2021年肠道微生态与结直肠癌：基础和临床转化研究进展(全文)

2021年肠道微生态与结直肠癌：基础和临床转化研究进展（全文）摘要结直肠癌是全球最常见恶性肿瘤之一，在西方国家尤其常见。

结直肠癌患者存在肠道微生态紊乱的现象。

在病理机制方面，结直肠癌相关富集菌如具核梭形杆菌(Fusobacterium nucleatum)和厌氧消化链球菌(Peptostreptococcus anaerobius)等被证实具有促进结直肠癌发生、发展的作用。

现概述结直肠癌患者的肠道微生态特点、肠道细菌改变及其致病机制，其他肠道微生物与结直肠癌的关系，以及肠道微生态在结直肠癌诊断、防治方面的应用。

结直肠癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和病死率在所有恶性肿瘤中位列第3位[]。

结直肠癌主要好发于西方人群，发达国家的结直肠癌发病率约为发展中国家的3倍[]。

近年来，随着国民经济的发展和生活方式的改变，我国结直肠癌发病率呈上升趋势，给医疗卫生系统和社会经济带来沉重负担。

人体肠道微生态是一个大型、复杂的微生物群落，其构成主要有细菌、病毒、真菌、古菌和原虫，其中细菌占绝大多数。

肠道微生态的结构受饮食、药物、疾病等多种因素影响[]。

近年来，肠道微生态与结直肠癌等消化系统疾病的关系得到深入、系统的研究。

肠道微生态的改变全程参与了结直肠黏膜缓慢发展成腺瘤、最终演变成结直肠癌的整个过程[]。

现概述结直肠癌的肠道微生态特点和相关的肠道细菌改变，结直肠癌高度富集细菌的相关致病机制，肠道其他微生物如病毒、真菌、古菌与结直肠癌的关系，以及肠道微生态在结直肠癌早期诊断和治疗中的潜在应用价值。

结直肠癌的肠道微生态特点肠道微生态与结直肠癌发生、发展的相互作用和相关性一直是研究的热点。

1997年，Dove等[]发现，无菌Apc min/＋小鼠中段小肠肿瘤数量较普通环境下Apc min/＋小鼠明显减少，最早明确了肠道微生态与肠道肿瘤发生、发展的关联。

这一发现也构建了肠道菌群可以促进结直肠癌发生、发展的假说。

随着二代测序技术的发展，微生物组学研究已提升到一个新的高度。

宏基因组和16S rRNA测序研究揭示了结直肠癌患者正常黏膜、癌前病变发展为癌的多阶段疾病进展过程中肠道微生态的显著改变[]。

笔者团队对中国74例结直肠癌患者和54例健康对照者的粪便标本进行宏基因组测序发现，结直肠癌患者肠道微生物的多样性和丰度均较健康对照者显著降低[]。

进一步meta分析显示，中国香港地区、奥地利、美国、德国和法国的526个粪便样本中，结直肠癌患者与健康对照者的粪便总体细菌组成比较差异有统计学意义(P<0.05)[]。

这一系列证据表明，结直肠癌患者存在肠道微生态紊乱。

结直肠癌相关的肠道细菌改变2012年，Kostic等[]首先发现具核梭形杆菌(Fusobacterium nucleatum, Fn)在结直肠癌组织中较正常组织显著富集，并利用荧光原位杂交技术在大肠肿瘤组织中直接进行了验证。

后续的研究发现，除Fn外，结直肠癌患者粪便和肠黏膜组织中其他细菌和病原体也显著增多。

笔者团队对中国人群的队列研究发现，结直肠癌患者粪便中的微小微单胞菌(Parvimonas micra)、厌氧消化链球菌(Peptostreptococcus anaerobius)、莫氏细小杆菌(Solobacterium moorei)和Fn数目显著增多[]。

