肠道微生物与结直肠癌的研究进展与评价
池肇春
（青岛市市立医院消化内科，山东青岛 266011）
摘要：肠道微生物群是一组由1014细菌、真核生物和病毒组成的肠道菌群，在许多生理过程中起着至关重要的作用，特别是在炎症和免疫反应中起着重要作用。一些内部和外部因素可以影响这一群体，其组成的变化已经证明有助于影响不同的疾病。在疾病期间，与炎症相关的几种细菌是癌变过程中最重要的因素之一。已经表明，通过不同信号/途径的调节一些细菌菌株可能通过多种因素的产生而影响肿瘤的发展。肠道菌群可能被认为是癌症发展的枢纽点，并直接和间接参与肠道肿瘤的发生。结直肠癌（colorectal cancer, CRC）是一种常见的大肠疾病，目前被列为世界第三大癌症。肠道菌群在不同癌症类型，特别是胃肠道肿瘤的发生和促进中起着至关重要的作用。细菌可以触发肠黏膜的慢性炎症，引起肠上皮细胞的不可逆变化，从而使个体发病。近几年来肠道菌群与CRC的研究众多，但大多是在动物模型中进行研究，肠菌致癌机制仍不清楚。最新研究发现，抗生素、益生菌可治疗和预防CRC的发生，有望成为CRC治疗的新靶点。
关键词：肠道微生物；肠道菌群；黏膜屏障；结直肠癌，共生菌；生态失衡；炎症；免疫；细菌代谢；治疗；预防
Rearch progress and evaluation of intestinal microbiota and colorectal cancer
CHI Zhao-chun
(Department of Gastroenterology, Qingdao Municipal Hospital, Qingdao, Shandong, 266011)
右眼皮有痣
Abstract: Intestinal microflora is a group of intestinal microflora compod of 1014 bacteria, eukaryotes and virus, which plays an important role in many physiological process, especially in infl ammation and immune respon. Some internal and external factors can affect them, and their changes of composition could infl uence some different dias. Several bacteria associated with infl ammation are one of the most important factors in carcinogenesis during dia. It has been shown that the regulation of some bacterial strains by different signal/pathways may affect the development of tumors through a variety of factors. Intestinal fl ora may be considered a pivotal point in cancer development: direct and indirect involvement has been studied in a number of tumors, colorectal cancer (CRC) is a complex, widespread dia, currently ranked as the world's third largest cancer. It is well known that intestinal flora plays an important role in the occurrence and promotion of different types of cancer, especially gastrointestinal tumors. In fact, bacteria can trigger chronic inflammation of the intestinal mucosa, which cau irreversible changes in intestinal epithelia
l cells, making individuals susceptible to cancer. Enterobacteria and CRC have been studied extensively in recent year s, but most of t h em have been studied in animal models. The mechanism of enterobacteria carcinogenesis is still unclear. Recent studies have found that antibiotics and probiotics can cure and prevent the occurrence of CRC, which is expected to become a new target of CRC treatment.
