何楊婷，劉 莉

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院流行病與衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)學(xué)系（武漢 430030）

結(jié)直腸癌（Colorectal cancers，CRC）是人類(lèi)主要的惡性腫瘤之一，是全球主要的疾病負(fù)擔(dān)之一。在中國(guó)，日益西化的生活方式導(dǎo)致了CRC發(fā)病和死亡率呈上升趨勢(shì)[1]。2015年中國(guó)CRC發(fā)病率為376.3/100 000，死亡率為191/100 000[2]。CRC的遺傳率為12%-35%[3]，其發(fā)病在很大程度上受到環(huán)境因素的影響，目前已知的環(huán)境危險(xiǎn)因素包括肥胖、低體力活動(dòng)、不良飲食（如高紅肉和加工肉、低纖維、低全麥和低鈣）、酒精和吸煙等，非甾體類(lèi)抗炎藥物是保護(hù)因素[4]。腸道微生物是寄居在人體腸道內(nèi)的龐大、復(fù)雜的微生物群落，包括細(xì)菌、真菌、病毒以及古生菌，其中，細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)超于其他，因此習(xí)慣上稱(chēng)為腸道菌群。正常腸道菌群以厭氧菌為主，包含500-1 000個(gè)種，在門(mén)水平上大部分為厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)[5]。人類(lèi)結(jié)腸中約有3.9×1013個(gè)微生物，與人體細(xì)胞數(shù)量相當(dāng)，總重量約為0.2 kg[6]。近年來(lái)，隨著研究的深入，腸道菌群在CRC發(fā)生發(fā)展中的作用越來(lái)越受到重視。

1 腸道菌群的生理功能及影響因素

1.1 腸道菌群的生理功能

腸道和腸道菌群為互利共生的關(guān)系，腸道為菌群提供了賴(lài)以生存的環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)，而腸道菌群在維持腸道正常的結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮著重要的作用。腸道菌群的正常生理功能包括:影響腸道發(fā)育和形態(tài)變化；維持腸粘膜屏障功能；影響血管系統(tǒng)重塑；調(diào)控細(xì)胞周期；編碼各種代謝酶，影響宿主代謝，如促進(jìn)難消化的多糖分解和必需維生素產(chǎn)生；調(diào)節(jié)腸道免疫等[5]。

1.2 腸道菌群的影響因素

腸道菌群與宿主在相互適應(yīng)的過(guò)程中，腸道菌群、宿主和腸道微環(huán)境之間達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，腸道菌群隨之發(fā)生改變，最終導(dǎo)致CRC。影響腸道菌群的因素包括：

（1）年齡。腸道菌群多樣性在兒童期逐漸增加，而在青少年和成年期保持相對(duì)的穩(wěn)定。腸道菌群組成變化也有一定規(guī)律，如隨著年齡增長(zhǎng)，雙歧桿菌、乳酸桿菌和糞桿菌等相對(duì)降低，而厭氧菌的豐度相對(duì)升高[7]。

（2）地域。不同地域的人群間存在顯著不同的腸道菌群特征，這可能歸因?yàn)椴煌娘嬍辰Y(jié)構(gòu)。研究表明，非洲兒童厚壁菌門(mén)和腸桿菌門(mén)相對(duì)缺失，糞便中纖維代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸含量增高，而意大利兒童飽和脂肪酸和動(dòng)物蛋白攝入較多，擬桿菌門(mén)增加[8]。

（3）飲食。不同的飲食結(jié)構(gòu)塑造出具有顯著差異的腸道菌群群落結(jié)構(gòu)，如高纖維飲食可增加腸道中乳酸桿菌及雙歧桿菌的含量，而高脂飲食則有利于耐膽汁的微生物生長(zhǎng)[9-10]。

（4）運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)可調(diào)節(jié)腸道菌群。研究發(fā)現(xiàn)，橄欖球運(yùn)動(dòng)者相對(duì)于久坐受試者，腸道菌群多樣性和艾克曼菌的豐度顯著增加[11]。

（5）抗生素?？股啬芨蓴_腸道菌群的生長(zhǎng)，腸道菌群則可通過(guò)耐藥基因抵抗其作用。研究表明，健康成年人在接受4天美羅培南、慶大霉素和萬(wàn)古霉素混合干預(yù)后，腸桿菌、糞腸球菌和具核梭桿菌等大量繁殖，而雙歧桿菌和產(chǎn)丁酸菌明顯降低。這些變化在約1.5個(gè)月時(shí)大致恢復(fù)到基線水平[12]。