进一步针对不同国家人群的meta分析显示，脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)、Fn、牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas asaccharolytica)、微小微单胞菌、中间普氏菌(Prevotella intermedia)、芬氏别样杆菌(Alistipes finegoldii)和食氨基酸热厌氧弧菌(Thermanaerovibrio acidaminovorans)在结直肠癌患者的粪便中显著富集，同时伴有丁酸梭菌(Clostridium butyricum)、唾液链球菌(Streptococcus salivarius)、嗜热链球菌(Streptococcus thermophilus)、栗褐色包囊杆菌(Carnobacterium maltaromaticum)和母鸡乳杆菌(Lactobacillus gallinarum)的减少[]。

除粪便菌群改变外，结直肠癌患者肠黏膜组织的微生态结构也发生了改变。

Nakatsu等[]对配对的结直肠正常组织、结直肠腺瘤和结直肠癌组织进行16S rRNA基因测序发现，结直肠癌组织中的脆弱拟杆菌属、孪生球菌属(Gemella)、微单胞菌属(Parvimonas)、消化链球菌属(Peptostreptococcus)和颗粒链球菌属(Granulicatella)均显著增加，提示这些细菌极有可能参与了结直肠癌多阶段发生、发展的演变过程。

结直肠癌肠道高度富集的细菌与结直肠癌的关系和致病机制1．Fn：Fn是革兰氏阴性厌氧菌，与牙周病紧密关联。

近些年研究发现Fn 与结直肠癌风险增加有关。

一系列基础研究揭示了Fn在促进结直肠癌发生、发展过程中的作用和机制。

Kostic等[]运用Apc min/＋小鼠模型发现，Fn可以通过招募骨髓来源的抑制性细胞浸润至结直肠癌组织周围，改变肿瘤微环境进而促进肿瘤生长。

Rubinstein等[]报道Fn可以黏附、入侵肠上皮细胞，通过释放黏附素FadA与E-钙黏蛋白结合，激活β-连环蛋白信号通路，促进结直肠炎症和肿瘤的发展。

Fn的其他毒力因子(如Fap、脂多糖和细胞壁提取物等)均会促进正常结肠上皮细胞向肿瘤细胞转化。

Fn富集会导致结直肠癌化学治疗抵抗，其作用机制主要通过影响TLR4和髓样分化因子88天然免疫信号通路和特异性mRNA表达，从而激活自噬信号通路，降低结直肠癌组织对化学治疗的敏感性[]。

2．脆弱拟杆菌：脆弱拟杆菌是人类肠道中的厌氧菌，主要包括无毒素的脆弱拟杆菌和产肠毒素的脆弱拟杆菌(enterotoxigenic Bacteroides fragilis, ETBF)2种亚型。

多项研究表明，ETBF富集与结直肠癌之间存在显著关联。

ETBF可以分泌脆弱拟杆菌毒素(Bacteroides fragilis toxin)，这种毒素可以触发肠道炎症级联反应，激活Wnt/β-连环蛋白信号通路和NF-κB信号通路，引起细胞过度增殖，诱导炎症反应，进而促进髓样细胞依赖性远端结直肠癌的发生[]。

3．厌氧消化链球菌：笔者团队研究发现并证实厌氧消化链球菌可以促进结直肠癌的发生、发展[]。

与健康对照人群比较，厌氧消化链球菌在结直肠癌患者的粪便和肠黏膜组织中均显著富集，且动物实验证明在氧化偶氮甲烷诱导的结直肠癌小鼠模型中，厌氧消化链球菌强饲小鼠的肿瘤数量、体积均较空白对照和大肠埃希菌阴性对照显著增多、增大。

进一步的机制研究提示，厌氧消化链球菌可与TLR2和TLR4相互作用，增加细胞的氧化应激水平，增加细胞内胆固醇的合成，激活促癌分子信号通路，从而促进结直肠癌细胞增殖和肿瘤形成[]。

此外，厌氧消化链球菌的表面蛋白质通过与肠上皮细胞表面受体直接结合，激活磷脂酰肌醇-3-羟激酶-Akt途径，诱导骨髓来源的抑制性细胞，建立免疫抑制性肿瘤微环境，加速Apc min/＋小鼠结直肠癌的发生和发展[]。

