原创 菌情观察室 2019-11-18 06:30:00
微生物群落是指生活在身体特定部位的所有微生物，包括细菌、真菌和病毒等。肠道是人体微生物群落密度最高的地方。肠道菌群对宿主的健康也具有重要意义。肠道菌群参与营养物质的降解、外源性物质的清除、肠道上皮细胞的生长和分化、肠道蠕动、抵御病原体的定植，也影响免疫系统的发育和成熟。肠道是人体最大的免疫器官，人体70%的免疫功能来自肠道，确保对外来抗原的耐受性，比如食物和微生物。
肠道微生物几乎影响我们身体的每一个系统，在我们身体的大部分功能中都发挥着不可或缺的作用。因此，肠道菌群失衡也就成为了许多疾病背后的驱动因素，包括结肠癌的发生。在癌症发生过程中，炎症、免疫反应和毒性代谢物起着重要作用。特定种类的细菌可能影响结肠癌的风险和已经存在的肿瘤的生长。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
肠道菌群与结肠癌
结直肠癌是全球发病和死亡的主要原因之一。我国的结直肠癌的发病率和死亡率均呈上升趋势。根据2015年中国癌症统计数据显示，我国结直肠癌发病率和死亡率在全部恶性肿瘤中均位居第5位。
现代治疗手段对结直肠癌的治疗效果仍不理想，死亡率居高不下。我们迫切需要识别结直肠癌的危险因素和生物标志物，提高对这种癌症的治疗效果。在过去的10多年里，研究发现了许多关于肠道菌群在结直肠癌发展中作用的重要信息。特定微生物的存在与癌症发生之间的因果关系已经得到证实。现在人们认为，大约20%的人类癌症受到微生物的影响。与恶性肿瘤风险相关的微生物在很大一部分人群中都有定植，但是只有一小部分人会患上癌症。因此，宿主基因、饮食结构和炎症状态也是影响微生物与结直肠癌发生之间的关系的关键因素。健康的肠道菌群是维持宿主对病原体防御的必要条件。肠道菌群紊乱可能通过调节免疫功能和产生毒性代谢物而导致结直肠癌的发生。
结直肠肿瘤发生与重要的遗传基因突变有关，比如抑癌基因和致癌基因的突变，导致正常肠上皮向恶性肿瘤转化。结直肠癌的发生通常是由APC抑癌基因突变引起的。APC蛋白是Wnt/β-catenin信号通路的负调控因子，在维持肠上皮内环境稳态中发挥重要作用。APC基因失活可以刺激该通路，导致β-catenin获得向细胞核转移的能力，并刺激增殖导致息肉形成。参与Wnt/β-catenin信号通路失调的微生物有助于癌症的发生。
结直肠癌的发病是一个非常复杂的、多因素的过程，在此过程中发生了各种遗传和表观遗传的变化。炎症性肠病的5年累积恶性肿瘤风险为33-54%；炎症性肠病患者发生结直肠癌的风险增加了四倍。炎症性肠病可以加速肠道菌群数量和质量的变化。肠道菌群失调进而导致肠上皮屏障功能的丧失，加重了炎症性肠病的严重程度，最终可能导致结直肠癌的发生。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
人体肠道菌群是一个复杂的生态系统，肠道菌群组成在肠道的各个部分之间是不同的，它是维持机体内环境平衡的一个重要因素。健康人的肠道微生物主要由两大细菌门组成：厚壁菌门和拟杆菌门，约占微生物总数的90%。肠道微生物既能与宿主协同工作，维持机体健康，也可能促进疾病的发生和发展。
