综述 | 结直肠癌中的肠道微生物群（IF：22.844）
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肠道菌群在炎症和胃肠道疾病中发挥关键作用。饮食对肠道微生物的组成、结直肠癌（colorectal carcinoma，CRC）的发展风险有关。人群宏基因组学和基础研究提示，肠道微生物在胃肠道恶性肿瘤演变中发挥基础作用。但CRC中，肿瘤的发展机制和微生物的共同进化机制还有待进一步研究，相关研究将有助于寻找新的有效治疗策略。
论文ID
原名：The Intestinal Microbiota in Colorectal Cancer
译名：结直肠癌中的肠道微生物群
期刊：Cancer Cell
IF：22.844
发表时间：2018年
通信作者： Herbert Tilg
通信作者单位：奥地利因斯布鲁克医科大学内科、消化内科、肝病与内分泌科
综述内容
引言
近十年来微生物学研究的热潮为人们描绘出了肠道微生物的组成和某些功能的蓝图。尽管人们在理解炎症性肠病（IBD）和结直肠癌（CRC）肠道微生物群组成方面作出了巨大努力和重大进展，但许多功能方面的问题仍未解决，这可能部分归因于人类肠道微生物群的复杂性。
饮食习惯可能对结直肠癌发展的不同阶段、对宿主的免疫应答和诱发炎症、对肠道微生物群的组成以及肠道疾病的易感性都产生影响。在婴幼儿时期接触抗生素会增加60岁时结直肠腺瘤的风险，这表明有缺陷的微生物群可以在后天获得，并能长时间存在。胃肠道中，结肠和回盲瓣的细菌密度最高，这提示微生物在CRC中的重要作用。针对CRC患者的研究和动物实验将肠道微生物群与CRC联系起来，也开启了对促进肿瘤发生的特定细菌种类的鉴定工作。这篇综述总结了CRC中微生物群的相关临床信息，旨在将其与实验研究联系起来。
图1
一、与CRC相关的特异性菌株
CRC常与肿瘤及其邻近粘膜处的菌群失调有关，菌群增多是菌群失调的特征之一，但CRC进展中的优势菌种仍不清楚。研究发现，有核梭杆菌（Fn）、大肠杆菌和脆弱拟杆菌的重要作用正在显现。而由于技术原因，含量减少的菌群种类在肠道肿瘤发生中的作用却研究较少。但可以推测，缺乏某些（如保护性或有益的）细菌菌株可能与肿瘤相关细菌过度生长一样重要。此外，肠道微生物群中的病毒和真菌由于临床证据很少，所以不在本综述涉及。
图2
1、有核梭杆菌
基因组分析发现，革兰氏阴性、厌氧共生的Fn与人CRC相关。CRC患者体内，包括肿瘤内均有梭形杆菌序列富集。CRC患者Fn的增多与淋巴结转移相关，而口腔共生Fn和卟啉单胞菌增加。Fn增多与牙周病相关，而后者又与CRC风险增加相关。由于Fn在高度不典型增生和成熟CRC中增加，且与预后相关。Fn的表达与微卫星不稳定性（MSI）有关，也与CpG岛甲基化表型（CIMP）高的病变类型相关，恶性病变中Fn的检出率增加。Fn丰度从直肠到盲肠呈增加态势，可能与特定的肿瘤位置有关。少数CRC患者存在Fn定植，并与MSI相关，与CD3+T细胞的密度成反比，支持疾病机制涉及调节免疫应答的观点。另外，Fn还通过干扰TLR4和MyD88信号通路使患者产生化疗耐药和复发，靶向microRNA激活自噬途径改变化疗反应。转移灶中可以检测到包括Fn在内的CRC相关微生物群，小鼠移植人原发性CRC保留了组织内的活性Fn，而抗生素治疗降低了Fn含量、肿瘤细胞增殖和生长。
这一现象也得到了实验支持。Fn能通过人（而非小鼠）T细胞免疫球蛋白和ITIM结构域（TIGIT）的介导而抑制自然杀伤（NK）细胞对肿瘤的杀伤作用，其抑制依赖于Fn的Fap2蛋白。可见Fn能调节肿瘤的免疫逃避。Fn感染CRC细胞可增加其增殖率、侵袭活性，诱导小鼠异种移植瘤的潜能，Fn还能通过FadA粘附与E-cadherin结合，激活β-catenin信号通路，诱导致癌和炎症反应。人CRC组织中FadA基因的表达异常高，抑制该通路可以抑制致癌活性。Fn能增加大肠腺瘤性息肉病/多发性肠瘤(ApcMin/+)肠肿瘤模型中肿瘤的多重性，骨髓细胞的肿瘤浸润和促炎因子的表达同时出现，但Fn没有恶化结肠炎、肠炎或炎症相关肠癌的发生，表明Fn在模型中只调控肿瘤发生。
