孫中，艾江

【提要】 結(jié)直腸癌(CRC)是發(fā)生在人體下消化道結(jié)腸或直腸的惡性腫瘤。在世界范圍內(nèi)，其發(fā)病率和死亡率均位居癌癥的前三位，對(duì)人類健康構(gòu)成巨大威脅。CRC病因研究指出飲食、遺傳、炎癥等因素與其發(fā)病密切相關(guān)，近年來眾多研究表明腸道菌群失衡在CRC的發(fā)生中可能發(fā)揮著重要作用，其可能通過腸道細(xì)菌對(duì)腸道上皮細(xì)胞DNA直接造成損傷、誘發(fā)腸管慢性炎癥反應(yīng)、干擾免疫反應(yīng)信號(hào)通路誘導(dǎo)炎癥因子釋放或產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物，影響CRC患者化療藥物療效等作用促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。腸道菌群失調(diào)促進(jìn)CRC發(fā)生具體的作用機(jī)制尚未完全闡明。本文通過查閱近幾年相關(guān)文獻(xiàn)并總結(jié)，就腸道菌群失調(diào)在結(jié)直腸癌發(fā)生和發(fā)展中的相關(guān)作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

腸道中有數(shù)以億計(jì)的微生物，其中99%是細(xì)菌，腸道菌群參與宿主的能量代謝過程和調(diào)節(jié)免疫功能，并在其中發(fā)揮重要作用。腸道菌群微生態(tài)失衡對(duì)肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎癥性腸病、相關(guān)腫瘤的發(fā)展具有促進(jìn)作用[1-4]。相關(guān)研究指出，腸道菌群失調(diào)可能在結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)的發(fā)展中起重要作用[5]。本文通過查閱近幾年相關(guān)文獻(xiàn)并總結(jié)，就腸道菌群失調(diào)在CRC發(fā)生和發(fā)展中的相關(guān)作用及其機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群概述

1.1 腸道菌群的分布特點(diǎn)及生理作用

人體內(nèi)的眾多微生物大部分存在于消化道中，尤其是下消化道。正常人體腸道內(nèi)生活著不同類型、不同含量的細(xì)菌多達(dá)1×1014個(gè)，種類超過1 000種[6]。

由于消化道內(nèi)各部位pH值和生理結(jié)構(gòu)不同造成腸道菌群分布有橫向及縱向差異。在橫向上，因?yàn)閜H值和食物停留時(shí)間不同，胃內(nèi)細(xì)菌數(shù)量很少，總菌數(shù)0～103個(gè)，以需氧抗酸性細(xì)菌為主，如幽門螺桿菌、鏈球菌乳桿菌等。小腸pH值稍偏堿性且含有多種消化酶和胰液，腸道節(jié)律運(yùn)動(dòng)快，細(xì)菌多數(shù)被沖刷到回腸；空腸中主要以需型細(xì)菌為主，細(xì)菌數(shù)量約105個(gè)；向下至回腸細(xì)菌數(shù)量增，且厭氧菌為優(yōu)勢(shì)菌群，例如雙歧桿菌、擬桿菌等，細(xì)菌總數(shù)約103～107個(gè)；結(jié)腸內(nèi)菌量最多達(dá)1011～1012個(gè)，且98%以上為厭氧菌，細(xì)菌種類也達(dá)300多種，干大便近1/3的重量是由細(xì)菌組成[7]?？v向上，腸道內(nèi)的細(xì)菌由外向內(nèi)可分為三層，膜菌層：主要為厭氧共生菌，以乳酸桿菌和雙歧桿菌為主；中間菌層：主要為厭氧菌，以糞桿菌、消化鏈球菌、偉榮球菌和優(yōu)桿菌為主；腔菌層：為好氧和兼性好氧菌，主要為大腸桿菌和腸球菌[8]。