肠道菌群至少由上千种细菌组成，这些细菌是消化食物、控制肠道上皮细胞内稳态、肠道发育以及人类健康所必需的。肠道黏膜上的共生微生物可以增加肠道稳定性，抑制病原菌在肠道的定植。肠道菌群平衡的破坏会导致肠道屏障损伤和先天免疫功能受损，这为病原微生物的繁殖创造了条件，引发慢性炎症和感染。有研究表明，炎症性肠病的易感性与特定种类的细菌有关。调节肠道菌群会影响T细胞诱导的结肠炎。炎症诱导的啮齿类结直肠癌研究中，通过调节肠道菌群可以抑制肿瘤的生长。微生物可以通过调节干细胞和产生影响糖酵解或免疫反应的代谢物，引起炎症，促进细胞增殖，影响宿主细胞的微环境。通过对粪便样本进行测序发现，结直肠癌患者肠道中一些特定的细菌物种数量增加，比如具核梭杆菌、大肠杆菌、脆弱拟杆菌、消化链球菌和微小小单孢菌，而其它一些细菌物种缺失，比如梭菌、栖粪杆菌、布劳特氏菌和双歧杆菌。
微生物物种及其在结直肠癌中的不同作用
肠道菌群通过产生有毒代谢物或诱导炎症在结直肠癌的发生中发挥着重要作用，但这一作用通常被低估。有些细菌对结直肠癌有致癌作用，而有的细菌物种则具有保护作用。
具核梭杆菌——一种革兰氏阴性厌氧细菌，通过形成炎症微环境促进肿瘤的生长，在结直肠癌细胞中触发几个重要的信号通路。在结肠腺瘤和结直肠癌中均观察到具核梭杆菌的水平升高。具核梭杆菌通过NF-κB炎症信号通路和募集肿瘤浸润的髓样细胞促进肿瘤的进展而诱发肿瘤的发生。具核梭杆菌上的Fap2蛋白可以与自然杀伤细胞上的抑制性受体TIGIT结合，抑制其细胞毒性。此外，具核梭杆菌通过黏附到内皮细胞刺激β-catenin信号通路，导致促炎症和致癌信号的激活。具核梭杆菌也可以通过Wnt信号通路或通过解除CD3+ T淋巴细胞的调节促进肿瘤的生长，而且结肠组织中具核梭杆菌的存在与生存期更短有关。具核梭杆菌的存在也与结直肠癌的侵袭能力（比如淋巴结转移）高度相关。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
大肠杆菌——一种革兰氏阴性的兼性厌氧细菌，是正常肠道菌群的一员。大量研究证实致病性大肠杆菌菌株能诱导慢性炎症和毒素的产生，可能参与结直肠癌的发生。大肠杆菌的致病性菌株可以合成各种各样的毒素，包括细胞周期调节素、细胞毒性坏死因子和大肠杆菌毒素等，其中细胞周期调节素具有基因毒性和细胞周期抑制作用，大肠杆菌毒素可以通过诱导DNA双链的断裂和染色体不稳定的发生共同促进结直肠癌的发生。
脆弱拟杆菌——一种革兰氏阴性厌氧细菌，属于肠道共生菌，有非产肠毒素脆弱拟杆菌和产肠毒素脆弱拟杆菌两种亚型。非产肠毒素脆弱拟杆菌对人体有益，而产肠毒素脆弱拟杆菌是一种典型的导致结直肠癌发生的微生物。产肠毒素脆弱拟杆菌具有较高的促炎潜能，它导致Th17和调节T淋巴细胞增加，通过诱导骨髓细胞向骨髓源性抑制细胞的分化来促进早期肿瘤的生长。产肠毒素脆弱拟杆菌会分泌一种脆弱拟杆菌毒素，脆弱拟杆菌是一种锌依赖性金属蛋白酶，参与结肠上皮细胞的多种信号通路，从而诱导炎症介质的产生，促进结直肠癌的发生发展。
双歧杆菌——一类常见的对宿主有益的革兰氏阳性细菌。这些细菌对炎症性肠病或结直肠癌患者具有预防和治疗作用。结直肠癌患者中往往表现出双歧杆菌水平的降低。
乳酸杆菌——一类革兰氏阳性的兼性厌氧细菌，已被广泛应用于临床实践。一些特定的乳酸杆菌菌株通过调节产生细胞因子的树突状细胞发挥抗炎活性。预防性的使用某些特定的乳酸杆菌菌株可以通过诱导细胞凋亡和抑制炎症反应来降低结肠肿瘤病变的发生率。某些乳酸杆菌还可以增加肠道上皮屏障的功能。
塑造肠道菌群