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Key words: Intestinal microbiota; Intestinal fl ora; Mucosal barrier; Colorectal cancer; Symbiotic bacteria; Ecological imbalance; Infl ammation; Immunity; Bacterial metabolism; Treatment; Prevention
结直肠癌（colorectal cancer, CRC）是世界范围内最常见的癌症之一，是世界上第三个最常见的癌症和第四个癌症相关死亡率的主要原因，每年约120万个新病例发生，世界范围内每年约有600000人死亡[1]。在发展中国家结直肠癌的发病率越来越高。CRC发生的众多环境因素包括吸烟、酗酒、肥胖、久坐生活方式、糖尿病、高脂肪饮食和纤维摄入不足。近年提出肠道微生物组成也认为是CRC进展相关的另一重要因素。虽然遗传易感性与某些类型的结直肠癌密切相关，但流行病学研究表明，西方生活方式（如美国）是该病最重要的危险因素[2, 3]。结直肠癌的高发率也与年龄、性别、家族史、饮酒过量、高动物脂肪饮食以及低果蔬纤维饮食有关[4]。
1.6亿年来人类与定植在胃肠道和身体其他器官内的细菌共生，共同进化，这些细菌数量巨大，其细菌总数约为全身细胞的10倍即1014以上（人体含有1013真核细胞），包含约500~1000个种属。其宏基因大小约为自身基因的100倍[5]。
这些庞大的细菌分布全身各组织器官中，其中以胃肠道定植最多。根据其空间分布肠道细菌可分成黏液层细菌和肠腔内细菌，两者在物质交换、信号传递、免疫系统发育和抵抗病原微生物入侵等方面均起到重要作用。肠道细菌可参与到黏蛋白部分翻录后修饰，通过产生脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)和短链脂肪酸 (short chain fatty acid, SCFA)等物质刺激黏蛋白的分泌，进而通过调节黏液层厚度与强度来影响肠道屏障功能。在哺乳动物胃肠内定植的细菌主要分属于厚壁菌门（约50%~70%）、拟杆菌门（10%~50%）、放线菌门（1%~10%）、变形杆菌（少于1%）等[6]。
人和动物的消化道包含一个复杂的微生物
群落，称为肠道微生物群，它与宿主黏膜上皮细胞和免疫细胞获得了深层的相互关系[7]。这些微生物有助于消化、代谢、上皮内稳态和肠道相关淋巴组织的发育等生理活动，而且能代谢胆汁酸和外源性物质，并合成维生素B族和维生素K，而它们的抗原及代谢产物可以刺激细胞因子对潜在病原体的产生[8]。environment
一些内部和外部因子可以影响这个因素，包括年龄、种族、饮食、母体定植以及对外来物质和抗生素
的环境暴露[9]。CRC其发病与许多因素有关，如人口老龄化、生活方式选择，如富含红色和加工肉类的饮食或酒精消费或吸烟、接触致癌或癌症可疑药物[10]。近年来，人们对其遗传学和分子/细胞生物学机制的研究取得了长足的进步[11]。
最近的研究也阐明了与CRC相关的肠道微生物群的特异性特征，并提示该微生物群可用于筛查CRC。肠道菌群，结合其他非侵入性技术，有望为早期大肠癌诊断和预防提供有效的工具[12 ]
肠道菌群已被证实参与了CRC的发生和发展。CRC患者粪便微生物群落结构差异与非癌人群有关，肠球菌属、大肠杆菌/志贺菌属、Klebsiella、链球菌和消化链球菌属的一些微生物群较丰富[13]。其他一些研究发现梭杆菌属在结直肠腺瘤和癌组织中更占优势[14-16]。
党费标准此外，某些宏基因组含量和细菌代谢物也可影响CRC的发展。例如，磷酸转移酶系统的KEGG矫形（KO）模块，多个不同糖的转运蛋白，在健康对照组中与腺瘤样品或腺瘤相比，在与癌样品相比，以及用于运输氨基酸组氨酸、精氨酸的模块中被过度表达[1]。
1 肠道微生物群稳态与生态失衡我的年轻妈妈
衰老、生活方式和营养变化、应激、药物
