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编译：yuan，编辑：十九、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 导读结直肠癌(CRC)约占全球所有新发癌症病例的10%。肠道微生物群位于结直肠上皮附近，由大量微生物组成，可以与宿主细胞相互作用来调控多种生理过程，如能量获取、代谢和免疫应答等。测序研究揭示了CRC患者的微生物组成和生态变化，而动物模型的功能研究则明确了几种细菌在结直肠癌发生中发挥的作用，包括Fusobacterium nucleatum以及Escherichia coli和Bacteroides fragilis的部分菌株。这些发现为人们利用肠道微生物群知识进行临床应用提供了新的机会，如将肠道微生物群分析作为筛查、预后或预测生物标志物，或通过调节肠道菌群来预防癌症、增强治疗和减少治疗的不良反应。本文旨在综述和讨论结直肠肿瘤形成中肠道微生物群的相关研究成果，包括微生物群相关的致癌机制、微生物群作为CRC生物标志物的潜力以及调节菌群用于CRC预防或治疗的前景。这些科学发现将为临床上应用肠道微生物群治疗CRC铺平道路。 原名：Gut microbiota in colorectal cancer: mechanisms of action and clinical applications期刊：Nature Reviews | Gastroenterology & Hepatology结直肠癌(CRC)是最常见的癌症之一，并在全球造成重大的疾病负担。2018年，在全球所有癌症中，CRC发病率排名第三(新发病例超过180万例)，死亡率排名第二(死亡超过86万例)。与许多疾病一样，大肠内肿瘤的形成受各种遗传和环境因素影响的。尽管据报道CRC具有遗传易感综合征，如Lynch综合征、家族性腺瘤性息肉病和Peutz-Jeghers综合征，但他们只占CRC病例中的少数。根据双胞胎和家庭研究的证据估计CRC的遗传率仅为12-35%。这种相对较低的CRC遗传力水平反映了环境的重要性，环境在引起散发性CRC中起着更大的作用。在环境因素中，微生物在癌症生物学中的作用越来越受到重视。据估计，2012年的新发癌症病例的15%以上有传染性病原体的因素，包括绝大多数的胃癌(幽门螺杆菌)、肝癌(乙型和丙型肝炎病毒)和宫颈癌(人乳头瘤病毒)。虽然已经研究了特定感染因子的致癌机制，研究者也开始调查肿瘤环境中的微生物群落的集体作用。这种微生物群已经成为一些癌症的重要环境因素，包括结直肠、肝脏、胆道，甚至乳房癌症。结直肠大约有3×1013细菌，它们可以与肠上皮细胞之间相互作用。这些微生物对胃肠道生理非常重要，例如能量获取和免疫成熟，它们的相对丰度变化会改变机体平衡，导致肠道和肠道外疾病。虽然很多情况都会出现肠道微生物群的波动，包括心血管疾病、代谢性疾病、神经精神疾病和其他消化疾病(如炎症性肠病和艰难梭状芽胞杆菌感染)，但是近5年来，肠道微生物群波动在结直肠癌发生中的作用备受关注。在这篇综述中，作者利用动物和人类研究的证据，总结了肠道微生物群和CRC之间的关系，并探讨了其临床应用的潜力。并强调将实验研究中获得的机制知识转化为临床中的应用。动物研究的早期证据支持微生物在CRC发展中的作用。早在20世纪60年代，人们就在无菌和常规啮齿动物模型中使用致癌物研究肠道微生物群对CRC易感性的影响。1967年发表的一项早期研究表明，肠内微生物群在调节苏铁素对常规鼠的致癌作用方面起着关键作用，而苏铁素对无菌鼠没有致癌作用。在另一项实验中，用致癌物1,2-二甲肼处理无菌鼠和常规鼠，常规鼠有93%患上了结肠肿瘤，而无菌鼠只有21%。