2、大肠杆菌
虽然是肠道共生菌，但某些大肠杆菌可促进肠道炎症，产生具有致癌潜力的毒素如大肠杆菌素。黏膜相关大肠杆菌在CRC组织中更为普遍，与肿瘤分期和预后相关。表达大肠杆菌素的大肠杆菌株在晚期疾病中更为普遍，并且结肠癌相关大肠杆菌株在ApcMin/+小鼠中的定植导致息肉数目的显著增加，表明其确实可能促进肿瘤发生。大肠杆菌与可能传播肿瘤的促炎浸润相关，说明宿主炎症对大肠杆菌促癌必不可少。疾病表型与大肠杆菌基因的改变有关，例如编码大肠杆菌素的促肿瘤聚酮合酶（pks）岛。体外培养细胞暴露于pks阳性大肠杆菌后，表现出短暂的DNA修复受损，基因突变频率增加。尽管病理机制尚不清楚，但表达pks岛的大肠杆菌可以促进肿瘤生长，部分由大肠杆菌素诱导的细胞衰老介导，并可能涉及人CRC中高表达的肝细胞生长因子。ClbP的小分子抑制剂，一种参与大肠杆菌素合成的酶，控制了体内肿瘤的形成。大肠杆菌在CRC中的作用也有宏基因组学证据支持，但和Fn的作用在不同研究中不尽相同。例如，Fn相关的临床CRC分离物未能诱导炎症和癌症，而产大肠杆菌素大肠杆菌却能促进ApcMin/+；Il10-/-小鼠的肿瘤发生，且Fn的定植程度和肠道肿瘤的位置也可能影响临床表型。
3、脆弱拟杆菌
脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis，Bf）构成人共生微生物群的1%-2%，其衍生毒素（BFT）引起炎症性腹泻和炎症相关的肿瘤发生。分泌BFT的肠毒性Bf（ETBF）可由炎性Th17细胞驱动，诱导ApcMin／+小鼠结肠炎和结肠肿瘤。Bf毒素基因在CRC患者中表达升高，一定程度上也与预后有关。头孢西丁治疗可完全清除ETBF定植，减少小鼠结肠肿瘤和IL-17A表达。BFT还可上调精胺氧化酶（多胺分解酶）产生活性氧和DNA损伤，进而导致炎症和肿瘤。
4、CRC相关细菌：宏基因组学研究的结果
宏基因组学研究显示，某些杆菌与全身炎症和肿瘤分期相关。CRC患者中，细小病毒、嗜水双歧杆菌、Fn和Alistipes菌也多见（图2）。当研究不同种族的队列时，微小微单胞菌和莫氏梭杆菌等被发现与CRC相关，20个微生物基因可以区分CRC与健康对照微生物群。两个基因的qPCR丰度（Fn的丁酰辅酶A脱氢酶和P.micra的RNA聚合酶亚基β，rpoβ）也可以区分CRC和健康对照者的微生物群。而Fn等4种细菌联合检测对于CRC的敏感性>90%，特异性>80%。这表明，某些菌株和/或衍生因子可作为CRC的新的筛选工具。
通过研究CRC不同阶段的人肠道粘膜微生物群落，研究人员观察到CRC与某些Fn、Bf和大肠杆菌，以及诸如兼性双球菌或消化链球菌等新发现菌种有关，且与之前研究一致，口腔微生物群与CRC相关。人体样本中，肿瘤与癌旁粘膜间菌群失调的比例相似（40%），某些群落甚至存在重叠，这表明在常见癌症中，结肠内可能已经出现相当程度的菌群失调。因此CRC粪便评估也是可行的，结肠灌洗能充分反映粘膜活检的微生物组成。
二、肠道微生物群与CRC：潜在疾病机制
1、模式识别、受体信号、炎性因子和细胞因子
宿主免疫系统严格控制肠道癌变，微生物通过Toll样受体（TLR）信号通路和炎性体等各种机制与免疫系统发生联系，而TLRs和NOD样受体（NLR）与结肠癌的发生发展有关。Nod1缺乏导致ApcMin/+小鼠和炎症相关肿瘤模型中肿瘤的增加，表型的变化还伴随着肠道屏障的破坏，Nod2缺失也可以诱导相似的表型。通过粪便移植将疾病转移到野生型（WT）小鼠，也可经抗生素治疗改善。无菌小鼠在炎性肿瘤模型中发展的肿瘤更少，可能因为TLR信号通路和微生物群激活活化T细胞的上皮核因子，促进肠道肿瘤的发生。IRAK-M，CRC中普遍表达的TLR信号负调节因子，通过抑制抗菌作用促进结直肠肿瘤。黑色素瘤中缺失的固有免疫传感器2（AIM2）在CRC患者中经常突变，AIM2-缺乏的小鼠因为肠道干细胞增殖失控和Wnt信号转导异常而具有结肠癌的高易感性，同时出现菌群失调，移植健康小鼠微生物群可以改善这种表型，这表明模式识别受体缺陷促进了微生物群介导的肿瘤发生。