4昨天与今天
影响微生物的组成，从而改变肠道和众多器官和组织的炎症和病理生理状态。饮食不良的纤维和丰富的脂肪决定微生物相关的代谢物的改变，如维生素B7和B12与炎症状态的增加，导致肠道蠕动减少。长期的热量限制会增加乳杆菌，当生态失调时，乳杆菌减少，如前杆菌属、豆状芽孢杆菌、拟杆菌类、类杆菌、副鞭毛虫类细菌减少，致使血清TNFα、IL8、IL1β和C反应蛋白水平升高[17]。抗原（如脂多糖或肽聚糖）来源于多种细菌，并从细菌代谢产生免疫细胞类型的应答。最活跃的细胞是转化生长因子-β产生的调节淋巴细胞和一种特殊的IL-10产生的树突状细胞(dendritic cells, DCs)，其上存在Toll样受体(Toll-like receptors, TLR)〔18〕。调节性T细胞下调促炎性T辅助细胞如T辅助型1（Th1）、T辅助型17（Th17）和T-辅助型2（Th2）的反应，而DCS能够使各种外部因素，如抗生素治疗、饮食变化、胃肠道病原体和内源性效应，可能改变或解除肠道免疫系统，导致潜在的功能障碍或破坏微生物组成群落[19,20]。在生态失调过程中，诸如水的体积、离子浓度、渗透压和pH等多个参数可能超出其微生物种群数量的生理范围〔21〕。这种稳态失衡可能决定了几种细菌的大量生长，并导致慢性侵袭性炎症发生[19]。这种慢性炎症可能会破坏黏膜和免疫系统。业已表明，免疫与微生物系统关系的改变有助于结直肠癌的发病（22, 24, 25）。在炎症条件下，肠道免疫系统诱导促炎因子，下调T-Res细胞并刺激Th1和Th17分泌促炎性细胞因子和趋化因子。其中一些，如IFN-γ和IL-17A，也被认为可促进细胞增殖和/或抑制细胞凋亡，导致调节免疫细胞下降[23]。TLR-信号通路有助于调节微生物的组成和调节免疫系统与微生物的关系；TLR可被认为是肠上皮屏障、微生物和免疫系统之间的一个界面，与结直肠癌的发生相关[26]。
研究表明，大肠癌患者的微生态平衡遭到
破坏[27]。肠道菌群和代谢产物与CRC密切相关。微生物组学和微生物代谢组的发展，特别是高通量测序技术的快速发展，近年来对肠道菌群和肠道微生态的研究越来越受到重视。
2 细菌代谢在结直肠癌的作用
肠道菌群在CRC中的作用机制尚不清楚[28, 29]，微生物的主要代谢产物，包括氨基酸、
核苷酸、多糖、脂类和维生素，是维持肠道菌群生长所必需的[30]。在大多数微生物细胞中，微生物初级代谢产物相似。初级代谢产物的合成是一个恒定的过程，合成障碍会影响正常的微生物活动[31, 32]。微生物次生代谢产物，包括生物碱、酚类、抗生素和色素，决定了菌群的特异性和功能。微生物有助于维持肠道微生态平衡[33, 34]。
2.1 细菌糖代谢在结直肠癌的作用 碳水化合
物代谢对肠道菌群和CRC具有重要意义[35]。
①氧在碳水化合物代谢途径的选择中起着决定
性的作用。厌氧菌和需氧菌共存于肠道内。超氧化物、氧自由基和氧分子与大肠癌的发生密切相关[36, 37]。②二氧化碳和水是碳水化合物代谢的主要产物[38]，细菌分解葡萄糖和乳糖并产生酸[39]，通过保持酸碱平衡和调节渗透压。
③三磷酸腺苷是碳水化合物代谢过程中产生
的，是一种向所有活细胞提供能量的重要化合物。磷酸戊糖代谢过程中产生的磷酸核糖是合成DNA和RNA所必需的，它们对于快速再生细菌和无限复制癌细胞尤为重要[39]。④烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸糖代谢的中间代谢产物，参与磷酸化的蛋白质和基因。⑤线粒体是糖代谢的关键部位，同时线粒体功能失调是结直肠癌和肠道菌群失调最重要特征之一[40-42]。
2.2 肠道菌群与脂质代谢在结直肠癌 许多研苹果平板充不进去电怎么办
究指出，高脂饮食可诱发大肠癌，提示肠道菌群发挥不可替代的作用，但其具体机制尚不清楚。高脂肪饮食可增加结肠直肠的胆汁和胆汁酸分泌，一些梭菌可通过参与脂肪酸代谢过程
