王子杰 周兆海 王贺平 田义
[摘要] 消化道是排泄、转化、新陈代谢、免疫、天然屏障等机能相结合的重要人体器官，结直肠癌是常见恶性肿瘤之一，由于结直肠癌患者早期临床表现不典型，多数患者发现该疾病已成为晚期，降低了患者的生存时间和生活质量。随着肠道菌群研究的日益深入，更多的统计资料表明消化道微生物群与结直肠癌的起因转变息息相关，尤其是某些特异性肠道菌群的异常表达，如具核梭杆菌、产肠毒素脆弱拟杆菌、大肠埃希菌、粪肠球菌等，这些细菌的高表达可以促进结直肠癌的發生发展。同时，发现益生菌在维持肠道菌群平衡中起重要作用，肠道微生物的平衡在促进食物的消化、吸收、抗感染、抗肿瘤、提高人体免疫功能等方面有积极影响。本文重点概述肠道菌群的平衡在预防和治疗结直肠癌中的重要作用。
[关键词] 肠道菌群;结直肠癌;大肠埃希菌;益生菌
[中图分类号] R735.3 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2021）34-0188-05
[Abstract] Digestive tract is an important human organ that combines excretion， transformation， metabolism， immunity， natural barrier and other functions. Colorectal cancer （CC） is one of the common malignant tumors. Due to atypical early clinical manifestations， most CC patients were diagnosed in the advanced stage， which reduced the survival time and quality of life of patients. With the development of the study of intestinal flora， more statistical data showed that digestive tract microflora was closely related to the cause and transformation of CC， especially the abnormal expression of some specific intestinal microflora， such as Fusobacterium nucleatum， Enterotoxin-producing Bacteroides fragilis， Escherichia coli， Enterococcus faecalis， etc. The high expression of these bacteria can promote the tumorigenesis and progression of CC. At the same time， it is found that probiotics play an important role in maintaining the balance of intestinal flora. The balance of intestinal microorganisms exerts a positive impact on promoting food digestion and absorption， anti-infection， anti-tumor and improving human immune function. This article focused on the important role of intestinal flora balance in the prevention and treatment of colorectal cancer.
[Key words] Intestinal flora; Colorectal cancer; Escherichia coli; Probiotics