生物體內(nèi)物質(zhì)代謝與轉(zhuǎn)化離不開正常腸道菌群的生物作用。正常腸道菌群能夠參與合成如碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪及維生素，共同將初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭?jí)膽汁酸。腸道菌群分解食物能合成多種人體必需維生素,利用腸道消化作用后的蛋白質(zhì)殘?jiān)铣煞潜匦璋被?同時(shí)還能促進(jìn)多種微量元素的吸收[9]。正常菌群通過與黏膜上皮細(xì)胞緊密結(jié)合占領(lǐng)腸道重要位置,阻止其他細(xì)菌在腸黏膜附著，并且正常菌群通過自身分泌細(xì)菌素類物質(zhì)抑制或殺滅其他外來細(xì)菌。正常菌群還能增強(qiáng)宿主的黏膜反應(yīng),刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)的發(fā)育成熟。更有研究證實(shí),腸道內(nèi)正常菌群的分布和存在還具有免疫佐劑活性作用[10]。Beno等[11]研究發(fā)現(xiàn)，腸道中的雙歧桿菌和乳酸菌可通過抗氧化和調(diào)整神經(jīng)內(nèi)分泌-免疫系統(tǒng)而具有抗衰老作用。

1.2 腸道菌群失調(diào)的影響因素

研究指出人體年齡、飲食習(xí)慣、服用抗生素類藥物、某些疾病狀態(tài)均會(huì)影響腸道菌群微生態(tài)平衡，導(dǎo)致菌群失調(diào)的發(fā)生[12]。隨著人們年齡的增長(zhǎng)，腸道內(nèi)菌群多樣性會(huì)逐漸下降，主要表現(xiàn)為益生菌數(shù)量減少，老年性疾病的發(fā)生和機(jī)體功能退化可能是其主要原因[13]。飲食也是腸道菌群多樣性的最重要影響因素之一，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，飲食中含有過多脂肪對(duì)腸道菌群的破壞可以促進(jìn)肥胖的發(fā)展[14]。

腸道菌群失調(diào)的另一種重要方式則是腸黏膜通透性發(fā)生改變時(shí)，腸道內(nèi)細(xì)菌及其產(chǎn)物內(nèi)毒素透過腸道黏膜屏障及血液轉(zhuǎn)移到腸道以外的組織器官定植，進(jìn)一步引發(fā)炎癥和不良免疫反應(yīng)[15]。在某些疾病狀態(tài)如各種創(chuàng)傷、大出血、心源性或感染性休克發(fā)生時(shí)，機(jī)體會(huì)將血液主要供給給心、腦等重要臟器維持基本生命活動(dòng)，腸黏膜及黏膜下層血流的減少使黏膜上皮細(xì)胞發(fā)生壞死無法及時(shí)修復(fù)等會(huì)造成腸道黏膜屏障通透性改變，為細(xì)菌移位創(chuàng)造條件[16]。

2 CRC患者腸道菌群改變

CRC人群與健康人群腸道微生物構(gòu)成存在差異，在CRC患者中表現(xiàn)出明顯菌群穩(wěn)態(tài)失衡。Scanlan等[17]對(duì)CRC和腸息肉切除患者進(jìn)行糞便菌群分析，觀察到CRC及腺瘤性息肉病患者腸道中球形梭菌和柔嫩梭菌數(shù)量較正常人增多。Zare等[18]發(fā)現(xiàn)CRC人群腸道中出現(xiàn)擬桿菌門和普里沃菌屬數(shù)量增多。Swidsinski等[18]亦發(fā)現(xiàn)CRC患者腸道中發(fā)生大腸埃希菌富集。周凱[20]通過基因測(cè)序方法發(fā)現(xiàn)，在腸道癌組織處腸道有益菌如產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌相對(duì)豐度減少，條件性致病菌數(shù)量明顯增多。