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中各种酶的合成，加速胆汁酸转化为次生胆汁酸[43, 44]。次胆汁酸作为致癌物质，通过多种分子机制来促进CRC发生：合成氧自由基，断裂DNA链，使染色体不稳定，形成癌干细胞。脂肪酸、胆汁酸和
肠道菌群之间的相互作用可以产生甘油二酯、前列腺素[45, 46]。白三烯通过激活免疫或炎症反应而导致肿瘤发生[47-49]。2.3 肠道细菌和氨基酸代谢在结直肠癌 氨基酸可用于合成蛋白质、多肽和其他含氮物质，而且，它们可以通过脱氨基、转氨基和脱羧分解为α-酮酸、胺和二氧化碳。硫、硝酸盐、硫化氢、氨气、胺等有毒物质参与了代谢过程，这些有毒物质可导致结直肠癌发生[50]。蛋白质含量高的食物残渣可刺激硫酸盐还原细菌的生长。硫化氢是硫酸盐还原菌的产物，也是氨基酸代谢的中间产物[51]。硫化氢引发多种致病性疾病，包括细胞增殖、分化、细胞凋亡和炎症最终导致恶性肠上皮细胞转化[52, 53]。硝酸盐是无毒的，但由于肠道菌群很容易减少。亚硝酸盐与胺、氨基化合物和甲基脲等含氮化合物结合形成致癌的亚硝基化合物[54]。此外，黏蛋白是氨基酸代谢的中间产物，是一种与肠道菌群协同作用的诱变剂。肠道菌群分泌的其他含氮物质参与激活和调控肿瘤发生过程中重要的信号分子和信号转导通路。
肠道菌群和宿主在生理条件下保持动态平衡。当这种平衡被破坏时，整个微生态系统发生了显著的变化[55，56]。肠道菌群、代谢产物和宿主之间的协同作用在结直肠癌的发生和发展中起着关键性的作用。首先，微生物是结直肠癌的初始因素。肠道菌群分布和丰度的变化有助于炎症反应和免疫反应，并诱导肠黏膜细胞的恶性转化[57]。肠道菌群的各种代谢产物可直接或间接促进结直肠癌的发生和发展[58-60]。微生物代谢产物可能在平衡肠道微生态和发展结直肠癌中起着重要作用。结直肠癌是一种非细菌感染性疾病，近年来，通过测序16S rRNA 和生物信息学分析，研究者们越来越关注确
梅子怎么画定大肠癌中的特异性细菌或微生物群落结构变化。进一步研究肠道细菌促进肿瘤发生和CRC-微生物协同进化的机制，这可能是未来治疗的开发方向[61]。
3 共生菌的免疫调节功能
3.1 肠相关淋巴组织 胃肠道免疫组织总称为
肠相关的淋巴组织（gut-associated lymphoid tissure, GALT），主要作用是抵制侵入肠道的病原微生物感染。主要以两种形式存在，一种为组织化的淋巴组织，包括派氏结（Payer patch, PP）、肠系膜淋巴结及较小的孤立淋巴滤泡，这些淋巴组织作为肠道免疫系统的诱导位点，负责起始肠道黏膜内的免疫反应；另一种是呈弥散分布的淋巴组织，即在黏膜上皮及固有层内散在的淋巴细胞，它们是肠道免疫系统行使免疫保护功能的效应位点，用于防止机体免疫系统与食入的蛋白发生免疫应答以维持机体的平衡[62]。
红包包多少
无菌小鼠具有发育不全的PPS和缺乏大多数孤立淋巴滤泡 (isolated lymphoid follicles, ILFs)的共生细菌定植诱导幼稚ILFs的产生[63]，有趣的是，ILFs发育似乎受不同类型共生菌的控制。因此，革兰阴性菌通过含有NOD1(核苷酸结寡聚化结构蛋白1)受体的核苷酸结合寡聚化域诱导ILFs的发育，所以，在NOD1缺陷小鼠中不存在ILFs。
3.2 黏膜IgA的产生 IgA的产生和分泌进入
肠腔是肠免疫的特征。IgA由GALT和固有层(lamina propria, LP) B细胞产生，并通过IEC 转运到肠腔中作为分泌型IgA（SIGA）。在管腔中大多数SIGA识别和调理细菌，从而阻止其进入LP。IgA是由Gut-T-细胞依赖和T细胞独立的两种机制诱导的。组织化的GALT在这两种情况下都很重要。T细胞依赖性IgA诱导发生在PPs的生发中心反应。T细胞独立的IgA诱导大多发生在巨噬细胞中。如GALT的成熟，如上所述，需要共生细菌，IgA的产生