癌症是全球主要的医疗卫生难题，也是全世界人口致死关键因素之一，其中结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）是癌症相关病死率的第二大原因[1]。总的来说，结直肠癌的发病率因地区而异，各国之间的差异高达8倍[2]。在经历重大发展转型的国家，发病率往往随着人类发展指数的增加而一致上升，这表明两者之间存在因果关系[3]，结直肠癌是消化道中常见的恶性肿瘤。中国2016年公布的最新数据显示，结直肠癌的发病率男性为第4位，女性则为第3位，结直肠癌的病死率在男性和女性均位于前5位。近年来，虽然结直肠癌的早期诊断和治疗手段在不断完善和进步，而今每年仍有新发结直肠患者30余万人，并有15余万人死于该病[4]，尽管这些数字可能令人生畏，事实上，自2008年以来，结直肠癌的发病率一直在稳步下降约一半以上[5]。
结直肠癌主要是由遗传、表观遗传和环境等多因素干扰累积而成的。尤其是环境因素，包括饮食中食用致癌物质、缺乏运动和吸烟在结直肠癌的发生和发展中起着最重要的作用[6]。由于结直肠早期无特异性的临床表现，早期发现较为困难，多数是由体检发现，早期诊断结直肠癌可以大大提高患者的生活质量和生存时间，因此肠道菌群的不平衡导致结直肠癌的发生发展引起了研究者们关注。
为了了解环境对结直肠癌的影响，肠道微生物群是一个新兴而重要的研究领域。肠道微生物群拥有大约100万亿个微生物细胞，是一个由细菌、真菌、原生动物和病毒组成的复杂群落[7]。肠道微生物群落的共生平衡，对人体的身心健康起着关键作用。近些年，越来越多的证据表明，肠道微生物失调与结直肠癌的发病有着密切的因果关系。肠道中几种细菌的富集，包括核梭杆菌、厌氧消化链球菌和产肠毒素脆弱类杆菌，已被证实通过诱导肿瘤增殖而促进结直肠癌的发生[8]。这些微生物可通过与宿主癌细胞直接相互作用[9]分泌致癌毒性因子或产生致癌微生物代谢物[10]，来促进肿瘤的发展。另一方面，一些细菌，主要是益生菌，如腊肠菌科、动物双歧杆菌和嗜热链球菌，被发现在大肠癌患者中[11]。显示这些细菌对结直肠癌有保护作用。最近的研究也报道了共生微生物对癌症患者预后的重要影响[6]。因此，对结直肠癌与肠道菌群平衡的研究是一项紧迫而重要的工作。
1 人类肠道菌群的简介
人类肠道微生物群复杂多样，Hugon等[12]列出了2172种已经在人类身上分离出来的物种。它们被归入12个不同的门，主要属于变形杆菌门、纤毛菌门、放线杆菌门和拟杆菌门。健康成人肠道中微生物细胞大约有百万亿个。在人体内最重要的微生物储存库肠道中，这些微生物被量化为每克粪便101至1012细菌[12]。体健成人消化道微生物群中最主要的是厚壁菌門和拟杆菌门，其次是放线菌门、变形菌门及疣微菌门等[13]。肠道菌群大多数为专性厌氧菌，杆菌属是丰富多样的;主要的菌种有拟杆菌、真杆菌和双歧杆菌及厌氧的革兰阳性球菌，如消化链球菌和瘤胃球菌[14]。肠道菌群在肠道疾病的发生发展过程中扮演重要角色。
人类胃肠道拥有一个复杂而动态的微生物群，即肠道微生物群，它们在体内平衡和疾病发生期间对宿主产生显著影响[15]。随着16 s RNA、宏基因组、宏转录组等高通量测序技术在肠道微生态领域的应用，肠道菌群结构和组成变化与人体健康疾病的关系正在系统而深入地得以阐明。
2 选择性肠道菌群在结直肠癌中的作用
过去几年的研究表明，肠道菌群的变化与结直肠癌的发展直接相关。有证据表明，在大肠癌患者中存在高水平的梭杆菌属、类杆菌属、肠球菌属、大肠埃希菌属和卟啉单胞菌属[16]。国内外多项研究显示大肠埃希菌、粪肠球菌、具核梭杆菌、产肠毒脆弱拟杆菌等细菌与结直肠癌的发生发展关系密切。
2.1大肠埃希菌
大肠杆菌（Escherichia coli）是一种革兰阴性厌氧共生细菌，普遍存在于肠道微环境中，在维持肠道内环境稳定方面发挥着重要作用[17]。多项研究表明，大肠埃希菌与结直肠癌发生发展有直接原因。由于肠道微生物群的复杂性，由多种微生物组成，大肠杆菌在结直肠癌病因学中的作用还有许多问题有待阐明。主要分为4个类群：A 型、B1型、B2型和D型4个亚型。肠上皮细胞的粘附性侵袭性大肠杆菌（AIEC）感染为其发病机制提供了许多有利条件。一般来说，宿主细胞内的病原体可以免受体液和补体介导的宿主反应的影响[18]。一些菌株变得致病，携带毒力因子并产生毒素，如环调节蛋白。这些毒素通过干扰真核细胞周期和（或）诱导DNA损伤来影响细胞的分化、凋亡和增殖。尤其是其中一种毒素，大肠杆菌素，由pks基因组岛编码，可导致双链DNA断裂，从而导致CRC相关的染色体不稳定性[19]。PKS阳性的大肠杆菌在大肠癌患者中更为频繁地被检测到，这表明pks阳性大肠杆菌可能在肿瘤发展中起作用[19]。
