腸道菌群是一個(gè)互相依存又互相制約的微生態(tài)系統(tǒng)。腸道微生態(tài)具有相對(duì)穩(wěn)定性，正常情況下，腸道菌群的結(jié)構(gòu)、種類、數(shù)量保持相對(duì)穩(wěn)定，與宿主、外界環(huán)境處于相對(duì)平衡狀態(tài)，對(duì)消化吸收、營(yíng)養(yǎng)代謝、免疫以及抑制病原菌定植起重要作用。

結(jié)直腸癌(CRC)是世界第三常見的癌癥類型，每年有近200萬(wàn)新病例，并且是全球癌癥相關(guān)死亡的第二大原因。當(dāng)腸道菌群平衡狀態(tài)受年齡、飲食、抗菌藥物及心理壓力、應(yīng)激等因素的影響失衡時(shí)，其中的有害菌或可通過引起慢性炎癥、介導(dǎo)免疫應(yīng)答、造成DNA損傷和產(chǎn)生某些代謝產(chǎn)物等途徑，誘導(dǎo)并促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展。

誘發(fā)慢性炎性反應(yīng)

腸道菌群可以通過誘導(dǎo)炎癥或發(fā)揮免疫抑制作用而間接發(fā)揮促腫瘤作用。腸道菌群失調(diào)會(huì)引發(fā)腸黏膜免疫微環(huán)境的改變，進(jìn)而導(dǎo)致腸黏膜炎癥。持續(xù)性炎性反應(yīng)大多數(shù)是結(jié)直腸癌發(fā)展不可或缺的前提。

圖1：大腸癌發(fā)生發(fā)展的細(xì)菌相關(guān)機(jī)制。(a)產(chǎn)腸毒素的脆弱芽孢桿菌(ETBF)激活相關(guān)信號(hào)通路；(b)卟啉單胞菌屬的脂多糖(LPS)作用路徑；(c)具核梭桿菌的梭桿菌粘附素A(FadA)結(jié)合腸上皮細(xì)胞，產(chǎn)生促炎作用；(d)空腸彎曲桿菌產(chǎn)生細(xì)胞致死膨脹毒素(CDT)促進(jìn)結(jié)腸直腸癌發(fā)生；(e)脫硫細(xì)菌可將硫或含硫化合物還原成硫化氫(H2S)；(f)含有pks島的大腸桿菌產(chǎn)生大腸桿菌素，誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂；(g)溶沒食子鏈球菌產(chǎn)生促進(jìn)炎性因子；(h)敗血梭菌可產(chǎn)生α-毒素。

產(chǎn)腸毒素的脆弱芽孢桿菌(Enterotoxigenic Bacteroides Fragilis,ETBF)分泌脆弱芽孢桿菌毒素(bacteroides fragilis toxin，BFT)，與宿主細(xì)胞的E-鈣粘蛋白和β-連環(huán)蛋白相互作用(圖1a)，激活Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路，并驅(qū)動(dòng)與凋亡、細(xì)胞增殖或轉(zhuǎn)化相關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄。同時(shí)，BFT可以激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號(hào)通路，增強(qiáng)上皮細(xì)胞不受控制的增殖。此外，ETBF通過核因子-κB(NF-κB)/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)途徑刺激IL-17和IL-23的產(chǎn)生，并誘導(dǎo)結(jié)腸上皮中的黏膜免疫反應(yīng)，促進(jìn)結(jié)腸上皮細(xì)胞的增殖和代謝。

NF-κB是先天性免疫和炎性反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)控分子，與腸道腫瘤樣病變的起始和發(fā)展密切相關(guān)，腸上皮細(xì)胞NF-κB通路中的IKK-β基因被抑制后，結(jié)直腸癌的發(fā)生率顯著降低。

具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)產(chǎn)生的梭桿菌粘附素A(FadA)可以結(jié)合腸上皮細(xì)胞的E-鈣粘蛋白，激活β-連環(huán)蛋白，導(dǎo)致不受控制的細(xì)胞生長(zhǎng)，獲得干細(xì)胞樣表型(圖1c)。此外，具核梭狀芽孢桿菌通過激活調(diào)節(jié)性微小RNA來調(diào)節(jié)腸上皮細(xì)胞的自噬。具核梭狀芽孢桿菌還通過TLRs識(shí)別MAMPs，導(dǎo)致NF-κB或STAT3途徑的激活，并加速CRC的發(fā)展，從而產(chǎn)生促炎作用。

STAT3途徑激活后，增加結(jié)腸上皮對(duì)結(jié)腸炎易感性的同時(shí)，還可通過介導(dǎo)IL-6和IL-1的分泌從而提高結(jié)直腸癌的發(fā)生率。