随后的研究表明，肠道微生物群(包括Escherichia、Enterococcus、Bacteroides 和 Clostridium的特定菌)可通过增加1,2-二甲肼诱导的异常隐窝病灶而促进结直肠癌的发生。此外，将CRC患者的粪便移植到无菌和常规小鼠体内，增强了无菌小鼠的肠细胞增殖，并促进了常规小鼠使用偶氮甲烷诱导结肠肿瘤形成。人类研究通常采用宏基因组方法来研究肠道微生物群在CRC中的作用。这些研究表明，CRC相关的肠道微生物群(在此称为CRC微生物群)与作为对照的健康个体的肠道微生物群不同，具有更高的物种丰富度、较低的潜在保护性物种(如Roseburia)和较高的前致癌性物种(如Bacteroides、Escherichia、Fusobacterium和Porphyromonas)。这些数据为微生物群在致癌作用上的重要性提供了证据，并确定了可能致癌的潜在核心微生物群。目前有大量通过粪便和肠粘膜样本的人体鸟枪法或16S rRNA测序研究来描述CRC微生物群。总的来说，与健康个体的微生物群相比，CRC微生物群表现出一个整体的组成变化(通常称为生态失调)，反映了CRC患者不同的生态微环境。除了特定的细菌(包括Bacteroides fragilis、Escherichia coli、Enterococcus faecalis 和 Streptococcus gallolyticus特定株)在各种关联和机制研究中与CRC独立相关外，人类宏基因组研究发现了与其他细菌的新关联。这些细菌包括Fusobacterium nucleatum以及来自Parvimonas、Peptostreptococcus、Porphyromonas和Prevotella属的细菌，它们在CRC患者的粪便和肿瘤样本中表现出更高的丰度。量化和检测这些细菌相对丰度的变化，形成了利用微生物群作为CRC生物标志物的准则。尽管肠道微生物在地理上存在差异，但多项荟萃分析显示CRC与不同人群的若干细菌之间关联恒定。为了纠正合并互相影响和过度分散微生物群数据带来的批次效应，研究者对526个粪便鸟枪法宏基因组数据集进行了meta分析，确定了CRC中包含7个富集细菌的微生物核心。这个核心包括：B. fragilis, 一种具有与CRC相关的产肠毒素能力的细菌； 四种口腔细菌F. nucleatum、Parvimonas micra、Porphyromonas asaccharolytica 和Prevotella intermedia；还有另外两种细菌，Alistipes finegoldii 和Thermanaerovibrio acidaminovorans。这些富集细菌与CRC缺失菌的共生网络呈负相关，包括一些已被开发作为益生菌的物种，如丁酸盐产生菌Clostridium butyicum和乳酸菌Streptococcus thermophilus，它们已被用于预防抗生素相关的婴儿腹泻。这两种益生菌可以通过单独或拮抗致病菌株来研究其对CRC的潜在益处。2019年发表的两项粪便宏基因组meta分析研究进一步扩大了这一核心的CRC富集菌群。8个地理区域内多达29个核心物种被鉴定为显著富集。除了细菌，肠道微生物群还包括病毒和真菌。CRC环境中这些微生物也已经得到了研究。例如，靶向分子或组织学分析已经在人CRC样本中鉴定出巨细胞病毒、John Cunningham(JC)病毒和人乳头瘤病毒，但不同研究数据间还存在矛盾，一些研究报告CRC与这些病毒呈负相关。在非靶向宏基因组研究中分析了74例CRC和92例健康对照，研究者观察到CRC患者肠内病毒组的22个病毒株(包括巨细胞病毒)发生改变，利用它们可以将病例与对照组区分开来，曲线下面积(AUC)达到0.80。此外，2018年发表的一项研究强调了CRC中噬菌体特征的变化，与癌症相关的病毒组主要由温和噬菌体组成，预测它们将成为细菌-病毒群落网的中心。这些研究表明，细菌和病毒之间的跨界联络可能在CRC肿瘤发生中起重要作用。