4．其他具有促进肿瘤细胞增殖的肠道细菌：其他某些特定菌，如普罗威登斯菌、微小微单胞菌也具有促进结直肠癌发生、发展的作用。

笔者团队一项研究表明，与大肠埃希菌或PBS 对照强饲的小鼠比较，微小微单胞菌强饲的Apc min/＋小鼠肠道肿瘤数目显著增加、肿瘤体积显著增大(待发表)。

微小微单胞菌可以促进Th2和Th17浸润肠道肿瘤组织，同时耗竭Th1，提示微小微单胞菌可以通过调节免疫细胞的浸润和相应的炎症反应促进结直肠癌的发生、发展(待发表)。

肠道病毒、真菌、古菌与结直肠癌的关系肠道微生态的构成复杂，除细菌外，还存在大量病毒、真菌、古菌和寄生虫等其他微生物。

近年来，除细菌外，病毒、真菌和古菌等微生物在结直肠癌发生、发展过程中的作用也得到初步证实。

笔者团队利用大样本宏基因组测序，对结直肠癌患者(184例)、结肠腺瘤患者(197例)和健康对照者(204名)共585份粪便样本中的病毒序列进行分析，发现与健康对照者比较，结直肠癌患者中肠道噬菌体的多样性显著增加；并发现队列中，包括正布尼亚病毒、丝状病毒、Tuna样病毒和L5样病毒在内的22种病毒在结直肠癌患者中显著富集，且可以通过病毒富集情况有效区分结直肠癌患者与健康对照，AUC值为0.802，这项研究将肠道微生态研究带入了除细菌外的新领域[]。

另一项研究发现结直肠癌患者存在肠道真菌结构失调的现象，结直肠癌患者粪便中马拉色菌纲显著富集，而酵母菌纲和肺孢子菌纲显著减少[]。

近期，笔者团队一项肠道古菌基因测序序列分析研究也显示，结直肠癌患者与健康对照粪便中的古菌组成结构差异有统计学意义(P<0.05)，其中结直肠癌患者粪便中嗜盐古菌显著增加，同时伴有产甲烷古菌减少[]。

这些研究一定程度上表明结直肠癌患者存在肠道微生态紊乱，且相关细菌、病毒、真菌和古菌结构改变可能协同促进结直肠癌的发生、发展，期待后续更多的基础研究来支持验证这一推论。

肠道微生态改变在结直肠癌诊断中的应用粪便隐血试验是目前临床上最常见、应用最广的无创性结直肠癌筛查方法，但其灵敏度和特异度均有待提高，发现更多、更精准的结直肠癌的肿瘤标志物已成为临床工作的迫切需求。

考虑到肠道微生态改变与结直肠癌之间紧密的关联，同时鉴于肠道微生态检测的非侵入性，肠道微生态在结直肠癌筛查的早期诊断方面具有重要的临床和科研价值。

笔者团队率先报道将粪便Fn与粪便隐血试验联合检测可将结直肠癌诊断的灵敏度由73.1%提升至92.3%，AUC值从0.86提升至0.95，提示粪便Fn可能是结直肠癌诊断的辅助标志物[]。

除Fn外，其他肠道微生物也具有一定的诊断价值。

笔者团队将4种肠道细菌(Fn、脆弱拟杆菌、梭状芽孢杆菌和另一种未命名的m7菌)与粪便隐血试验联合检测后，结直肠癌诊断的灵敏度和特异度分别为92.8%和81.5%，证明基于粪便的结直肠癌相关细菌检测可以作为结直肠癌的新型非侵入性诊断方法[]。

除肠道细菌外，肠道病毒、古菌等也可有效辅助结直肠癌诊断。

笔者团队发现基于22种病毒的检测可以显著区分结直肠癌患者与健康对照，AUC值为0.802，其与粪便隐血试验联合后AUC值可提升至0.862；研究还发现乙型杆状噬菌体属、Epsilon15样噬菌体属、Mu噬菌体属和P1噬菌体属这4种病毒高度富集结直肠癌患者的复发风险较高，从而筛选出高危患者，及早进行辅助治疗[]。

另有研究发现14种真菌的组合检测和9种古菌的组合检测均能显著、有效地区分结直肠癌患者和健康对照者，AUC值分别为0.93和0.82[]。