（6）營(yíng)養(yǎng)代謝障礙等。高血壓、糖尿病等營(yíng)養(yǎng)代謝性疾病患者腸道菌群發(fā)生明顯改變[13]。

2 結(jié)直腸癌的腸道菌群特征及診斷相關(guān)標(biāo)志物

2.1 結(jié)直腸癌的腸道菌群特征

越來(lái)越多流行病學(xué)證據(jù)表明腸道菌群失調(diào)與CRC發(fā)生密切相關(guān)。腸道菌群失調(diào)主要表現(xiàn)為微生物總體結(jié)構(gòu)、種類(lèi)的變化，有益菌減少和致病菌增加[14]。早期通過(guò)對(duì)糞便進(jìn)行培養(yǎng)，研究者發(fā)現(xiàn)CRC高危人群和低危人群腸道菌群組成不同[15]。大量16S研究和宏基因組研究發(fā)現(xiàn)相較于健康對(duì)照，CRC患者的糞便和粘膜樣本中腸道菌群多樣性增加，脆弱擬桿菌、糞腸球菌、大腸埃希菌、具核梭桿菌、消化道鏈球菌、卟啉單胞菌和微小微單胞菌等顯著上升，而羅斯氏菌、糞桿菌、丁酸羧菌和雙歧桿菌等顯著下降，且上升的多為口腔致病菌[16-23]。目前尚未發(fā)現(xiàn)在所有研究人群中均存在顯著差異的CRC相關(guān)腸道菌群，但具核梭桿菌在CRC中富集的現(xiàn)象可在較多的研究中觀察到。對(duì)來(lái)自7個(gè)國(guó)家的386例病例和382例對(duì)照的宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行meta分析，發(fā)現(xiàn)了在CRC中顯著富集的29個(gè)核心物種，包括梭桿菌、卟啉單胞菌、微單胞菌、消化道鏈球菌、孿生球菌、普氏菌和Solobacterium等[24]。CRC腸道菌群特征還與結(jié)直腸癌的進(jìn)展相關(guān)，糞便中具核梭桿菌、共生梭菌的豐度在健康對(duì)照、腺瘤、早期癌癥、進(jìn)展期癌癥中逐漸上升[25-26]。2019年發(fā)表的一篇較大樣本量的宏基因組和代謝組聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌早期病變可能有一些獨(dú)特的微生物特征，如Atopobium parvulum僅在低級(jí)別發(fā)育不良的結(jié)直腸多發(fā)腺瘤患者糞便中顯著升高[27]。既往研究也揭示了真菌和病毒在CRC中的特征，如CRC中噬菌體豐度增加[28]， 真菌Malasseziomycetes顯著富集。

2.2 結(jié)直腸癌診斷相關(guān)菌群標(biāo)志物

已有多項(xiàng)研究證實(shí)了多種腸道菌群標(biāo)志對(duì)CRC的診斷潛能。Yu等的研究在香港人群中發(fā)現(xiàn)了20種CRC微生物基因標(biāo)志物，在丹麥隊(duì)列中驗(yàn)證了其中的四種，在法國(guó)和澳大利亞人群中這四種標(biāo)志物具有較高的預(yù)測(cè)精度，受試者特征曲線下面積（Areas under the receiver-operating curve，AUC）分別為0.72和0.77。用qPCR定量精簡(jiǎn)的兩種標(biāo)志物包括具核梭桿菌的丁酰輔酶A脫氫酶基因和微小微單胞菌的RNA聚合酶β亞單位基因能實(shí)現(xiàn)0.84的預(yù)測(cè)精度[22]。2019年發(fā)表的兩篇宏基因組meta分析顯示，多種腸道菌群標(biāo)志物區(qū)分CRC和健康對(duì)照時(shí)具有較高的預(yù)測(cè)精度，除了一個(gè)非深度測(cè)序集外，留一法驗(yàn)證的AUC均大于等于0.8[24,29]，其中具核梭桿菌具有較強(qiáng)的區(qū)分效應(yīng)。病毒和真菌預(yù)測(cè)CRC的能力也在既往研究中得到證實(shí)，AUC分別為0.80和0.93[28,30]。

無(wú)論是單獨(dú)使用qPCR測(cè)定的具核梭桿菌作為CRC標(biāo)志物[26]，還是與梭狀芽胞桿菌[25]、哈氏梭菌[31]和大腸桿菌[32]等組合，均具有較高的CRC預(yù)測(cè)潛能。具核梭桿菌及梭狀芽胞桿菌等還能提高糞便免疫化學(xué)測(cè)試的靈敏度和特異度，增強(qiáng)其診斷性能[26,31]。

3 腸道菌群參與結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展的機(jī)制

當(dāng)體內(nèi)外環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，腸道菌群出現(xiàn)失調(diào)，益生菌減少，致病菌大量繁殖，通過(guò)各種機(jī)制影響CRC發(fā)生發(fā)展。