3 腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致CRC發(fā)生的機(jī)制

3.1 致病菌通過菌體促腫瘤發(fā)生

1969年Aries等[21]首次提出腸道微生物與CRC間具有相關(guān)性，人體腸道中存在著多種共生菌,但只有大約10種微生物被認(rèn)為是有促瘤作用的菌群。Abdulamir等[22]在小鼠模型中發(fā)現(xiàn),牛鏈球菌能通過增加細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞因子和轉(zhuǎn)錄因子如白細(xì)胞介素1(interleukin-1，IL-1)、干擾素-g(interferon-g, IFN-g)、IL-8和核因子κB(nuclearFactor κB, NF-κB)的產(chǎn)生而促進(jìn)癌前病變的發(fā)展,同時(shí)研究者發(fā)現(xiàn)牛鏈球菌壁提取的特異性抗原能通過過表達(dá)環(huán)氧化酶-2(cyclooxygenase-2,COX-2)來促進(jìn)人腺上皮細(xì)胞癌變。Huycke等[23]采用定量PCR技術(shù)鑒定發(fā)現(xiàn)，糞腸球菌數(shù)量在CRC患者中顯著高于正常人，通過體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該菌能產(chǎn)生細(xì)胞外超氧化物損傷結(jié)腸上皮細(xì)胞的DNA。Rubinstein等[24]發(fā)現(xiàn)具核梭桿菌可以改變腸黏膜上皮細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，細(xì)菌通過表達(dá)的表面粘附蛋白(FadA)與上皮鈣粘附蛋白(E-cadherin)結(jié)合，激活β連環(huán)蛋白(β-catenin)信號(hào)，在不同程度上調(diào)節(jié)炎癥和致癌反應(yīng)。Drewes等[25]發(fā)現(xiàn)卟啉單胞菌可損害上皮細(xì)胞層的完整性及抑制細(xì)胞凋亡,還可通過提升一氧化氮合酶和腫瘤壞死因子-α(tumor Necrosis Factor-α,TNF-α)的表達(dá)，增加腫瘤發(fā)生的概率。

3.2 細(xì)菌毒素作用

腸道菌群失調(diào)使腸道正常菌群占位抑制作用減弱，致菌群大量繁殖引起細(xì)菌毒素增加，同時(shí)炎癥反應(yīng)使腸道屏障功能的損傷會(huì)引起細(xì)菌毒素入血及非致病性細(xì)菌發(fā)生移位，進(jìn)而誘導(dǎo)結(jié)腸癌的發(fā)生[26]。致病機(jī)制可能為通過產(chǎn)生的細(xì)菌毒素與模式識(shí)別受體發(fā)生特異性結(jié)合，如Nod樣受體(nucleotide binding oligomerization domain-like receptors,NLR)和Toll樣受體(Toll-like receptors, TLR)，導(dǎo)致相應(yīng)的信號(hào)通路被激活，出現(xiàn)腫瘤細(xì)胞增殖活躍、凋亡降低、侵襲轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)等惡性生物學(xué)行為，使結(jié)直腸癌病情進(jìn)一步惡化[27]。有研究證實(shí),大腸桿菌毒素可引起DNA雙鏈斷裂、DNA修復(fù)不全和細(xì)胞周期阻滯，染色體發(fā)生畸變，進(jìn)而導(dǎo)致癌癥發(fā)生[28-30]。Toprak等[31]研究發(fā)現(xiàn),脆弱擬桿菌分泌的脆弱擬桿菌毒素具有緊密連接特異性作用，能使動(dòng)物小腸表面上皮細(xì)胞皺縮腫脹形態(tài)發(fā)生改變，致腸黏膜通透性升高，同時(shí)還能刺激腸上皮細(xì)胞(HT29、T84細(xì)胞和Caco-2)分泌IL-8，導(dǎo)致多形核白細(xì)胞聚集到腸黏膜下層，引起炎癥反應(yīng)，增加癌變風(fēng)險(xiǎn)[32]。空腸彎曲桿菌可產(chǎn)生一種基因毒素—細(xì)胞膨脹毒素(cytolethal distending toxin, CDT)具有DNA酶活性，可引起DNA雙鏈斷裂，研究者發(fā)現(xiàn)與未感染空腸彎曲桿菌小鼠相比，感染該菌小鼠腫瘤明顯增大[33]。