尽管较少，但目前也报道了真菌群落的变化—CRC菌群中Malassezia和其他真菌丰度的增加。这些研究的相关分析表明，CRC可能存在跨界微生物相互作用，包括消化道中几种噬菌体和口腔细菌之间的连通性丧失，以及真菌和细菌之间的相互关系增强。结直肠腺瘤被认为是大多数CRC的前体。由于大多数CRC开始于良性息肉的恶性转化，因此高危的晚期腺瘤是CRC筛查的主要靶点。了解结直肠腺瘤的生物学特性可以为检测以及减少/减缓这些CRC前体进展提供新的策略。结直肠腺瘤既是致癌媒介，也是一种独立的疾病。在此背景下，一些研究调查了结直肠腺瘤患者的肠道微生物群。已有研究报道了结直肠腺瘤肠道微生物群在聚类和多维尺度分析的整体成分变化、生态丰富度更高和微生物株改变，如Fusobacterium丰度的增加。2019年发表的一项研究收集了来自中国616名接受结肠镜检查患者的粪便样本，发现多发性结直肠腺瘤和粘膜内癌病例中微生物群转变明显。阶段特异性分析表明，某些细菌物种丰度如F.nucleatum和Solobacterium moorei随着致癌过程进展表现出进展性增加，而一些物种如Atopobium parvulum和Actinomyces odontolyticus则只在致癌早期阶段丰度增加 (多发性结直肠腺瘤和粘膜内癌患者)。此外，一项调查了不同大小和分期的结直肠腺瘤患者真菌的研究还发现了几种真菌门的丰度变化，如担子菌门(Basidiomycota)。这些丰度变化使它们有可能作为早期腺瘤病变的生物标志物，这是目前基于粪便的隐血检测无法满足的临床需要。结直肠癌的发生是一个复杂的过程，受遗传和环境因素的不同发病机制影响。其中一些与肠道微生物群密切相关的机制已得到全面综述，包括炎症、免疫调节、饮食成分的代谢和基因毒素的产生。在此，作者重点介绍了CRC癌变中特定的微生物相关组分，这些组分可能转化到临床应用中(Fig.1)。胃肠道是肠道微生物群与宿主免疫系统相互作用的重要场所。慢性炎症是典型的CRC风险因素，因为炎症性肠病患者的癌症风险始终高于一般人群。尽管报告的风险水平因研究人群(例如，高危病例与人群队列)、医院环境(例如，三级医院与综合医院)和临床实践(例如，直肠结肠切除术的发生率)而变化，但既往的meta分析总结溃疡性结肠炎患者的30年累积CRC风险为18.4%，克罗恩病患者为8.3%。肠道微生物群与宿主免疫系统相互作用密切，影响胃肠道的炎症过程。将CRC患者的粪便灌胃给无菌的致癌物质喂养的老鼠会导致组织学炎症和炎症基因的表达增加，例如肠道微生物可以诱导趋化因子将T细胞募集到肿瘤(如CXCL9和CXCL10募集细胞毒性T淋巴细胞和1型T辅助(TH1)细胞，CCL17 CCL20 募集产IL-17 TH细胞)。至于单个的细菌种类，据报道F. nucleatum可以激活NF-κB通路并驱动肿瘤骨髓细胞浸润，创造炎性环境有利ApcMin小鼠的结直肠肿瘤进展(CRC常见的小鼠模型)。CRC患者富集的产肠毒素B.fragilis可以通过B.fragilis毒素激活结肠上皮细胞信号传感器和转录激活因子和NF-κB信号传输，触发涉及IL-17的炎症级联反应。这些信号通路反过来诱导ApcMin小鼠体内的CXC趋化因子募集分叶核未成熟骨髓细胞来创造一个促炎环境，特别是在远端结肠。炎症对于其他微生物的促癌活性也很重要，包括CRC富集的基因毒性聚酮合酶(pks)+ E.coli、E. faecalis和A. finegoldii。模式识别受体(PRRs)也可以作为肠道微生物群和宿主免疫系统之间的接口。在识别微生物抗原时，PRRs通过下游的信号分子级联激活肠道免疫系统。其中几个PRRs与动物模型中大肠杆菌相关的致癌作用有关，包括toll样受体(TLRs)、核苷酸结合寡聚物样受体、RIG-I样受体和黑色素瘤样受体的缺失。