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也可以依赖于微生物的存在。一种替代的T细胞独立的IgA诱导途径依赖于由IECs产生的B细胞激活的细胞因子来响应共生信号。与这些机制一致，即使在LP中存在B细胞，GF 小鼠的IgA产量也受损。不同的共生细菌诱导IgA的能力尚未被系统地研究。然而，有报道并非所有共生细菌都诱导IgA产生[64]。
3.3 先天免疫（固有免疫）细胞 先天免疫细胞在功能上与微生物和它们的产物有很密切的关联。共生细菌将会影响先天免疫细胞的发育或功能。似乎树突状细胞 (dendriticcells, DCs)、巨噬细胞（MF）、自然杀伤细胞（NK）或先天性淋巴样细胞（ILCs）的发育一般不需要共生菌。尽管一些研究已经报道了GF小鼠中DC或ILC数的差异，一般而言，所有主要的先天免疫亚群都存在于GF小鼠中[65, 66]。DCs 和MFs可诱导和抗炎细胞因子的产生，例如IL-6、IL-23、TGF-β、IL-10，由不同类型
的共生菌诱导产生。IL22产生的ILCs，介导了许多肠道稳态功能，似乎也受到来自共生信号的控制。微生物菌群的直接或间接效应在每种情况下都是一个重要的问题。直接效应是由先天免疫细胞直接检测共同生产物的结果，例如DPS在PPS或DCS采样管腔内容中的检测[67]。相反，共同生产物间接介导NK细胞功能。尽管NK细胞数目在GF小鼠中是正常的，但它们在抗病毒活性上功能不足[68]。 NK细胞启动需要干扰素，并且表明NK细胞启动缺陷是缺乏共同生产物的DCS产生Ⅰ型干扰素的间接效应。同样地，共同生产物诱导的IL-25的上皮表达间接控制ILCs产生IL-22[69]。
3.4 上皮内淋巴细胞 上皮内淋巴细胞(intraepithelial lymphocyte, IEL)是位于肠上皮层的肠T细胞的独特子集，因此与LP淋巴细胞物理分离。与LP T细胞相比，IEL富含T 细胞受体（TCR）γδ细胞以及CD8+ 细胞。它们也含有独特的CD8+α+细胞群。IEL的发展和功能尚未完全明了，但是在空间上它们很好
地接收来自共生和IECs的信号。IELS促进上皮屏障功能，有助于清除感染或受损的IECs 的细胞毒活性，并从IECs诱导产生抗菌肽。
因此，存在一个恒定的IEL-IEC相互作用。事实上，TCRαβ+IEL对传统的主要组织相容性复合体（MHC）肽配体没有反应，但对IECs大量表达的配体，如CD8-α+ Iels的胸腺白血病抗原配体除了影响IEC功能外，IELs还具有调节功能和抑制作用。动物模型中可见炎症反应[70]。共生细菌的存在影响
IELS的发育和功能。在GF小鼠中，TCRαβ+ IELs几乎不存在，TCRγδIELs对细胞功能有损害[71]。 TCRγδiEL 的产生也依赖于共生细菌的存在[72]。
3.5 固有层CD4T细胞稳态 肠黏膜中多个效
应T细胞亚群之间的平衡称为T细胞稳态。
在LP CD4中，TCRαβ细胞是主要的T细胞类型。在稳定状态下，在无特定病原体的小鼠菌落中，LP中两个最丰富的效应CD4 T细胞类型是IL-17产生的Th17细胞和调节性T细胞（Treg）。这两个亚群都是异质的，但一般而言，Th17细胞促进炎性保护性免疫应答，Treg抑制过度或不希望的免疫激活，因此具有一般的抗炎功能。这两个功能性拮抗亚组之间的平衡建立了LP中的免疫状态。在特定的无病原体小鼠(GFM)中，Th17细胞在稳定状态下是丰富的，但在GFM中几乎不存在。此外，GF 小鼠也缺乏某些系统性Th17细胞应答。有趣的是，Th17细胞的存在依赖于微生物组成。SFB是梭菌，优先定植于回肠末端。在无菌动物研究，在80个不同的共生菌株中，SFB是唯一能诱导LF细胞中的高水平Th17细胞的共生体。通过SFB诱导Th17细胞也不需要额外的共生[73]。因此SFB是共生物种，有诱导黏膜Th17细胞的作用。SFB诱导Th17细胞的分子和细胞机制目前尚不清楚。然而，与大多数其他共栖相比，SFB直接与IECs交互，SFB具有多种上皮效应[64]。
Treg存在于所有的外周组织中，它们提供
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