3.1 毒力因子直接損傷致癌機(jī)制

部分致病菌可通過(guò)產(chǎn)生毒力因子發(fā)揮致癌作用。腸道菌群產(chǎn)生的毒力因子主要包括兩類(lèi)，一類(lèi)為具有基因毒性的基因毒素，可直接造成DNA損傷和染色體不穩(wěn)定性，或降低DNA的修復(fù)能力使突變累積最終導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)失調(diào)、腫瘤形成；另一類(lèi)為具有侵襲性的其他毒力因子，在破壞腸上皮黏膜屏障的同時(shí)，還可通過(guò)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，誘導(dǎo)上皮細(xì)胞增殖和惡性轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，含有pks島的大腸桿菌能編碼聚酮肽基因毒素，從而誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂、染色體畸變和細(xì)胞周期阻滯[33]。某些革蘭陰性菌如大腸桿菌、空腸彎曲菌等產(chǎn)生的細(xì)胞致死性腫脹毒素與哺乳動(dòng)物脫氧核苷酸酶同源，可引起突變頻率增加、染色體畸變累積和錨定非依賴(lài)生長(zhǎng)加強(qiáng)[34]。產(chǎn)毒素的脆弱擬桿菌分泌一種依賴(lài)鋅的金屬蛋白酶毒素，能裂解E-鈣粘素，增加腸上皮細(xì)胞的通透性，引起細(xì)菌移位，并通過(guò)激活 Wnt/β-catenin信號(hào)通路增加染色體不穩(wěn)定性[35]。具核梭桿菌產(chǎn)生的FadA黏附素可與E-鈣粘素結(jié)合，調(diào)控細(xì)菌粘附和侵入上皮細(xì)胞，并通過(guò)激活Wnt /β-catenin信號(hào)通路誘導(dǎo)CRC細(xì)胞增殖[36]。此外，腸道菌群還可促進(jìn)宿主產(chǎn)生活性氧和活性氮，引起DNA損傷[37]。

3.2 慢性炎癥致癌機(jī)制

慢性炎癥是CRC重要的危險(xiǎn)因素[38]。腸道菌群介導(dǎo)結(jié)直腸發(fā)生慢性炎癥，募集炎癥細(xì)胞，釋放多種炎癥因子，包括TNF-α、IL6、IL11、IL17、IL21、IL22、IL23、IL10和GF-β等，涉及通路包括NF-κB、ERK和STAT3等[39]。炎癥因子通過(guò)直接作用于腸道上皮引起反復(fù)損傷和再生；進(jìn)一步放大炎癥；促進(jìn)腸道具有基因毒性的微生物生長(zhǎng)；產(chǎn)生氧化應(yīng)激等導(dǎo)致腸道上皮DNA損傷累積，最終形成腫瘤[40]。當(dāng)腸道上皮表面屏障被破壞時(shí)，侵襲性共生菌進(jìn)入腫瘤間質(zhì)，與腫瘤中浸潤(rùn)的髓細(xì)胞表面的Toll樣受體結(jié)合，激活MyD88介導(dǎo)的炎癥因子，主要為IL-23，IL-23則進(jìn)一步激活I(lǐng)L-17A、IL-6和IL-22從而促進(jìn)CRC發(fā)展[41]。機(jī)會(huì)致病菌則可通過(guò)分泌毒力因子或趨化因子直接誘發(fā)炎癥，如脆弱擬桿菌通過(guò)分泌外泌體樣顆粒：CCL20和前列腺素E2，激活STAT3信號(hào)通路，募集Th17細(xì)胞并促進(jìn)其增殖，進(jìn)一步誘導(dǎo)產(chǎn)生IL-17A及相關(guān)炎癥因子，加速腸癌發(fā)生[42]；具核梭桿菌產(chǎn)生的FadA黏附素可通過(guò)激活β-catenin通路激活nuclear factor-κB，誘導(dǎo)炎癥基因表達(dá)，刺激腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)[43]。同時(shí)，具核梭桿菌的蛋白Fap2能與免疫抑制性受體TIGIT結(jié)合，抑制T細(xì)胞激活及NK細(xì)胞對(duì)腫瘤的清除[44]。致病菌偶發(fā)感染也可通過(guò)慢性炎癥致癌，如沙門(mén)氏菌通過(guò)分泌AvrA蛋白，激活STAT3通路致癌[45]。事實(shí)上，也有一些有益菌通過(guò)慢性炎癥機(jī)制抑制腫瘤發(fā)展，如乳酸雙歧桿菌可通過(guò)下調(diào) IL-1β、LPS 和 TNF-α 抑制 NF-κB 通路激活從而抑制結(jié)直腸癌[46]。腸道菌群影響炎癥細(xì)胞的分布以及炎癥因子的表達(dá)和分泌，而腸道的炎性環(huán)境又反向作用于腸道菌群，改變腸道菌群組成、加劇腸道菌群失調(diào)。兩者相互影響，共同作用于腸道上皮，調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)和增殖。