具体来说，F.nucleatum可以激活TLR4信号，促进小鼠的肿瘤发展，而另一种CRC富集菌Peptostreptococcus anaerobius则可以通过激活TLR2和/或TLR4通路促进小鼠的癌变。 代谢是宿主与微生物相互作用的关键领域。微生物宏基因组编码许多能够代谢膳食营养素的基因，包括不能消化的碳水化合物(如半乳糖和低聚果糖)以及宿主化合物(如胆汁酸)。Doll and Peto早期里程碑式的研究表明大约35%的癌症可归因于饮食因素，最近的一项人口研究估计38.3%的早期CRC病例与不良饮食有关，包括饮食摄入全谷物低、乳制品低和加工肉类高。有证据表明CRC与某些饮食成分有关，如红肉和加工肉类。几种有毒化学物质也已经被报道与致癌相关，包括由微生物代谢产生的亚硝基化合物和硫化氢等前致癌物。根据对小鼠的研究，肠道微生物群还可以通过破坏粘液屏障功能来加剧血红素诱导的上皮细胞增生。短链脂肪酸(SCFAs，如丁酸盐和丙酸盐)是由微生物代谢食物成分产生的一类主要代谢物。摄入不易消化的碳水化合物，如纤维和抗性淀粉，通过微生物发酵在结肠产生SCFAs。丁酸盐被认为是一种抗炎分子，可以抑制结肠细胞和免疫细胞中的组蛋白去乙酰化酶，下调促炎细胞因子，诱导CRC细胞系凋亡。此外，丁酸盐和丙酸盐已被证明可以在动物模型中调控结肠调节性T细胞发挥强大的抗炎作用。SCFAs水平的降低与高CRC风险人群有关，如美国的非洲裔美国人群以及溃疡性结肠炎或晚期结直肠腺瘤人群。尽管丁酸盐常被认为是一种肿瘤抑制代谢物，但有报道称其也有促进卵黄上皮细胞异常增殖的作用。这一明显的矛盾可能是由于它对不同的宿主遗传背景、局部代谢环境的异质性影响(例如，Warburg效应)，以及其他相互作用的代谢物的存在。胆汁酸是与饮食和肠道微生物群密切相关的另一类代谢物。它们是由肝脏合成的类固醇酸，经肠内细菌代谢成次级形式。次级胆汁酸，包括脱氧胆酸，在高脂肪饮食人群的结肠中增加，与CRC高风险相关。在一项研究中，在行分流手术使大鼠结肠暴露在更多胆汁酸的情况下，接受致癌物质偶氮甲烷暴露后大鼠的结肠肿瘤数量增加。这些数据为胆汁酸可能促进结肠肿瘤形成这一概念提供了支持。此外，脱氧胆酸已被证明可在体内诱导DNA氧化损伤并促进肿瘤形成。由于宏基因组的功能，肠道微生物群还会产生许多对我们的生理很重要的其他代谢物。这些代谢物各自在CRC中的作用已在其他地方进行了综述。重要的是，这些代谢物可以独立调控或通过操纵微生物群，影响CRC的风险和发展。另一个与微生物群有关的致癌机制是产生具有DNA损伤效果(基因毒性)的毒素。细胞膨胀毒素(CDT)和大肠杆菌素是由细菌产生的两种典型的基因毒素。CDT由肠致病菌(如Escherichia和Campylobacter spp.)产生，通过其脱氧核糖核酸酶活性诱导双链DNA断裂而致癌。在CRC小鼠模型中，CDT缺乏毒株致癌潜力减弱。大肠杆菌素是由肠杆菌科产生，也可以诱导DNA链断裂。此外，E. faecalis产生的B. fragilis 毒素和活性氧均与体外DNA损伤和基因组不稳定性有关。这些毒素的结合或失活可能具有CRC治疗或预防的意义，因为在小鼠模型中，作为针对可粘菌蛋白产生的小分子抑制剂被证明可以减少肿瘤负担。虽然深入探讨CRC机理已经超出了这篇综述的范围，作者还是总结了与临床相关性更强的结直肠癌发生相关的微生物方面的内容。了解CRC微生物群的宏基因组结构将有助于选择有用的生物标志物，而认识微生物群相关的机制将有助于确定癌症预防和治疗的有用靶点。在此背景下，了解不同微生物因素在驾驶员-乘客致癌模型中的位置也很重要，直接致癌细菌(司机)和肿瘤微环境中的机会性细菌(乘客)可用于癌症诊断、预防和治疗的不同目的。了解每一种细菌的独特生态位，将有助于设计出一种逻辑化策略将这些发现转化为临床应用。
Fig.1大肠癌发病的微生物相关机制。