3.3 炎癥因子活化及免疫機(jī)制作用

腸道發(fā)生菌群失調(diào)后，腸道內(nèi)有效的屏障功能會(huì)減弱，細(xì)菌移位概率增加。移位的細(xì)菌能介導(dǎo)慢性炎癥發(fā)生，并刺激免疫細(xì)胞及其產(chǎn)生的細(xì)胞因子增多。研究發(fā)現(xiàn)，炎癥過程中產(chǎn)生的細(xì)胞因子和趨化因子可促進(jìn)腫瘤的增殖和存活，這些細(xì)胞因子包括TNF-α、IL-6、IL-17和IL-23等[34]。腸道微環(huán)境中這些細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子可激活相關(guān)的信號(hào)通路，如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β(transfroming growth foctor-β,TGF-β)、Notch、Wnt等，這將降低結(jié)腸黏膜上皮細(xì)胞的自我更新能力；激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB和STAT3，結(jié)腸組織免疫穩(wěn)態(tài)發(fā)生失衡和組織修復(fù)減弱；激活通路MAPK和Akt/PKB，結(jié)腸細(xì)胞的有絲分裂能力受到影響[35]。

高豐度具核梭桿菌會(huì)使腸道上皮細(xì)胞TNF-α、β-catenin和NF-κB表達(dá)增加[36]，通過激活的NF-κB信號(hào)和STAT3信號(hào)通路使上皮來源的腫瘤細(xì)胞發(fā)生間充質(zhì)化，進(jìn)一步提升腫瘤細(xì)胞的遷移和侵襲能力[37]。產(chǎn)腸毒素類脆弱擬桿菌在腸道中過度繁殖可導(dǎo)致上皮促炎性因子的釋放增多，炎癥反應(yīng)增強(qiáng)[38]，并進(jìn)一步活化NF-κB信號(hào)通路[39]，刺激炎性細(xì)胞產(chǎn)生基質(zhì)金屬蛋白酶-9(matrix metallopeptidase 9,MMP9)，使細(xì)胞遷移能力增強(qiáng)[40]。Round等[41]發(fā)現(xiàn)約氏乳酸桿菌能增強(qiáng)炎性反應(yīng)抑制性細(xì)胞因子IL-10與TGF-β的分泌,減少促炎因子IL-1b和IFN-γ的濃度,降低T細(xì)胞以及自然殺傷細(xì)胞的浸潤(rùn),降低炎癥反應(yīng)程度以此減少CRC發(fā)生率。

3.4 細(xì)菌代謝產(chǎn)物和相關(guān)酶作用

腸道細(xì)菌參與了多種腸道物質(zhì)的合成及代謝過程，代謝產(chǎn)物及相關(guān)酶又與腸道菌群共同參與了腸道微生態(tài)平衡的調(diào)節(jié)[42]。硫酸鹽還原菌(sulfate-reducing bacteria, SRB)可還原硫酸鹽產(chǎn)生硫化氫(H2S)氣體[43]。硫化氫主要通過結(jié)腸黏膜炎癥、誘導(dǎo)DNA損傷、結(jié)腸黏膜過度增生、自由基釋放，并同時(shí)抑制細(xì)胞色素氧化酶、丁酸鹽利用、黏液合成和DNA甲基化等機(jī)制促進(jìn)結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展[44]。高脂飲食條件下，腸道梭菌屬代謝作用產(chǎn)生的次級(jí)膽汁酸具有影響有絲分裂過程作用，并誘導(dǎo)DNA損傷，提高結(jié)腸癌的發(fā)生概率[45]，主要通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)、激活細(xì)胞因子NF-κB及表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor, EGFR)等途徑促腫瘤發(fā)生[46-47]。腸道菌群發(fā)酵食物產(chǎn)生短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸家族中的丁酸鹽被證實(shí)具有強(qiáng)大的抗炎和抗腫瘤能力[48]。Wu等[49]指出腸道中產(chǎn)生丁酸鹽的柔嫩梭菌群減少會(huì)促進(jìn)CRC的發(fā)生。腸道內(nèi)微生物將某些植物來源的食物代謝有生物活性的化合物，如腸木脂素可能在癌癥形成中起了一定的作用[50]。