3.3 調(diào)節(jié)腸道代謝產(chǎn)物間接致癌機(jī)制

腸道微生物參與腸道物質(zhì)的合成和分解代謝，尤其是食物和藥物的代謝，調(diào)節(jié)代謝產(chǎn)物包括高脂飲食產(chǎn)生的次級(jí)膽汁酸、碳水化合物和植物化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的短鏈脂肪酸以及β葡萄糖醛酸酶等的水平，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)DNA損傷、炎癥水平、凋亡水平以及致癌物活性等途徑影響結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展。短鏈脂肪酸，包括丙酸鹽和丁酸鹽等，是瘤胃球菌、羅斯氏菌和梭菌等發(fā)酵難消化的碳水化合物如纖維、抗性淀粉產(chǎn)生的一類(lèi)主要代謝物。短鏈脂肪酸可抑制結(jié)腸細(xì)胞和免疫細(xì)胞中的組蛋白脫乙酰基酶，促進(jìn)蛋白高乙?；?，下調(diào)促炎因子，誘發(fā)CRC細(xì)胞凋亡[47]。腸肝循環(huán)中不被吸收的膽汁酸在大腸被含有膽鹽水解酶的菌群（如梭狀芽孢桿菌）轉(zhuǎn)化成次級(jí)膽汁酸，包括脫氧膽酸和石膽酸[48]。實(shí)驗(yàn)證明，喂食小鼠次級(jí)膽汁酸，炎癥損傷和腫瘤形成會(huì)極大增加[49]，相關(guān)機(jī)制包括刺激活性氧和活性氮產(chǎn)生、誘導(dǎo)DNA損傷、引起突變及凋亡耐受等[50]。β葡萄糖醛酸酶是一種廣泛存在的糖苷類(lèi)水解酶。腸道中脆弱擬桿菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌等產(chǎn)生的高活性β葡萄糖醛酸酶，可參與外源性致癌物的轉(zhuǎn)化，使其致癌活性增高、停留時(shí)間延長(zhǎng)[51]。相反，腸道的益生菌如乳酸菌和雙歧桿菌等可通過(guò)降低β-葡萄糖醛酸酶的活性發(fā)揮抗癌作用[52]。腸道菌群可通過(guò)分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生硫化物、氨和亞硝胺等代謝物致癌[53]。

4 腸道菌群與結(jié)直腸癌治療

研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可影響多種化療藥和免疫治療阻斷劑的抗癌效果，包括環(huán)磷酰胺、奧沙利鉑、5-氟尿嘧啶、抗 PD-L1和抗CLTA等[54-55]?；熀髲?fù)發(fā)的患者癌組織中顯著富集的具核梭桿菌與奧沙利鉑和5-氟尿嘧啶的耐藥相關(guān)[54]。腸道菌群可通過(guò)β-葡萄糖醛酸酶引起伊利替康化療的不良反應(yīng)[56]。無(wú)論是在小鼠模型中還是臨床試驗(yàn)中口服益生菌可減輕伊利替康引起的腸道粘膜炎和腹瀉[57-58]。

5 結(jié)語(yǔ)

過(guò)去十多年來(lái)關(guān)于腸道菌群和CRC的廣泛研究明確了腸道菌群在CRC發(fā)生發(fā)展中的重要地位，為腸道菌群在CRC診斷、治療和預(yù)防中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。然而，當(dāng)前研究仍然存在一些不足，真正將腸道菌群用于臨床實(shí)踐仍面臨著一些挑戰(zhàn)。目前研究多集中于單個(gè)腸道細(xì)菌，而細(xì)菌與細(xì)菌、細(xì)菌與真菌和病毒以及腸道菌群與環(huán)境因素之間存在復(fù)雜的相互作用網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)一步探索。腸道菌群對(duì)CRC有一定的診斷潛能，但如何確定最佳標(biāo)志物組合方式和閾值，開(kāi)發(fā)出一種可負(fù)擔(dān)、便捷的篩查試驗(yàn)尚未得到解決。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了靶向針對(duì)某些致病菌如大腸桿菌毒力因子FimH的拮抗劑[59]、益生菌[60]以及糞便菌群移植[38]等治療方式對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用及對(duì)CRC的抑制作用，但仍需多中心、大樣本的人群干預(yù)試驗(yàn)證明其臨床效益，且接受度和安全性也是不可忽視的問(wèn)題。隨著CRC基因組學(xué)、代謝組學(xué)和免疫學(xué)的更多突破，腸道菌群與CRC的研究將可能進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。