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【1200】一文读懂:微生物在结直肠癌中的作用

 我星寂寞 2016-11-29

编译:月下荷花

来源:肿瘤资讯

肠道微生物在人体中究竟起着什么作用呢?和结直肠癌的发生有着哪些千丝万缕的联系呢?本文带你一起看看肠道微生物与结直肠癌的密切关系。


结直肠癌(CRC)是西方社会的主要死因,癌症相关花费巨大。CRC的发生分作三个时间段:起动、加速和进展。启动时正常细胞出现DNA序列和结构变化,这些变化最终转化为恶性细胞。加速期时突变细胞克隆性扩增、不典型组织生长和肿瘤加速形成。进展期时恶性肿瘤转化和扩增的同时还不断出现新的突变、表观遗传学改变和遗传学不稳定性。


单个突变通常不足以启动肠道上皮恶性转化,需要原癌基因、肿瘤抑制基因和DNA修复基因多个突变累积才能完成。多数遗传学改变与Wnt-β-catenin信号、酪氨酸激酶受体、TGFβ信号、DNA误配修复、凋亡及细胞周期控制基因相关。此外肿瘤微环境在CRC启动和加速期的作用非常关键,而饮食和肠道微生物是肠腔微环境最主要影响因素,其差别可能影响相似人群不同的CRC发生率。


例如非洲土著人罕见CRC,但美国黑人却很常见。O’Keefer的研究显示大量食用动物产品增加结肠中的有毒氢气,继发的产胆盐细菌与CRC发生率增加有关,支持假说:CRC风险受饮食与肠道微生物相互作用影响。德国Coleman教授在 Biores Open Access杂志上发表综述讨论了肠道微生物与宿主CRC发生发展间的相互作用。


微生物、基因毒和免疫活化


病毒和细菌感染便于某些器官发生癌症,突出例子是病毒性肝炎与肝细胞癌、幽门螺杆菌与胃腺癌。乙肝病毒(HBV)通过直接/间接机制促进肝脏癌症发生:HBV-DNA插入宿主基因组导致基因组不稳定、病毒调节蛋白导致增殖异常调节、病毒化合物影响表观遗传学。幽门螺标菌分泌有毒物质导致氧化应激、慢性炎症和宿主DNA损害,促进癌症发生。目前已明确炎症、癌症和微生物产物间的联系,但微生物对启动和加速CRC的作用仍有待明确。


每次癌症相关感染,除了免疫活化、导致慢性感染外,微生物还能直接或间接启动癌症生成途径。例如粪肠球菌可产生胞外过氧化物,诱导人类细胞染色体不稳定。Wang的体外研究显示粪球菌活化DNA损害途径,G2捕获,增加染色体分离错误,导致非整倍体和四倍体上皮产生。


体内研究也证实这种潜在影响,无菌IL-10缺陷小鼠粪球菌定殖后发生结肠炎相关直肠增生异常和腺癌。另一个例子是大肠杆菌,能产生基因毒大肠杆菌素,感染试验中诱导肠道上皮细胞DNA双链断裂,最终导致有丝分裂和染色体畸变,增加基因突变频率和非依赖性生长。Buc的研究显示CRC患者活检时发现产大肠杆菌素的大肠杆菌明显高于憩室病患者。


另一个与CRC有关的微生物是产肠毒素脆弱类杆菌(ETBF),分泌20kD金属蛋白酶肠毒素(BFT)。肠道上皮细胞株暴露于肠毒素时,细胞粘附分子被裂解,应激反应和细胞因子信号途径活化,细胞增殖增加,与c-Myc原癌基因表达增加有关。


除了直接基因毒作用,细菌通过慢性炎症参与肿瘤生成,炎症破坏上皮屏障,免疫识别细菌导致炎症驱动的肿瘤形成。无菌或抗菌素治疗CRC小鼠模型的肿瘤生成减少,说明细菌在炎症驱动肿瘤中的重要性,通过抑制模式识别受体信号或辅助T细胞活化抑制微生物识别,都可减少肿瘤转化。适配器MyD88参与TLRs下游信号,敲除MyD88能抑制ApcMin/+小鼠和AOM-2% DSS诱导的肿瘤生成。总之缺少细菌能减少肿瘤转化,ApcMin/+ 小鼠叠加结肠感染时增加肠道肿瘤生成。


结肠炎相关CRC动物模型中,炎性微环境导致活性氧(ROS)增加、延长免疫活化,最终导致组织损害、刺激原癌基因并下调肿瘤抑制基因。然而炎症刺激癌症生成的确切机制仍不清楚。动物研究支持NF-κB信号和IL-6在炎症驱动癌症生成中的作用,IL-6诱导STAT3介导的信号转导,影响增殖、抗凋亡和促血管生成基因。


ROS的增加在细菌驱动的癌症生成中也发挥重要作用。肠杆菌诱导ROS产生,缺乏代谢自由基酶的小鼠更易感于肠道炎症和肿瘤形成。幽门螺杆菌和脆弱类杆菌感染胃和肠道时,快速诱导产生多胺代谢酶SMO,SMO产生的H2O2与ROS产生有关,最终导致SMO依赖性ROS产生和DNA损害。