婴儿出生的头几个月，母体微生物是建立儿童菌群所必需的。新生儿第一次接触微生物是在分娩期间。顺产出生的新生儿肠道菌群中乳酸杆菌的含量较高，而剖腹产出生的新生儿肠道菌群中含有较多的葡萄球菌和丙酸杆菌。喂养方式也对婴儿肠道菌群具有重要影响。到两岁时，肠道菌群会接近成人水平。在以后的生活中，有很多因素会参与塑造个体的肠道菌群。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
肠道菌群组成对肠道微环境的各种特定变化非常敏感，比如：pH值、氧气的存在、黏膜完整性和营养物质的可获得性等等。肠道菌群组成的改变可能导致潜在的有害微生物的生长，这些微生物可能导致炎症性疾病和结直肠癌的发生。
饮食在塑造肠道菌群的组成方面起着重要的作用。研究表明，无论成年后饮食的变化如何，生命最初几年的高脂饮食与拟杆菌门细菌物种的数量减少有关。经常饮酒也会引起肠道菌群的变化，从而增加结肠癌的风险。长期饮酒者的肠道中厌氧的拟杆菌门细菌数量减少，而链球菌属的厌氧菌群增加。
肠道菌群特征依赖于长期的饮食模式。高动物蛋白和高饱和脂肪饮食的人群肠道菌群中拟杆菌属的细菌水平较高，而富含碳水化合物的饮食人群的肠道中普氏菌属的细菌较多。肠道菌群的组成通常在改变饮食后24小时内发生变化。
在结直肠癌动物模型中发现，其中一些细菌在结直肠癌的发展过程中扮演“司机”的角色，而另一些细菌扮演“乘客”的角色。一些致癌细菌可以导致慢性炎症或产生毒性代谢物，从而引发结直肠癌的发生。与健康人相比，志贺氏菌、柠檬酸杆菌和沙门氏菌在结直肠癌早期的比例更大并随着肿瘤的进程而消失。相反，“乘客”细菌，比如梭杆菌属细菌和链球菌科的成员，在结直肠癌发生时并不存在，在疾病后期才发现。一些致病性的“司机”细菌能够迅速在健康的肠道上皮细胞中定植，驱动肿瘤的发生，但是随后在肿瘤微环境中会逐渐被机会性的“乘客”细菌所取代。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
肠道菌群失调和免疫系统功能障碍
肠道上皮细胞在维持肠内平衡中起着关键作用。肠道上皮屏障损伤后进入病变部位的第一批细胞是先天性免疫细胞。初始炎症反应的特征是NF-κB、MAPK/ERK和STAT3信号通路的激活。NF-κB信号通路负责调节炎症和凋亡；而MAPK/ERK信号通路诱导细胞增殖。肠道黏膜慢性炎症可以诱发基因突变，促进血管生成，刺激细胞增殖和抑制细胞凋亡。
虽然免疫功能失调在结直肠癌发生发展中的作用十分复杂，但是在结直肠癌的发生部位有炎症性细胞数量的增加，可能导致细胞因子和趋化因子的过度表达，从而诱导结直肠癌的发生。在过去的十年中，许多具有里程碑意义的研究表明，免疫系统的紊乱与肠道菌群失调和结直肠癌的发生有关。
免疫系统的基础部分是模式识别受体，它具有通过分子结构识别微生物的能力。这些受体包括Toll样受体，这是一类在抗原呈递细胞、巨噬细胞和树突状细胞上表达的蛋白质。在肠道屏障被微生物破坏的情况下，抗原呈递细胞通过Toll样受体识别这些微生物，导致某些细胞因子的分泌，激活免疫反应。
Toll样受体2和Toll样受体4通过诱导肿瘤细胞的增殖、侵袭和迁移以及免疫特异性丧失和对化疗产生耐药性，在结直肠癌的发生和进程中发挥重要作用。Toll样受体4过表达可以促进NF-κB信号通路，进而诱导结直肠癌的生物标志物环氧化酶2的表达。