缺乏炎症体蛋白（NOD样受体家族）的小鼠肿瘤负荷升高，这种表型可以转移给WT小鼠。该模型中的肿瘤发生是由涉及趋化因子（C-C基序）配体5（CCL5）和IL-6的过表达的微生物群驱动的。炎症和IL-6尤其与肿瘤的发生有密切关系。这表明，微生物感应控制炎症和肿瘤的发生，并能破坏微生物感应引发和介导的疾病过程。
2、炎症、微生物群和CRC
CRC病例中有20%～30%与炎症相关（图1）。肠道的致癌作用是由微生物、炎症和肠道免疫调节驱动的。ApcMin/+小鼠的结肠息肉部位伴随着积聚的微生物，触发了局部炎症反应，可通过抗生素治疗以及调节性T细胞特异性分泌IL-10恢复。Alarmin/IL-33表达缺失使小鼠对IL-1α依赖性结肠炎和结肠炎相关癌症高度敏感，而后者是由菌群失调促进的。
铁载体结合蛋白脂蛋白2（Lcn2）在肠道炎症中也发挥重要作用。Lcn2-/-Il10-/-小鼠不仅表现出严重的结肠炎，而且自发地发展为右侧结肠肿瘤。这种炎症可转移给WT小鼠，依赖于IL-6的抗生素治疗可解除。与炎症相关致癌作用密切相关的Alistipes 灌胃诱导Il10-/-小鼠的肿瘤发生，而Alistipes和CRC之间存在关联。小鼠CRC模型中，Alistipes finegoldii逐渐增多。
多种微生物调节途径都与肠道肿瘤的发生有关。CRC患者中富含的厌氧消化链球菌可通过促进TLR介导的活性氧增加小鼠结肠异型增生。肠上皮细胞中，Atg7（自噬所需蛋白）的有条件失活可改善ApcMin/+小鼠的肿瘤发生并增强抗肿瘤反应，其缺失可引起肠道菌群失调，并导致p53介导的肿瘤细胞周期阻滞，但正常组织中却无此现象。此外，微生物衍生的毒素或代谢产物也可能起作用。CRC患者的微生物群可以促进小鼠息肉的形成、异型增生和增殖，表明人类CRC微生物群可调节小鼠的肿瘤发生。
3、短链脂肪酸的作用：“丁酸盐悖论”
近年来，短链脂肪酸（SCFA）丁酸盐被认为是免疫反应的调节剂。当膳食纤维发酵进入结肠并成为结肠细胞的主要能量来源时，就会产生SCFA。包括Fn在内的几种细菌已被确定为潜在丁酸盐的生产者。从饮食中去除碳水化合物可促进利用粘液的细菌的生长并改变微生物群，从而导致对感染性结肠炎的易感性。虽然大多数研究表明丁酸盐能抑制结肠的炎症和癌变，但是一些研究却显示出相反的结果（丁酸盐悖论）。抗生素治疗可以减少ApcMin/+;Msh2-/-小鼠出现的肿瘤负荷，而且通过缺乏碳水化合物的饮食也能达到类似效果。可能的机制是，丁酸盐促进结肠上皮细胞的过度增殖，这可能是肿瘤表型的原因。与丁酸盐潜在的抗癌作用相一致，丁酸盐及其受体Gpr109a抑制结肠炎症和癌变。CRC风险较低的美洲原住民粪便中SCFA总水平较低。丁酸盐悖论仍然存在，包括这种代谢物局部浓度在内的几个因素可能决定了它的生物学功能。
图3
4、生物膜：在CRC中是否致癌和相关？
细菌生物膜可能与CRC相关。细菌生物膜在右侧CRC中比较典型，而在左侧癌症中则不常见。在正常粘膜上也发现了与更明显的炎症表型相关的生物膜，其与肿瘤典型微生物特征没有关联。家族性腺瘤性息肉病（FAP）患者片状细菌生物膜由大肠杆菌和Bf组成的，且结肠粘膜中大肠杆菌素和Bf毒素的基因表达显著升高。细菌生物膜可能与某些代谢组表型相关，因为生物膜阳性癌症与多胺代谢物上调有关，后者可在抗生素治疗后降至正常。细菌生物膜可能构成CRC的致癌危险因素，反映细菌和宿主代谢产物组成的复杂。meta分析显示CRC组织存在生物膜富集，特别是右侧CRC中，这与Bf和某些口腔病原体有关。CRC中的口腔微生物群似乎与众不同且具有预测性，部分通过口腔生物成膜细菌，使得将来可选的CRC筛查成为可能。