肠道菌群可以通过多种机制影响结直肠癌的发生，包括微生物源性因素，如代谢物或基因毒素。此外，一些细菌可以直接成为前致癌物(驱动细菌)或作为条件微生物(乘客细菌)在肿瘤相关微环境中增殖。宿主-微生物相互作用促进原癌信号通路的激活，最终导致大肠癌进展的分子变化。在结直肠癌的治疗或预防中，这些机制成分有可能被调节。 BFT, 脆弱类杆菌毒素; CAM, 细胞黏附分子; FadA, 梭菌属黏附素A; IFN, 干扰素; LPS, 脂多糖; MAMP, 细菌相关分子模式; NF-κB, 核转录因子-κB; PRR, 模式识别受体; STAT3, 信号转换器和转录激活剂3; TLR4, Toll样受体4。 肠道微生物群的一个新兴应用是作为生物标志物。生物标志物是疾病存在或严重程度的指示器。有大量证据表明，一般风险人群筛查可以降低CRC发病率和死亡率，因此，一种准确的、非侵入性的筛查试验可以大大减轻CRC的全球健康负担。此外，有几项研究报告了细菌标志物与治疗效果或临床结果之间的关系，增加了使用这些标志物进行预测和预后的潜力。肠道微生物群的分析是潜在生物标志物的丰富来源。在本节中，我们将讨论微生物相关的生物标志物在CRC筛选和预后中的潜在应用。我们将在最后一节讨论它们作为预测标志和治疗调节的用途。粪便标志物检测CRC。人们需要准确的生物标志物来筛查CRC，尤其是早期CRC，因为早期CRC治疗可以获得良好的临床结果。例如，局限性CRC的5年生存率为90%，而远处转移性的5年生存率为14%。目前的粪便免疫化学检测(FIT)对CRC的敏感性为79%，对晚期结直肠腺瘤的敏感性为25-27%。虽然多靶点粪便DNA检测可能比FIT能检测出更多的癌症(敏感性92.3%)，但仍然受限于晚期腺瘤检测的敏感性(敏感性42.4%)。因此，对CRC和晚期腺瘤进行准确、经济、无创、高敏感性的检测是非常必要的。越来越多的CRC宏基因组数据集为开发用于疾病诊断的粪便微生物标志物提供了丰富的来源(Table1)。已有多项研究利用多种细菌丰度来区分CRC患者和健康个体，其中两项病例对照研究分别用22和34种微生物标记物得到受试者工作特征(ROC)曲线下的面积(AUC)为0.84-0.85。既往香港的一项宏基因组研究中，比较CRC(n=74)和健康个体(n=54)发现20个微生物基因与疾病的存在相关。这组基因标志物可以被削减为两个有效生物标志物(F.nucleatum 的丁酰辅酶A脱氢酶和P. micra的RNA聚合酶亚基β(rpoB))，AUC为0.84。在一项使用贝叶斯方法的研究中，综合6种细菌粪便丰度数据的logistic回归模型区分CRC患者和健康者的AUC为0.80，年龄、种族和BMI加入模型后AUC进一步提高至0.92。此外，考虑到CRC中出现的病毒组和细菌组的宏基因组结构，从这些群落中获得的微生物特征可能被用于筛选CRC的生物标志物。在几种候选细菌中，无论是单独定量还是与其他细菌连用(特别是Clostridium symbiosum, C. hathewayi 和产大肠杆菌素的 clbA+)，F. nucleatum都是一个关键的标志物。F. nucleatum粪便丰度可增强FIT的有效性，比FIT单独检测CRC的灵敏度和特异性更高。例如，增加粪便F. nucleatum丰度来拟合，可以使AUC从0.86增加到0.95。这种方法证明了多靶点测试的优点，其中各个成分可以相互补充以减少癌症病例的遗漏，尽管最好的模式可能会根据准确性、逻辑可行性和分析的简单性来平衡标志物的数量。在2019年发表的一项大规模meta分析研究中对随机森林分类器进行评估，仅用16个物种就能够对大部分数据集实现交叉验证，其AUC >0.8。这一发现为使用有限数量微生物物种或基因的标记物进行基于粪便的准确诊断测试提供了支持。最后，来自地理上不同的宏基因组的meta分析表明，多微生物分类器在全球都适用，并且对技术和地理上的差异具有很强的适应性。
