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肠道微生物与结直肠癌

2017年02月10日
消化系统肿瘤

编译:月下荷花

来源:肿瘤资讯

肠道微生物的作用越来越得到重视,与多种疾病有直接或间接关系。结直肠疾病与肠道微生物间的关系研究最多,下面来看看肠道微生物与结直肠癌间有哪些千丝万缕的联系。

结直肠癌(CRC)是发病率很高的一种恶性疾病,可分作二种类型:结肠炎相关CRC(CAC)和散发CRC(SCC)。CRC的发生是多步骤事件,启动事件是SCC的APC突变和CAC的TP53突变,CRC的病因学包括遗传学背景和环境因素如糖尿病、胆囊切除、肥胖、高脂饮食和加工肉类与红肉。近期研究显示肠道微生物在CRC的发生发展中发挥作用,同济医学院的GAO教授在Eur J Clin Microbiol Infect Dis杂志上发文,介绍了肠道微生物与结直肠癌的关系。


肠道微生物总览


肠道环境复杂,细菌、真菌与病毒共存,达100万亿,是人类细胞10倍,与宿主相互交流、帮助上皮防御病原体、加速免疫系统成熟、吸收营养。微生物通过诱导IgG帮助防御病原体、保持局部以及远隔相关器官平衡,与此同时宿主也不断发展有效的防御病原体途径。


婴儿肠道微生物来自产道和母体皮肤,逐渐成熟并保持相对稳定,直至老年才发生变化,食物、药物、运动和基因型均影响微生物构成。健康肠道的核心菌在门类水平包括硬壁菌、变形杆菌、拟杆菌和放线菌,不过在属和种水平上呈现多样化。


肠道微生物与结直肠癌


有力证据显示胃癌与一类致癌病原菌幽门螺杆菌相关,而结肠表面具有更复杂的微生物群,因此可能存在与CRC发生发展相关的病原体。最初的研究并未得出阳性结果,随着技术进步,采用下一代测序方法探索肠道侯选致癌病原体。

第一个将CRC与肠道微生物联系起来的研究来自Weisburger,之后越来越多研究证实病原性细菌与CRC间的关联,包括牛链球菌、梭杆菌、产肠毒素脆弱类杆菌、肠球菌、脆弱类拟杆菌、B2系大肠杆菌、志贺氏菌、克雷白菌、链球菌、消化链球菌,研究证实健康人与CRC患者肠道、粪便和CRC标本的微生物构成不同,不过后二者存在共丰菌属(CAGs),CAGs与免疫反应有关,炎症通过肠道菌群促进CRC进展。


啮齿类动物模型研究证实无菌状态能延缓肿瘤发展,而病原微生物促进肿瘤发展,抗菌素治疗后可延缓肿瘤发展,因此肠道微生物在CRC的发生发展中发挥重要作用,不过啮齿类动物的肠道微生物明显不同于人类,植入人类肠道微生物的小鼠研究初步显示肠道生态失调是CRC的原因之一。


免疫系统鉴定病原体


机体免疫系统识别到达肠道的微生物对保护宿主至关重要(图1),几个受体与这一过程有关,模式识别受体(PRRs)可以搜索病原体表达的相关分子模式(PAMPs),下面将介绍这些受体-病原体的相互作用。

图1宿主与肠道共生菌的相互作用。正常状态下共生菌信号由TLR和NLR识别,并启动免疫系统活化,细胞因子释放。当微环境变化时病原体穿过内粘膜层侵入基质、诱导更大的反应。


1. Toll样受体


PRRs中Toll样受体(TLRs)研究最早,它是I型膜糖蛋白,属于IL-1受体超家族,分布于上皮细胞膜和内涵体膜。通过TLR-2,病原体脂蛋白诱导宿主免疫反应、启动单核细胞凋亡、活化NF-κB途径,TLR-3能识别双链RNA,多与病毒感染有关,TLR-4与CD14协同活化脂多糖诱导的NF-κB途径,TLR-7和TLR-8识别种特异性病毒单链RNA,TLR-9协助细胞对感染病原体的CpG DNA发生反应。


TLRs在人类外周血单核细胞中不对称分布,TLR-1和TLR-6表达于所有浆细胞样树突细胞(PDC)、B细胞、NK细胞、T细胞和单核细胞,TLR-2高表达于单核细胞,TLR-3相对高表达于NK细胞,TLR-4在单核细胞高表达,TLR-6主要见于B细胞,NK、单核和PDC中也可表达,TLR-7中等表达于PDC和B细胞,TLR-8只高表达于单核细胞,TLR-9在PDC的表达是B细胞的3倍,TLR-10只高表达于B和PDC。