三、饮食、微生物和CRC
饮食可迅速改变肠道微生物菌群，有可能导致疾病易感性。在非洲裔美国CRC受试者中发现了硫化细菌，其产生的硫化氢可引发炎症和过度增殖，其丰度与食用脂肪和红肉等饮食习惯有关。饮食诱导硫化细菌的增加可以促进遗传易感小鼠的炎症反应，而相关机制及是否影响肿瘤发生尚还不清楚。饮食习惯的改变甚至会影响几代人的肠道微生物群。西式饮食在小鼠中世代使用可导致不可恢复的菌群多样性减少，考虑到流行病学研究显示的年轻人患CRC风险的增加趋势，这些数据具有潜在的临床相关性。乳化剂等西方饮食中的其他典型成分，也能导致肠道微生物群的改变，有利于小鼠的炎症和恶性肠道疾病（图3）。非洲裔美国人摄入高纤维、低脂肪的非洲式饮食，而非洲人喂食高脂肪、低纤维的西方式饮食，两周内包括炎症和增殖标志物在内的结肠微生物群及其代谢组显示出显著的变化。
微生物群确实是饮食因素与CRC之间密切相互作用间的“缺少的一环”。 吃较少加工的高纤维饮食时，肠道菌群培养表现出高度多样性。富含全谷物和膳食纤维的饮食与较低的Fn阳性率相关，支持饮食、微生物群和CRC之间的联系。红肉色素血红素能够诱导结肠内容物的细胞毒性，引起上皮损伤和过度增殖。血红素饮食的小鼠发生癌基因差异表达和肿瘤抑制物的过度增生，这可以通过2周的抗生素治疗逆转（图3）。
四、未来靶向微生物群的治疗策略
微生物干预对于CRC可能是有益的，然而，相关研究（即使实验）仍然很少。益生菌，如VSL#3可以影响微生物组成，但未能减少结肠炎相关CRC。放线菌门、蛋白菌和硬壁菌门可能发挥抗癌作用。膳食成分可能通过增加微生物的多样性调节肠道微生物群。由于与CRC密切相关，饮食方法可能是最合理和最具成本效益的方法。黄连素能够逆转Fn诱导的肿瘤形成，减少粘膜炎症。具有抗炎和抗癌特性的抗性淀粉在炎症相关CRC大鼠模型中可能通过调节微生物减少肿瘤负荷。因此，肠道微生物群的饮食成分和产物参与CRC的发病，但治疗干预仍处于初级阶段。
五、结论
流行病学研究已经确定了几种影响CRC风险的生活方式因素，如多样化的饮食、减少加工食品等，都集中在肠道微生物改变方面。尽管取得了部分进展，但还需要转化医学研究发现实验研究机制与人类CRC之间的更多关联。
此外，肠道微生物群的区域特异性和代谢能力可能是高度相关的，但研究很少。我们对不同部位的微生物谱了解有限，而这有可能定义CRC的分子亚型。粪便样本可能也能反映结肠微生物群，但还缺乏证据。无创测定粪便中基于微生物的生物标志物以诊断CRC的概念很吸引人，但尚未建立。相信未来，我们会得到完整的微生物群特征。
肠道内微生物多样性的降低是许多肠道和肠外疾病的特征，而其中某一组而非某一种特定菌株的增加或减少，以及共生微生物群中特定菌株的丰度降低都可能促进肿瘤的发生。高度的多样性菌群能够应对促进疾病进程的环境挑战，但相关机制仍然是一个难题。值得注意的是，Crohn病患者表现出与CRC相似的微生物改变，看来不仅炎症，菌群失调可能是IBD和CRC发生关联因素之一。将来，使用益生元或益生菌或改变饮食习惯的饮食干预可以成功地降低CRC的发病率或指导治疗。尽管（或更确切地说是由于）在这一新兴领域中存在许多不确定性，但以有证据支持饮食干预在恶性和非恶性疾病过程中的基础作用。对于CRC，我们建议更好地了解宿主微生物的互利共生性和由环境信号引起的干扰，可以形成新的治疗方法。
评论
本文介绍了CRC相关的特异性菌株：有核梭杆菌、大肠杆菌、脆弱拟杆菌及其他相关细菌的研究现状，探讨了CRC中肠道微生物群的潜在疾病机制，包括模式识别、受体信号、炎性因子、细胞因子、炎症、短链脂肪酸、生物膜等方面，分析了饮食因素通过肠道微生物群对CRC干预作用以及未来靶向微生物群的治疗策略，系统的汇总了结直肠癌中肠道微生物群的研究现状。相信这篇文章对于该领域的研究人员了解研究现状，寻找研究新思路会有较大帮助。小编能力有限，如有不足之处，还请指出，大家多多交流。感兴趣的朋友可通过查看原文了解更多。