Table 1 肠道微生物群生物标记物用于结直肠癌筛查
评价原始数据和已报道的用于结直肠癌(CRC)筛选的粪便微生物标记物的性能的研究。粪便标志物单独或联合的表现最好列于表中。AUC，受试者工作特性曲线下面积；CEA，癌胚抗原；FOBT，粪便潜血试验；FIT，粪便免疫化学试验；pks，聚酮合酶；qPCR，定量PCR。 粪便标记物检测腺瘤。研究证实，CRC是由正常粘膜逐渐发展为癌前病变，最后发展为恶性肿瘤。腺瘤是CRC的主要癌前病变，一旦发现，可以通过结肠镜切除来阻止癌变级联反应。因此，检测腺瘤性息肉，尤其是晚期腺瘤，以预防和减少CRC很有必要。目前基于无创的粪便筛选试验(包括FIT和多靶点粪便试验)，结直肠腺瘤检测的敏感性较低。在一项研究中使用贝叶斯方法评估模型标志物，五个粪便细菌标志物丰度数据结合临床参数可以较好区分结直肠腺瘤患者和健康对照(AUC=0.90)，结直肠腺瘤验后概率增加了4.5倍。这些发现提示了利用微生物组成数据诊断结直肠腺瘤的可能性。然而，一项粪便宏基因组的meta分析研究显示，从健康对照组中预测腺瘤患者的AUC值较低(最大AUC 0.58)。F.nucleatum作为一种特异性菌株，在多项研究中均被发现在结直肠腺瘤中富集，尽管其丰度差异的幅度小于CRC患者和健康人之间的差异。粪便样本中F.nucleatum的定量或者和其他微生物标记/FIT联合使用已被证明可以将结直肠腺瘤患者与健康人区分开来，尽管腺瘤病例与对照之间的差异没有那么明显。其他微生物相关生物标志物。研究人员还在粪便样本之外寻找生物标志物。几项研究报告了CRC与口腔微生物群(如Streptococcus和Prevotella spp.)之间的关系，并提出了用口腔细菌图谱预测CRC的可能性。在一项研究中，研究人员调查了CRC患者、结直肠腺瘤患者和健康个体的口腔微生物菌群，并开发了一种基于口腔微生物菌群的分类器，将这些病例与健康对照组区分开来。这种方法的主要优点是取样方便，使患者的接受度更高而且有利于大规模的全人群筛查。鉴于有多项研究报道了由特定微生物引起的菌血症与随后的CRC诊断之间的关系，检测这些特定细菌或其血液免疫反应可能为检测CRC提供线索。鉴于CRC与S. gallolyticus的密切联系，开发了一项复杂的血清学检测，检测阳性与10年后的CRC诊断相关。此外，评估F. nucleatum血清抗体也可能是CRC检测的一个潜在生物标志物。如前所述，一些微生物代谢产物与CRC相关，使代谢组成为生物标志物发现的丰富库。多项研究发现，CRC患者和粪便健康对照组的SCFAs和胆汁酸水平存在差异，包括CRC患者的乙酸盐升高和丙酸盐、熊去氧胆酸降低。这些代谢物可以作为CRC筛查的“指纹”。然而，由于在这些研究中的个体数量很少(21-46人)、样品准备和分析技术不同，很难在研究之间做出可靠的比较。需要进行更大规模的研究和不同的技术(包括核磁共振、液相色谱或气相色谱质谱或选择性离子流动管质谱)，以评估代谢组分析在临床环境中对CRC筛查的作用。除了具有诊断CRC的潜力外，细菌生物标志物与CRC临床结果之间的联系也增加了其作为预后标志物的可能性。几项分子流行病学研究显示，经定量PCR检测的肿瘤组织中F. nucleatum量与CRC成活率呈反比。与F. nucleatum阴性的病例相比，F. nucleatum低和F. nucleatum高的CRC病例特异性死亡的危险比分别为1.25和1.58。这一发现强调了量化肿瘤组织F. nucleatum作为预后标志物的潜力，重要的是为通过根除这种细菌改善预后和提高生存的可能提供了希望。然而，一些研究表明F. nucleatum与CRC遗传亚型(CpG岛甲基表型高病变)和肿瘤位置(近端癌)有关。这些因素可能会影响预后，在临床应用这些生物标志物之前，有必要进行更多的验证研究。预防措施是减少CRC负担的一项具有吸引力的战略。