所有TLRs活化MyD-88途径诱导下游免疫反应,具体如下:与TLR/IL-1R结合后,信号启动级联反应,这一过程包括的分子有MyD88、TGFβ活化激酶、TNFR相关因子6。巨噬细胞中TLRs活化后不但有直接杀伤作用,还能诱导维生素D受体表达增加,增加抗微生物肽段的抗结核分枝杆菌的功能。


2. NOD样受体


固有免疫可以对病原体快速反应,主要源于对微生物保守序列PAMPs的识别,识别系统之一就是NOD样受体(NLRs),是细胞内核酸结合寡聚区。NLRs对防御细菌侵袭和细菌在胞内产物的作用非常关键,是受损或死亡细胞的感受器。已知的NLRs包括NOD1-5、NALP1-14、CII TA、Ipaf和Naip,根据N末端区域,NLRs分作三组:包含NODs的激酶招募区、包含NALPs的脓素、包含NAIPs的杆状病毒抑制重复序列。


NLRs通过感知PAMPs启动构象重排、信号传导、活化多个信号途径。NOD1能识别G+和G-菌上的g-D-谷氨酰二氨基庚二酸,通过固有免疫阻止病原体,此外还可能阻碍结肠炎症向肿瘤转化;NOD2可对更多的细菌发生反应,突变可导致炎症性疾病。不过关于NOD1和NOD2功能研究的结果互有矛盾,需要进一步研究。


其它与免疫反应有关的NLRs包括NLRP3、NLRC4、NAIP和NLRP1等,线粒体是NLPR3重组平台,通过活性氧活化免疫过程;NLRC4炎症体活化细菌分泌系统;NAIPs通过与细菌鞭毛蛋白和III型系统结合而活化;致死毒素可能是NLRP1炎症体的活化因子,NLRP1与病毒免疫反应和蛋白水解功能有关;NRPL10对维持主动免疫很关键,NRPL12对维持肠道稳态至关重要。


结直肠癌的假说模型


关于肠道微生物与CRC关系间有许多假说,驱动-过路模型描述CRC发生发展中各种共生菌的作用,该模型将微生物分成二组,驱动微生物诱发上皮细胞DNA损害,导致首个空间位置的CRC发展,接下来肿瘤微环境发生改变利于过路细菌繁殖,并可能成为肿瘤位置的主要细菌。该模型强调虽然驱动细菌启动了CRC,但并不会一直存在,与突变类似,会因生长优势消失而最终在癌组织中消失。该模型对解释不同研究中的不同结果很有帮助,但如何明确这种模糊的关系是巨大挑战。


另一个模型是基石假说,基石病原体定义为与疾病相关的有害微生物,在生态系统中丰度相对较低。该假说并不强调疾病相关微生物的强度,更关注与不平衡相关的功能状态。该模型源于牙龈卟啉单胞菌即使丰度不足1%也能诱导牙周炎,伴随微生物改变助力炎症发生,去除病原体后牙周炎不再发生。同样肺炎克雷白菌和奇异变形杆菌也可作为炎症性肠病的基石病原体,产肠毒素脆弱类杆菌作为结肠癌的基石病原体。这一假说以新的视角看待肠道病原体的作用,不过需要进一步验证。


Garrett提出了细菌或细菌社区对CRC的作用机制,虽然现代研究已鉴定了几个与CRC关系密切的侯选致病菌,然而机制仍需进一步研究。


侯选菌种的致癌机制


CRC中存在微生物的异常分布,下面将讨论一些侯选致癌菌种的作用机制。


1. 具核梭杆菌


具核梭杆菌与CRC关系的研究最多,该菌并不诱导结肠炎或加速结肠炎相关癌症发生,它通过招募免疫细胞,形成促炎症微环境,启动CRC发生。从炎症组织中分离的具核梭杆菌具有高度侵袭能力并高表达MUC2、TNFα,可抑制NK细胞功能。但并不是所有具核梭杆菌均具有侵袭能力,可能与细菌株拷贝数的变化有关。


2. ETBF


肠道病原菌产肠毒素脆弱类杆菌(ETBF)能合成脆弱类杆菌金属蛋白酶毒素(BFT)导致腹泻,是CRC的致癌菌。以往认为ETBF具有重塑上皮细胞骨架和F-肌动蛋白的作用,现在研究认为ETBF能启动结肠炎和结肠肿瘤,诱导活化Stat3途径,特征是Th17的反应。此外BFT能启动细胞增殖、活化c-Myc表达、增加多胺代谢并诱导DNA损害。