腸道菌群失調(diào)介導(dǎo)的慢性和低炎癥狀態(tài)，主要與其產(chǎn)生的細(xì)胞因子有關(guān)。沒食子鏈球菌S.gallolyticus可促進(jìn)炎性因子如IL-1、IL-8和環(huán)氧化酶-2(COX-2)的產(chǎn)生，從而通過慢性炎癥加速CRC的發(fā)展(圖1g)。敗血梭菌C.septicum可產(chǎn)生α-毒素，誘導(dǎo)腫瘤微環(huán)境中的中性粒細(xì)胞凋亡，從而下調(diào)腫瘤免疫反應(yīng)，加速結(jié)直腸癌的發(fā)展(圖1h)。

圖二：腸道菌群與炎癥、免疫、腫瘤之間的關(guān)系示意圖。腸道菌群失調(diào)可通過免疫應(yīng)答參與腫瘤的形成，炎癥、免疫、腫瘤之間存在著相互關(guān)聯(lián)的“三角紐帶”關(guān)系，癌癥的發(fā)生發(fā)展與炎癥密切相關(guān)，炎癥的發(fā)生又往往伴隨有免疫能力的改變；而腸道菌群則在這一關(guān)系中發(fā)揮著“立交橋”式的功能。

腸道表觀遺傳學(xué)的改變

特定腸道病原體通過多種機(jī)制(包括誘導(dǎo)炎性反應(yīng)、活性氧自由基的產(chǎn)生、DNA損傷和DNA修復(fù)過程的破壞等)引起腸道表觀遺傳學(xué)的改變，促進(jìn)癌變的發(fā)生。

某些大腸桿菌含有“pks”基因島，它編碼被稱為大腸桿菌素的雜合聚酮化合物。大腸桿菌毒素可以通過引起雙鏈DNA斷裂直接攻擊宿主DNA，導(dǎo)致腸道表皮細(xì)胞基因組不穩(wěn)定，導(dǎo)致突變頻率和CRC風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖三：pks+大腸桿菌誘導(dǎo)產(chǎn)生DNA斷裂示意圖；PKS：聚酮合酶。pks+大腸桿菌通過產(chǎn)生一種名為Colibactin的毒素，可誘導(dǎo)宿主細(xì)胞雙鏈DNA的斷裂，從而激活DNA損傷的信號(hào)級(jí)聯(lián)，導(dǎo)致慢性有絲分裂、染色體畸變和基因突變頻率的增加，引發(fā)結(jié)直腸癌發(fā)病早期遺傳事件。

分離自CRC患者的大腸桿菌，大腸桿菌素的編碼基因存在過度表達(dá)。此外，大腸桿菌還產(chǎn)生其他毒素，如細(xì)胞致死膨脹毒素(cyto-lethal distending toxin，CDT)，可誘導(dǎo)顯著的細(xì)胞膨脹，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡；誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化上皮細(xì)胞功能障礙。這些大腸桿菌還可以通過增加血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)的產(chǎn)生，促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移，增加血管通透性。

不是所有的大腸桿菌都產(chǎn)生毒素，所以，大腸桿菌的致癌性可能具體取決于毒素基因的水平，而不是大腸桿菌的總豐度。大腸桿菌的毒素基因比完整大腸桿菌更適合作為CRC生物標(biāo)記。

其他可能影響腸道上皮細(xì)胞DNA雙鏈的菌群還有：(1)空腸彎曲桿菌C.jejuni可產(chǎn)生細(xì)胞致死膨脹毒素(CDT)，誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂，導(dǎo)致誘變和染色體不穩(wěn)定；(2)某些脫硫細(xì)菌可將硫或含硫化合物還原成硫化氫(H2S)，當(dāng)硫化氫濃度高時(shí)，可促進(jìn)氧化和DNA損傷；(3)糞腸球菌菌株能夠產(chǎn)生誘導(dǎo)DNA損傷和基因組不穩(wěn)定的活性氧，誘導(dǎo)黏膜巨噬細(xì)胞產(chǎn)生可擴(kuò)散的致染色體斷裂劑，介導(dǎo)DNA損傷。(4)脆弱擬桿菌毒素可促進(jìn)某些細(xì)胞因子和趨化因子(如IL-8)的表達(dá)，加劇活性氧介導(dǎo)的DNA損傷。