在人体外，肠道致病性大肠杆菌（Enteropathogenic E. coli，EPEC）通过细菌分泌效应蛋白EspF的转录后效应及通过EspF独立产生宿主活性氧物种（ROS）来改变MSI-CRC表型中改变的DNA错配修复（Mismatch repair，MMR）系统。然后，这种细菌诱导的DNA-MMR系统缺失与宿主细胞自发突变频率的增加显著相关，从而促进结直肠癌的发生[20]。近年来研究证明，结肠癌中的大肠杆菌诱导巨噬细胞COX-2表达显著增加，巨噬细胞是浸润肿瘤的主要免疫细胞类型。此外，巨噬细胞和其他免疫细胞浸润肿瘤，释放髓过氧化物酶（MPO），并通过多种化学反应产生ROS[21]。从而大肠杆菌可以通过以上途径导致结直肠癌的发生。
2.2 粪肠球菌
肠球菌是人类粪便中主要的革兰阳性球菌，粪肠球菌是最常见的肠球菌[22]。有研究报道粪肠球菌属硬壁菌科，有时用作益生菌产品[23]。然而，在某些特定情况下，粪肠球菌可导致致病性细菌，由于其能够破坏结肠上皮细胞DNA，它可以导致结直肠癌的致病性和有害微生物的发展[24]。
粪肠球菌致病菌在同类细菌中具有独特的能力，通过膜相关的脱甲基甲醌非酶还原氧化产生细胞外超氧化物[25]，致病力主要与它产生活性氧和细胞外超氧物的能力有关，这些物质可以导致基因组不稳定，破坏结肠DNA，易使患者基因发生突变，从而引发癌症[23]。此外，粪肠球菌能产生金属蛋白酶，可以直接破坏肠道上皮的屏障并诱发炎症。它还可以激活巨噬细胞基质金属蛋白酶MMP-9102并导致单层完整性的破坏，这可能导致获得迁移表型的祖细胞的形态转化，从而促进上皮-间充质转化[24]。
有研究者发现结直肠癌患者粪便中粪肠球菌的平均拷贝数高于息肉患者，且两者的拷贝数均高于正常人。此外，结直肠癌患者粪便中粪肠球菌的数量与息肉患者比较有显著差异。息肉患者粪便中粪肠球菌数与健康人比较，差异无统计学意义（P=0.07）[25]。研究结果表明，肠道微生物菌群可能有助于恶性肿瘤的发生。因此，监测和控制肠道微生物群，特别是粪肠球菌，可能是预防大肠癌的一种方法，特别是对家族中有息肉和大肠癌病史的人[25]。
2.3具核梭杆菌
具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum，Fn）属专性厌氧革兰阴性细杆状菌，末端呈梭形，主要是一种定植肠道和口腔微生物，在牙周病和牙龈炎的发生发展中起着重要作用。同时，在结直肠疾病领域中研究越来越广泛[26]。近年来，发现Fn通过抗肿瘤免疫作用、毒力因子、细菌代谢和微型核糖核酸（MicroRNA）[27]的机制发展为结直肠癌。具核梭杆菌在某种程度上可以促进结直肠癌的发生。
在一个小鼠大肠癌模型中，证明了细胞核F.nucleatum增强了肿瘤负荷、促炎标志物和骨髓免疫细胞的浸润，尤其是CD11b+细胞，包括树突状细胞（DC）、巨噬细胞和粒细胞的浸润[28]及可以抑制自然杀伤（NK）细胞的细胞毒性[29]。Fn的Fap2蛋白通过与在大肠癌中过度表达的D-半乳糖β（1-3）-N-乙酰-D-半乳糖胺结合，在CRC中发挥重要作用[30]。毒力因子FadA 是一种介导内皮细胞侵袭的强毒因子有助于结直肠癌发生[9]。
研究者为了确定Fn的临床意义，结果表明，与健康对照组比较，结直肠癌患者排泄物中梭杆菌属细菌富集。Fn感染通过激活NF-κB通路上调KRT7-AS/KRT7，从而促进大肠癌细胞的体外迁移和体内转移[31]。以上阐明Fn对结直肠癌发生发展有重大意义。
2.4 产肠毒脆弱拟菌（Enterotoxigenic bacteroides fragilis，ETBF）
产肠毒性脆弱类杆菌（ETBF）是肠道菌群中最常见的致癌菌之一[32]。EFBT是脆弱类杆菌的一种特殊类型，具备编码脆弱类杆菌毒素（Bacteroides fragilis toxin，BFT）基因序列[33]，这是一种锌依赖性金属蛋白酶[34]。