3. 大肠杆菌


大肠杆菌(E.coli)是肠道中常见的G-厌氧共生菌,与CRC相关的机制不详。现有研究显示含pks岛的大肠杆菌表达聚酮肽基因毒素并诱导DNA损害、染色体畸变和增加基因突变。Pks阳性大肠杆菌最先分离于炎症性疾病,最近发现pks岛的致病性,提示炎症性疾病与CRC的关联。肠道病原性大肠杆菌通过诱导巨噬细胞抑制因子1促进癌细胞生存。其它侯选致癌微生物包牛链球菌、幽门螺杆菌和梭菌。


肠道微生物的变化诱导细胞因子失衡,来自Th17细胞的IL-17与CRC关系密切,可能通过诱导BCL-xL和BCL-2表达延长上皮细胞寿命;此外EGFR-MAPK途径活化也是CRC发展的风险因素;肠道微生物还可通过肠道代谢物促进癌症发生。


柔嫩梭菌群普拉梭菌的益处


肠道中有一些微生物是有益的,可用作益生菌,柔嫩梭菌类群中的普拉梭菌是其中的代表,抗炎和结肠炎预防作用与诱导IL-10分泌和Treg细胞调整能力有关,最近鉴定的细菌抗炎分子(MAM)能减少NF-KB途径,并削弱化学物诱导的小鼠结肠炎。总之产丁酸的普拉梭菌的前景值得进一步关注。


微生物的临床应用价值


研究显示肠道微生物有望用作CRC早期筛查的有效工具,与其它工具联合应用能区分腺瘤和癌症、检测CRC;此外特异的病原体如具核梭杆菌及其丰度可用作疾病状态预测工具,与CRC生存有关,具核梭杆菌与高度微卫星不稳定、高丰度pks+大肠杆菌和不良预后有关,梭杆菌在癌症组织中的丰度与CRC分子模式相关,高表达时与CpG岛甲基化表型、TP53野生型、hMLH1甲化正相关。


肠道微生物在癌症治疗方面也有很大潜能,免疫治疗时某些特殊的拟杆菌通过靶向CTLA-4使疗效更佳,双歧杆菌也具有类似作用。上述研究表明肠道微生物在预防和治疗方面的价值,需要进一步研究。


肠道微生物管理


肠道微生物有很多种,在不同条件下具有不同功能,发挥其正面预防与治疗作用尤为重要。饮食是通过肠道微生物影响癌症风险的最重要因素,长期食用动物脂肪利于拟杆菌型,碳水化合物利于普氏菌型。饮食干预对肠道微生物影响迅速,有效改善基因多样性,寡聚糖、双糖、单糖和多羟基化合物能改善微生物多样性和细菌负荷,但对炎症作用有限。通过饮食管理肠道微生物是最经济有效的降低癌症风险方法。


体育运动也能明显改善肠道微生物多样性及某些特殊细菌的丰度。不过最理想的调整肠道微生物的方法就是直接使用益生菌。研究显示双歧杆菌能影响肠道菌群的构成及某些细菌的丰度,单种双歧杆菌与多种双歧杆菌联合的作用并不相同,对CRC患者有益。


不过益生菌可被胃液破坏,最终到达结肠的数量不确定,因此提出益生元对促进肠道有益菌生长可能更理想。益生元定义为不可消化物质,可通过胃和小肠,刺激结直肠有益微生物生长。益生菌与益生元联合时肠道微生物更可能处于健康状态;最近有研究鉴定了一种小分子物质,能抑制病原体的基因毒作用;抗生素和质子泵抑制剂在某些时候对失衡的肠道微生物也有正面作用。


现境与将来


前文描述了肠道微生物与结直肠癌的关系,不但研究中使用的技术方法对结果十分重要,肠道准备、药物等因素都对结果有影响,目前肿瘤组织标本可能是研究中最理想的标本。另一个需要关注的问题是如何改善肠道微生物,什么样的肠道微生物构成才是标准构成。肠道微生物对宿主健康的影响是非常有前景的研究领域,值得研究与关注(图2),尤其是与CRC的关系需要进一步深化。

图2 多种因素均能影响宿主健康与肠道菌群,宿主与菌群关系复杂,多种组学研究很有必要,动物模型与细胞研究则进一步提供靶向机制,只有多种研究手段并存才有助于理解宿主与菌群间复杂的关系以及CRC的发生发展。

参考文献:

Gao R, Gao Z, Huang L, Qin H. Gut microbiota and colorectal cancer. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2017 Jan 7. 

责任编辑:肿瘤资讯-宋小编


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