙歧桿菌聯合的作用並不相同，對CRC患者有益。

不過益生菌可被胃液破壞，最終到達結腸的數量不確定，因此提出益生元對促進腸道有益菌生長可能更理想。益生元定義為不可消化物質，可通過胃和小腸，刺激結直腸有益微生物生長。益生菌與益生元聯合時腸道微生物更可能處於健康狀態；最近有研究鑒定了一種小分子物質，能抑制病原體的基因毒作用；抗生素和質子泵抑製劑在某些時候對失衡的腸道微生物也有正面作用。

現境與將來

前文描述了腸道微生物與結直腸癌的關係，不但研究中使用的技術方法對結果十分重要，腸道準備、藥物等因素都對結果有影響，目前腫瘤組織標本可能是研究中最理想的標本。另一個需要關注的問題是如何改善腸道微生物，什麼樣的腸道微生物構成才是標準構成。腸道微生物對宿主健康的影響是非常有前景的研究領域，值得研究與關注（圖2），尤其是與CRC的關係需要進一步深化。

圖2 多種因素均能影響宿主健康與腸道菌群，宿主與菌群關係複雜，多種組學研究很有必要，動物模型與細胞研究則進一步提供靶向機制，只有多種研究手段並存才有助於理解宿主與菌群間複雜的關係以及CRC的發生髮展。

參考文獻：

Gao R, Gao Z, Huang L, Qin H. Gut microbiota and colorectal cancer. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2017 Jan 7. 

責任編輯：腫瘤資訊-宋小編

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