慢性炎症反应与肿瘤生成有关,获得性免疫可能抑制这一过程。T细胞经常与抗肿瘤反应相关,因为在Rag?/?小鼠和干扰素信号缺陷动物模型中结肠肿瘤发生更多,这些支持假说:T细胞驱动的免疫与阻止肿瘤有关,而淋巴细胞驱动的免疫反应在细菌诱导的肠道炎症中发挥作用,可能会影响CRC进展。


Erdman的研究显示肝螺杆菌感染Rag-/-缺陷小鼠时诱发结肠炎相关癌症,而未受感染小鼠不会发生癌症,该动物模型被动输注CD4+ CD45RBlo CD25+ T细胞能明显抑制结肠炎和癌症,说明T细胞能抑制细菌诱导的炎症和肿瘤形成。几项研究显示T辅助细胞亚类在癌症发生中发挥不同作用,TH1与抗肿瘤反应相关,TH17有助于肿瘤生成。Wu的研究显示ETBF定殖于ApcMin/+ 小鼠与STAT3和TH17活化有关,导致肠道肿瘤增加。


除了直接促进肿瘤生成外,慢性炎症还可能间接靶向肠道微生物增加产基因毒微生物。Arthur研究显示IL-10缺陷小鼠大肠埃希菌增加100倍,该菌能产生大肠杆菌素,增加肿瘤多样性,但炎症水平并无改变。上述数据说明炎症本身并不是肿瘤形成的主要因子,炎症诱导肠道微生物群中的基因毒细菌优势选择,这可能是炎症和CRC间的真正关联。


有关微生物和CRC的人类研究


与健康对照相比,CRC患者肠道菌群构成不稳定,但没有研究回答CRC生态失衡的原因和结果,也未阐明肠道微生物影响CRC发生发展的机制。人类肠道菌群与CRC关系的证据源于二代测序,三个研究探索了健康组织和晚期CRC组织的微生物构成。


CRC组织中具核梭杆菌很多,与高度微卫星不稳定性(MSI-H)和CpG甲基化表型(CIMP)相关,而且结直肠癌中的具核梭杆菌与CD3+ T细胞比例呈负相关,这也支持该菌在适应性免疫中的作用,为CRC预防与治疗中靶向微生物和免疫提供了依据。Wei等进一步证实具核梭杆菌、结肠癌与炎症因子的关联,还报道了脆弱类杆菌和普拉梭杆菌通过诱导肠道炎症影响预后,提示这三种微生物可能作为CRC的潜在预后标志。


首个高通量人类CRC结肠微生物图谱显示红蝽杆菌增多,潜在致病性肠杆菌减少。首个变性梯度胶电泳和核糖体基因间隔分析显示肿瘤区域内外的微生物构成明显不同。FLX 454钛焦磷酸测序显示肿瘤区域内外微生物构成明显不同。这些研究中CRC均一致有过多的红蝽菌亚纲细菌,肠杆菌科减少。


微生物群成分转换是结肠微环境生理和代谢变化的结果,这些改变似乎可使肿瘤相关共生菌增多,肠杆菌减少,这可能与CRC发病机制相关。一些肿瘤相关细菌能够产生丁酸,丁酸既能诱导细胞周期捕获、增加癌细胞凋亡,同时也是肿瘤性结肠细胞的能量来源。


动物模型中微生物与CRC的关系


采用动物模型研究肠道微生物在CRC发生中作用的研究很多。AOM DSS诱导CRC小鼠模型中,肠道微生物群特征是富含多形拟杆菌属、Odoribacter杆菌属和Akkermansia菌属的操作分类单元(OTUs),而普雷沃氏菌科和紫单胞菌科的OTUs减少,动物模型经抗菌素治疗后肿瘤大小和数量明显减少,暗示微生物群变化直接影响肿瘤生成。


与传统饲养小鼠相反,无菌GPX-DKO小鼠和IL-10缺陷(IL10?/?)小鼠经AOM处理后并无肿瘤发生。ApcMin/+ 小鼠结肠癌模型中,无菌能减少肿瘤负荷,而脆弱类杆菌和具核梭杆菌的定殖增加癌症发生,这些为细菌影响癌症发生提供了体内证据。


NOD2是胞浆模式识别受体,与人类克隆病有关。NOD2?/? 小鼠微生物群异常时有助于结肠炎和结肠炎相关癌症(CAC)发生。抗菌素治疗或抗IL-6受体中和抗体治疗后NOD2?/?小鼠患病风险下降。无菌野生型(WT)小鼠转入异常微生物群后导致结肠炎和CAC,NOD2?/? 小鼠植入WT小鼠正常微生物群能减少疾病风险。这说明肠道微生物在炎症和癌症中的作用,影响微生物群可能提供治疗CRC和其它人类肠道疾病的方法。