研究表明，BFT靶向上皮细胞紧密连接，导致E-钙粘蛋白断裂，屏障通透性增强，Wnt/β-catenin和核因子κB（NF-κB）信号转导[35]。最近一项研究表明，BFT诱导结肠上皮细胞的原癌信号传递到黏膜Th17反应，致使NF-κB在末端结肠上皮细胞特异性激活，共同触发髓系细胞依赖性远端结肠肿瘤的发生[34]。同时，长非编码RNA（Long non-codingrnas RNA，lncRNAs）参与肿瘤发生的许多步骤。研究表明lncRNA参与肠道细菌致癌的机制，大肠癌组织中脆弱类杆菌相关lncRNA1（BFAL1）介导ETBF致癌。
在体外，经ETBF处理的大肠癌细胞中BFAL1上调。机制上，ETBF通过激活Ras同源物促进肿瘤生长[36]。临床上，BFAL1的高表达和大肠癌组织中ETBF的高丰度预示着结直肠癌患者预后不良。因此，BFAL1是ETBF诱发大肠癌的介导因子，可能是ETBF诱发大肠癌的潜在治疗靶点[36]。综上所述，ETBF是导致结直肠癌发生的主要肠道菌群之一。
3 益生菌对结直肠癌的影响
益生菌被定义为活的微生物，当给予足够的量时，它会给宿主带来健康益处。20世纪初，诺贝尔奖获得者埃莉·梅奇尼科夫首次提出假设，益生菌被描述为改变肠道菌群组成，并用有益微生物取代“腐败”细菌。
随着对益生菌的理解不断发展，益生菌现在被认为不仅能调节微生物群，而且还能诱导宿主的生理和代谢变化[6]。益生菌是一个术语，用于描述对人体有益作用的健康细菌;乳酸菌和双歧杆菌是肠道中最常见的类型[37]。乳酸菌（Lactic acid bacteria，LAB）是常见的肠道益生菌之一，具有多种功能。在这些功能中，由乳酸菌产生的胞外多糖（EPS）具有抗肿瘤特性[38]。结直肠癌患者在肠道生态系统中，乳酸杆菌的数量明显低于正常人[39]。
益生菌預防和治疗结直肠癌的潜在作用机制是改变肠道微生物群，改善结肠理化条件，产生抗癌和抗氧化代谢物，减少肠道炎症及降低产生有害酶[39]。研究表明，乳酸菌可增强Bax等参与细胞周期的促凋亡蛋白的作用，并下调Bcl-2等抗凋亡蛋白[40]。由于益生菌产生的短链脂肪酸（SCFA），特别是丁酸对非癌细胞有抗凋亡的作用，并被证明可以防止癌细胞的增殖。在分子水平上，丁酸被认为是癌细胞中组蛋白脱乙酰化酶抑制剂[38]。
组蛋白和非组蛋白的脱乙酰化可调控细胞凋亡、增殖、细胞代谢、分化和DNA修复等过程。因此，组蛋白脱乙酰基酶抑制剂（HDACis）被认为是一类有希望抑制肿瘤细胞增殖或凋亡的抗癌药物[41]。双歧杆菌中的某些细菌具有促进肠道上皮完整性和防止TNF-α引起的肠道上皮屏障破坏的能力，乳酸菌菌株加强了紧密连接和肠屏障的完整性[39]，同时，益生元可以提高益生菌（尤其是双歧杆菌）的生物活性，并改变免疫反应[43]，从而降低结直肠癌的发生。
肠道微生物群失衡导致大量β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖苷酶、偶氮还原酶和硝基还原酶的释放，并产生致癌物质，益生菌通过各种机制降低这些酶的活性，如乳酸菌通过降低β-葡萄糖醛酸酶的活性来抑制细菌酶的能力[42]。大量研究证明，益生菌在结直肠癌预防和治疗中的意义重大。
4 结论
在健康宿主中，不同优势菌如硬壁菌、蛋白细菌、拟杆菌、放线杆菌和梭杆菌之间存在着良好的平衡关系[43]。肠道菌群以不同的方式在结直肠癌发生中起关键作用，尤其是在生态失调的情况下，某些致癌性特异性肠道微生物在促进癌细胞生长方面有积极作用，可以大大增加结直肠癌的发病率，同时，益生菌可以维持肠道菌群平衡的稳定，能够有效抑制癌细胞的生长，从而防治结直肠癌的发生演变，有效提高肠道益生菌可以更好的维持肠道菌群的平衡，从而降低结直肠癌的发病率。
由于早期结直肠癌无明显的临床表现，早期发现较为困难，临床上大部分患者已成为中晚期，大大降低了患者的寿命和生活质量。在肿瘤发生发展过程中检查肠道菌群的变化将为结直肠癌的早期诊断提供帮助，有助于早诊疗，提高病患的存活率及有更高的生活质量。肠道菌群的平衡可以大大降低结直肠癌的患病率，及可以降低结直肠癌术后并发症。益生菌是维持肠道平衡最好的选择。
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