除此之外，腸道菌群代謝產(chǎn)生相關(guān)酶同樣在癌癥的發(fā)生發(fā)展中具有一定影響，如精胺氧化酶、硝基還原酶、偶氮還原酶、β-葡萄糖醛酸酶、活性氧、活性氮等[51]，這些相關(guān)酶主要能夠造成細(xì)胞DNA損傷、增加基因突變率以及激活致癌物來增加腫瘤發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[52]。戴起寶等[53]測(cè)定了結(jié)直腸癌灶黏膜組織中細(xì)菌β-葡萄糖醛酸酶活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其活性較非結(jié)直腸癌人群顯著增高。Geier等[54]發(fā)現(xiàn)正常腸道中的乳酸桿菌和雙歧桿菌等可降低偶氮還原酶、硝基還原酶和β-葡萄糖醛酸酶的活性，從而使CRC的發(fā)生率下降。

3.5 影響腫瘤化療療效

CRC患者腸道菌群與化療療效具有一定相關(guān)性，腸道共生菌能夠改變腫瘤微環(huán)境，提高機(jī)體對(duì)于寡核苷酸介導(dǎo)的腫瘤治療和鉑類化療的療效[55]。研究者發(fā)現(xiàn)，腸道共生菌群對(duì)化療藥物奧沙利鉑、順鉑療效有較明顯的影響，奧沙利鉑治療的作用機(jī)制是通過細(xì)胞毒性殺死免疫相關(guān)細(xì)胞,增加活性氧族的分泌[56]。研究者觀察到，腸道某些內(nèi)共生菌如乳酸桿菌等數(shù)量減少，可導(dǎo)致化療藥物奧沙利鉑的細(xì)胞毒性一定程度地下降，活性氧族分泌化療效果也出現(xiàn)明顯減弱[57]。Viaud 等[58]在使用環(huán)磷酰胺對(duì)黑色素瘤和非轉(zhuǎn)移性的肉瘤進(jìn)行化療的模型研究中發(fā)現(xiàn)，因炎癥及免疫損傷腸黏膜上皮細(xì)胞，腸道共生菌群革蘭陽性菌可以通過其遷移進(jìn)入二級(jí)淋巴組織脾臟和淋巴結(jié)中，促進(jìn)輔助性T細(xì)胞17(T helper cell 17, Th17) 和記憶性Th1細(xì)胞的分化成熟，并促進(jìn)IL-17和IFNγ的分泌，該作用提高了環(huán)磷酰胺的化療效果。

綜上所述，腸道菌群失調(diào)主要通過腸道細(xì)菌對(duì)腸道上皮細(xì)胞DNA直接造成損傷、誘發(fā)腸管慢性炎癥反應(yīng)、干擾免疫反應(yīng)信號(hào)通路誘導(dǎo)炎癥因子釋放或產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物或酶，影響CRC患者化療藥物療效，進(jìn)而對(duì)結(jié)直腸癌的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生一定影響。目前已經(jīng)較為明確的促腸道腫瘤微生物主要為產(chǎn)腸毒素大腸埃希菌、牛鏈球菌、產(chǎn)毒素脆弱擬桿菌、具核梭桿菌，抑瘤性微生物包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、鼠李斯特菌等。未來可能出現(xiàn)通過檢測(cè)上述腸道菌群結(jié)構(gòu)變化的技術(shù)方法來進(jìn)行結(jié)直腸癌的早期篩查，為CRC的預(yù)防、及時(shí)診斷和有效治療提供新標(biāo)準(zhǔn)和新途徑。