先天免疫系统是病原微生物进入身体后宿主抵御病原微生物的第一道防线，但并不是唯一的。当微生物穿过肠道黏膜屏障后，适应性免疫反应的激活在预防癌症发生中也发挥重要作用。淋巴细胞在控制微生物引起的结直肠癌中的作用已被证实。产肠毒素脆弱拟杆菌可以通过Th17免疫反应诱导小鼠肿瘤发生。脆弱拟杆菌毒素降低了IL-2对T淋巴细胞的可用性，使Th17淋巴细胞极化，从而促进结肠肿瘤的发生。革兰氏阴性的柠檬酸杆菌在盲肠和结肠表面定植，可以通过Th1/Th17免疫反应诱导炎症。相反，梭菌在维持黏膜内环境平衡和预防炎症性肠病方面起着关键作用。
肠道菌群不仅影响免疫系统的稳态，还会改变肠道黏膜固有层T细胞的数量。IL-10是一种由适应性免疫细胞广泛表达的抗炎细胞因子，IL-10的缺乏与炎症诱导的结直肠癌的发生有关。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
肠道菌群代谢在结直肠癌中的作用
肠道菌群通过肠道微环境中的基因毒性应激或分泌代谢物，促进致癌的遗传和表观遗传变化。肠道微生物、代谢和宿主之间的相互作用极为重要。
研究已经证明，糖酵解的增强会影响耐药性。糖酵解参与DNA损伤修复和癌细胞能量代谢的重编程，参与有毒化疗药物的清除。糖酵解的增加也会导致其代谢物转向许多其它参与细胞增殖的重要生物合成途径。葡萄糖耐受不良可以影响癌症的发展并促进耐药性。膳食纤维通过增加有益细菌的数量，可以改善葡萄糖代谢，预防细菌引起的葡萄糖耐受不良。
一些微生物代谢产物参与了结直肠癌的形成。膳食纤维的保护作用主要来自其发酵产物短链脂肪酸，比如乙酸、丙酸和丁酸。它们可以由多种微生物发酵产生，比如拟杆菌、双歧杆菌、梭菌、乳酸杆菌、普氏菌和丙酸杆菌等等。短链脂肪酸通过改变基因表达和基因转录参与结直肠癌的调节。比如丁酸可能对癌细胞的凋亡、增殖和侵袭具有调节作用，丁酸可以结合到适当的受体抑制肠道炎症和癌变。通过受体传递信号，丁酸促进巨噬细胞和树突状细胞的抗炎活性，启动调节T细胞的分化和抗炎细胞因子IL-10的产生。丁酸还可以增强结肠的保护屏障，减少氧化应激。
胆汁酸的代谢在结直肠癌的发生中发挥重要作用。次级胆汁酸——去氧胆酸和石胆酸是由结肠中的厌氧微生物产生的，这主要是由梭菌产生的酶所催化的。去氧胆酸通过调节细胞内信号和基因表达而参与结直肠癌的发生发展。去氧胆酸和石胆酸通过激活表皮生长因子受体途径、诱导DNA损伤、引起氧化或硝化应激、凋亡、影响肠上皮细胞C蛋白激酶途径以及调节肠道通透性和基因转录来调节结肠肿瘤的发生。
熊去氧胆酸是另一种胆汁酸，尽管其化学结构与去氧胆酸相似，但是可以通过抑制环氧化酶2的表达和阻止去氧胆酸激活的表皮生长因子受体途径，在结直肠肿瘤发生中起保护作用。氧化三甲胺也是参与结直肠癌发生发展的肠道微生物代谢物。日常饮食中的磷脂酰胆碱和左旋肉碱进入肠道后会在肠道菌群的作用下代谢为三甲胺，三甲胺可在肠道吸收入血，然后在肝脏黄素单加氧酶作用下氧化为氧化三甲胺。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
肠道微生物对结直肠癌化疗和免疫治疗效果的影响