细菌的驱动—过客模式


结肠肿瘤发生时不同的细菌种群具有不同功能,因此提出了导致CRC的细菌驱动-过客模式。驱动细菌指的是具有致癌特征的肠道细菌,它们能启动CRC发生。例如一种特殊的大肠埃希菌菌株的致癌特征是拥有基因毒大肠杆菌素,该毒素能诱导单链DNA断链,增加受感染细胞突变率。另一个CRC的驱动细菌是在ETBF诱导的结肠炎和癌症小鼠模型中发现的,该模型中ETBF增加肿瘤发生,可能通过诱导持续TH17型炎症反应,产生DNA损害和遗传学不稳定性。人类潜在致病菌肠杆菌如志贺氏菌,健康个体中少见,但在腺瘤非恶性结肠粘膜中增多,这些均支持细菌的驱动作用。


肠道过客细菌在健康结肠中定殖相对较少,但这些细菌在肿瘤微环境中具有竞争优势,超越CRC驱动细菌。例如肿瘤微环境中病变结肠壁结构可能导致基底膜胶原纤维暴露,利于细菌如牛链球菌侵入,也就是说普通人群中牛链球菌的流行低于结肠腺瘤和CRC患者,提示这些微生物代表过客细菌。另一个潜在过客细菌是梭杆菌,该菌在肿瘤标本中增多,虽然还不清楚它在CRC发生发展中的作用,但支持梭杆菌作为过客细菌的说法。


当然驱动-过客模型并不能排除过客细菌是肿瘤进展元凶,甚至它们可能与晚期疾病有关。不过CRC患者肠道固有微生物构成对结肠癌的发生发展作用可能超过了肿瘤微生物群的作用。随着对微生物群转换的理解不断增加,应该能鉴定出结肠癌的驱动细菌,为结肠癌早期诊断和新预防策略提供依据。


治疗作用


鉴于微生物与宿主相互作用有助于肿瘤发生,有几种策略可用于CRC预防。细菌诱导ROS导致的DNA损害可能是肿瘤预防的靶点,抑制多胺代谢能减少ETBF和ApcMin/+ 模型的肿瘤生成和增殖。


肠道微生物事关抗肿瘤治疗的另一个机制是其发酵产品丁酸,它是一种短链脂肪酸(SCFA),在微生物发酵过程中由未消化的碳水化合物如纤维产生,在体外它可以启动生长捕获和结肠上皮细胞凋亡。SFCA不仅有抗肿瘤功能,而且还有抗炎作用和靶向G蛋白耦联受体43(GPR43)。


几项研究发现肿瘤患者微生物构成的重要性在于对化疗或免疫节点阻滞治疗的治疗反应。Sivan和Vétizou研究证实肠道微生物群构成能影响肿瘤免疫治疗反应,主要机制是树突细胞活化扩增和抗肿瘤T细胞反应。患者抗肿瘤免疫具有异质性,鉴别用于预测治疗反应的细菌标志并将其对免疫治疗反应获益最大化,是现在研究领域的热点。


微生物通过不同机制促进癌症发生,例如毒性代谢产物和基因毒的合成,这些为CRC治疗提供了新思路。产大肠杆菌素的大肠埃希菌是CRCs最常见定殖菌,ClbP酶参与大肠杆菌素合成,最近一项研究中二种含亚硼酸的复合物能通过与ClbP酶活性位点结合抑制DNA损害和含pks细菌诱导的肿瘤发生。该研究不但证实产大肠杆菌素的大肠埃希菌在结肠肿瘤发生中的作用,还提供了靶向pks细菌的新型抑制剂用于CRC治疗。


乳酸菌及其它一些饮食因素如纤维和十字花科蔬菜,与人类CRC发生负相关。突变原性复合物如杂环胺(HCAs),产乳酸菌通过与其结合预防HCA诱导的DNA损害。这种特殊细菌通常存在于发酵奶制品中,可以直接摄取或是食用寡聚糖(益生元)来增加乳酸菌数量,寡聚糖是乳酸菌和双歧杆菌的底物。还有二种益生元如乳果糖和菊粉也能减少致癌物诱导的DNA损害。


通过益生菌和益生元的调整可能会影响免疫系统和微生物间的相互作用。临床前模型证据显示使用益生菌能阻止CRC,主要通过抗肿瘤和抗增殖作用,减少畸变的隐窝病灶,增加SFCA形成,下调炎症因子,抑制致病原和致癌微生物,免疫刺激,降低致癌酶活性来达成。


结语


动物模型中,环境和饮食因素,包括肠道微生物,似乎都在CRC的早期形成中起到重要作用。虽然结肠微生物和启动肠道肿瘤发生的直接关系并没有得到确证,但大量证据证实基因毒细菌的优势选择可能在CRC发生发展中起到很重要的作用。


微生物构成和功能改变可能是对微环境变化的适应性反应,但可能因此有助于CRC发生。生态失调和CRC间的因果关系使微生物基因可能成为CRC潜在标志。随着对CRC中细菌构成转换的理解不断增加,通过对肠道微生物群和微生物-宿主的相互作用的调整,会促进新的治疗和预防策略产生。


链接:

/pmc/articles/PMC5076480/

 


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