腸道菌群自身及代謝產(chǎn)物的直接促癌作用

在正常的結(jié)腸中，腸道菌群產(chǎn)生大量的代謝物。其中維生素K、生物素和短鏈脂肪酸(SCFAs)等，對(duì)維持結(jié)腸微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。如果沒有腸道菌群，結(jié)腸上皮會(huì)發(fā)生自噬，無法維持其正常結(jié)構(gòu)和功能。一些腸道菌群異常代謝物在結(jié)直腸癌的發(fā)病機(jī)理和免疫微環(huán)境中起著關(guān)鍵作用，如次級(jí)膽汁酸等。

失調(diào)腸道菌群的代謝能力發(fā)生了改變，釋放多種細(xì)菌毒素。有些腸道細(xì)菌本身就是致癌物。目前已知的腸道致癌細(xì)菌包括膽管癌相關(guān)的傷寒沙門氏菌(Salmonella typhi)以及與原發(fā)性肝癌、胃癌相關(guān)的幽門螺桿菌(Helicobacter spp.)等。其中，幽門螺桿菌已經(jīng)被世界衛(wèi)生組織確定為Ⅰ類致癌物。

一些腸道菌群的代謝物為致癌物，如部分腸道微生物能通過門靜脈系統(tǒng)將肝臟產(chǎn)生的初級(jí)膽汁酸轉(zhuǎn)化成脫氧膽酸等次級(jí)膽汁酸，從而引起DNA損傷、肝毒性和癌性病變。

圖四：結(jié)直腸癌組織中特定細(xì)菌富集的潛在機(jī)制。(A)健康的腸道。(B)CRC腸道:(a)D-galactose-β(1–3)-N-acetyl-D-galactosamine（Gal-GalNAc）在CRC細(xì)胞中過表達(dá)，具核梭狀芽孢桿菌的Fap2可直接結(jié)合于其上，導(dǎo)致具核梭狀芽孢桿菌在CRC組織中的特異性積累；另一方面，F(xiàn)adA可以幫助具核梭狀芽孢桿菌粘附腸上皮細(xì)胞；(b)結(jié)腸直腸癌患者的腸中MUC1（粘蛋白1）和MUC5AC（粘蛋白5AC）增加。由于可利用的底物增加，因此結(jié)直腸癌患者腸道中粘蛋白嗜酸乳桿菌的豐度增加；(c)結(jié)腸直腸癌患者的腸中膠原I增加。解鎵鏈球菌S.gallolyticus和艱難梭菌C.difficile可與I型膠原結(jié)合，導(dǎo)致結(jié)腸直腸癌患者腸道中致病菌的豐度增加；(d)厭氧菌P.anaerobius的表面蛋白PCWBR2可以通過α2/β1整合素直接與結(jié)直腸上皮細(xì)胞相互作用，α2/β1整合素在結(jié)直腸癌組織中經(jīng)常過表達(dá)。

未來展望

總結(jié)來說，腸道菌群失衡影響結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展可能有三種機(jī)制：(1)刺激免疫系統(tǒng)，從而引發(fā)慢性炎癥，導(dǎo)致或促進(jìn)上皮細(xì)胞過度增殖、癌基因激活和血管生成；(2)直接或間接損傷宿主DNA，導(dǎo)致突變和基因組不穩(wěn)定；(3)通過激活NF-κB或β-連環(huán)蛋白信號(hào)影響細(xì)胞增殖和細(xì)胞凋亡。

如果說人類與結(jié)直腸癌的斗爭(zhēng)是一場(chǎng)“持久戰(zhàn)”，那么，失衡的腸道微生態(tài)引起的腫瘤微環(huán)境就是戰(zhàn)場(chǎng)的前線。改變這些異常對(duì)于結(jié)直腸癌的診斷、預(yù)防和治療具有潛在的應(yīng)用前景：(1)結(jié)直腸癌患者腸道中富集的菌株，可被視為生物標(biāo)志物，有可能開發(fā)出針對(duì)性的結(jié)直腸癌的診斷方法；(2)富含于CRC的致癌細(xì)菌，或可開發(fā)針對(duì)它們的藥物以減少其在CRC患者中的豐度，從而抑制CRC的發(fā)展。

圖五：腸道微生物群在CRC治療中作為篩選、預(yù)后和預(yù)測(cè)生物標(biāo)志物的潛在臨床應(yīng)用，及其在CRC預(yù)防、治療中的可能用途。

盡管已有較多的研究成果，但是目前對(duì)于腸道菌群在結(jié)直腸癌中具體的作用機(jī)制尚未充分闡明。需要更多應(yīng)用理論模型，來研究腸道菌群與宿主之間復(fù)雜的相互作用，以期為今后結(jié)直腸癌的預(yù)防和診療提供新思路和新方法。

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