肠道菌群通过调节自噬和代谢影响宿主对结直肠癌治疗的药物代谢动力学、抗肿瘤活性和细胞毒性。小鼠研究表明，口服双歧杆菌可能影响化疗药物的效果和副作用。化疗期间发生的腹泻可能是由肠道细菌酶——β-葡萄糖醛酸酶引起的，该酶在肠道内可以重新激活化疗药物伊立替康的非活性代谢物。 伊立替康本身没有活性，它在体内会被转化为活性的代谢产物SN-38，SN-38可在肝脏中转化为SN-38-G而解毒。然而肠道细菌产生的β-葡萄糖醛酸酶代谢成SN-38而诱导细胞毒性。双歧杆菌可以降低β-葡萄糖醛酸酶活性，从而降低化疗的副作用。在铂类化疗药治疗中，肠道细菌可以刺激浸润到肿瘤内的造血细胞释放活性氧。抗生素会降低由化疗诱导、负责活性氧产生的酶的表达。结肠癌小鼠使用抗生素处理时，髓样细胞的产生减少，奥利沙铂的抗肿瘤效果降低。
免疫治疗无效最重要的原因是免疫反应的负调控，主要是由炎症性细胞的募集和激活导致的，包括调节T细胞、骨髓源性抑制细胞和M2巨噬细胞。其它一些分子也参与了肿瘤免疫的负调控，包括免疫检查点蛋白（CTLA4、PD1、PDL1）和免疫抑制性细胞因子（TGFβ、IL-10、IL-17、IL-6）。肠道菌群对抗癌免疫治疗反应具有重要的调节作用。
抗IL-10免疫治疗和CpG寡核苷酸可以抑制实现小鼠结肠癌的生长。抗生素会减少TNF-α的释放，降低抗IL-10和CpG寡核苷酸治疗的有效性。研究发现，对治疗有反应的结直肠癌小鼠的结肠中沙氏别样杆菌（Alistipes shahii）数量显著增加，且与肿瘤微环境中TNF-α的局部释放相关。沙氏别样杆菌可以影响骨髓细胞免疫反应，提高免疫治疗的效果。肠道菌群也可以影响基于免疫检查点的免疫治疗的有效性。易普利姆玛是一种能够有效阻滞CTLA-4的单克隆抗体，但是依赖于肠道菌群来增强T淋巴细胞的反应。易普利姆玛可以降低拥有正常菌群的小鼠结直肠癌的生长，但是对无菌小鼠或广谱抗生素处理的小鼠没有效果，其抗癌效果至少部分依赖于非产肠毒素脆弱拟杆菌。抗CTLA-4抗体与拟杆菌结合可以促进具有抗癌特性的树突状细胞和T淋巴细胞的免疫反应。拟杆菌的增加可以抵抗CTLA-4阻滞诱导的结肠炎的发生。含有免疫原性的拟杆菌的粪菌移植可以恢复那些对CTLA-4抑制剂免疫治疗无效的动物的治疗有效性。肠道菌群中存在的梭菌可以促进有益T淋巴细胞的增殖，进而抑制免疫抑制性细胞的水平。双歧杆菌联合抗PDL-1抗体可以激活树突状细胞，导致CD8+ T细胞在肿瘤微环境中的积累增多，从而降低肿瘤生长。嗜黏蛋白阿克曼氏菌对抗PD1治疗敏感的上皮性肿瘤患者具有有益作用。粪菌移植联合嗜黏蛋白阿克曼氏菌治疗可以通过召集肿瘤中的T淋巴细胞恢复抗PD-1免疫治疗的有效性。更多的研究也表明，许多其它细菌种类也参与改善免疫检查点治疗的临床反应。
结肠癌的发生和治疗，都不要忽略肠道菌群
结论
肠道菌群通过改变肠道微环境的稳态和免疫应答而调节结直肠癌的发生和发展。肠道菌群失调在结直肠癌发生发展中发挥关键作用。在肿瘤发生过程中，炎症、免疫反应和毒性代谢物起着重要作用。特定种类的细菌可能影响结直肠癌的风险和已经存在的肿瘤的生长。某些病原微生物可以引起肠道炎症并产生具有遗传毒性的致癌物质，肠道细菌是抵御这些病原微生物入侵的一道重要防线。一些特定的微生物还可以调节宿主对化疗和免疫治疗的敏感性，并影响结直肠癌患者的预后。评估结直肠癌发生发展过程中肠道菌群的变化有助于结直肠癌的早期诊断或者可能影响结直肠癌患者的治疗策略。肠道菌群为开发治疗或预防结直肠癌的新策略提供了机会。特定的肠道微生物与化疗或免疫治疗药物的结合，在治疗结直肠癌和减少药物不良反应方面具有高度的协同作用。通过改变饮食、避免使用广谱抗生素、使用益生菌和益生元来调节肠道菌群可能为预防结直肠癌、降低癌症恶化风险和提高癌症治疗的有效性带来新的希望。