大规模的流行病学研究已经确定了CRC的几个容易改变的危险因素，包括饮食模式、肥胖和其他生活方式因素。美国的两项研究估计，超过一半的CRC可以通过改变这些生活方式因素来预防。此外，一些益生菌也已经被研究用来预防CRC。在这里，作者回顾了这些因素通过调节肠道微生物群降低CRC的风险。饮食是肠道微生物的主要决定因素。不同饮食的人群肠道微生物组成明显不同，这反过来又与CRC风险的不同有关。在一项比较饮食习惯不同的非裔美国人与非洲农村人研究中，调查人员发现非裔美国人体内的Bacteroides含量高于农村人，这与高动物蛋白、高脂肪和低纤维摄入有关。鉴于饮食干预可以显著重塑人体微生物群，研究者对通过饮食干预调节肠道微生物群来影响CRC的发生和进展产生了很大的兴趣。在一项研究中，将非裔美国人饮食转换为高纤维、低脂肪2周，可以改变肠道微生物群，减少结肠组织的炎症和细胞增殖标记物。相反地，让非洲农村居民改吃高脂肪、低纤维的食物，会导致癌症风险的粘膜生物标志物发生显著的反向变化。对单独的膳食成分的研究发现，膳食纤维是影响肠道微生物组成和多样性的重要因素；膳食纤维可以从天然食品中获得，也可以从益生元制剂中得到补充。益生元被定义为可以被宿主微生物有选择地利用来产生健康益处的底物。膳食纤维的干预，包括果聚糖和半乳糖，改变了肠道菌群的组成，增加了Bifidobacterium 和Lactobacillus spp.的丰度，并通过微生物发酵增加了人体粪便的丁酸盐浓度。重要的是，一项无菌小鼠研究已经证明了膳食纤维对大肠肿瘤的抑制作用，其作用机制为微生物依赖型和丁酸盐依赖型。然而，在有结直肠腺瘤病史的患者中进行的纤维补充的临床试验在预防腺瘤复发方面产生了阴性结果。这些结果的差异可能是由于细胞水平SCFAs的异质效应。流行病学研究表明，红肉和加工肉类的摄入与CRC的风险增加有关。一项对13项前瞻性研究结果的系统综述总结出，CRC的风险随着每天多摄入140克红肉和加工肉而线性增加。因此，国际癌症研究机构已将加工肉类列为致癌物(第1类)，而红肉则列为可能致癌物(第2A类)，并建议人们节制食用加工肉类。为了支持这一建议，对素食者长达7.3年的跟踪调查显示素食者CRC风险比非素食者降低了约20%。最后，小鼠模型证明饮食脂肪摄入可以显著影响胃肠道生理，包括肠道微生物群的组成。膳食脂肪可刺激肝脏分泌胆汁酸来促进脂肪乳化，并增加包括脱氧胆酸在内的胆汁酸的肠肝循环，这促进ApcMin小鼠模型中肠道肿瘤的形成。然而，对人类的关联研究显示，饮食脂肪摄入量与CRC之间的关系并不一致。大部分低脂肪饮食干预研究未能证明干预降低了结直肠癌风险，无论是单独还是结合高纤维成分。肥胖是CRC的一个确定的危险因素。流行病学数据显示，肥胖与CRC风险之间存在明显的正相关剂量-反应关系，且BMI超过27kg/m2的肥胖患者与CRC风险呈非线性增加关系。在肥胖和CRC相关的涉及胰岛素或胰岛素样生长因子1信号、脂肪因子、性激素和全身炎症的几个机制中，肠道微生物群通过调节微生物源性促炎症分子和代谢物成为一个重要的参与者。肥胖与肠道微生物多样性减少和组成改变有关。在动物肠道微生物群依赖模式中，饮食引起的肥胖可导致广泛的组蛋白甲基化和乙酰化，其下游转录组模式类似于癌症的进展。由于这些关系，肥胖个体的体重控制可以深刻地改变肠道微生物群。尽管肥胖和CRC正相关，很少有临床研究关注避免体重增加或诱导体重减轻对癌症风险的影响。观察性研究表明，成年期体重增加较少的男性患CRC的风险较低，尽管这种关联在女性身上并不明显。另一项研究观察到肥胖且在减肥手术后体重持续下降的个体与未接受手术的肥胖对照组相比，患与肥胖相关癌症的风险更低，尽管这项研究缺乏评估特定癌症类型风险的能力。报道的结果与观察数据相矛盾，观察数据显示肥胖手术后CRC风险增加或未改变。相反，一项多中心回顾性队列研究比较22198名接受过减肥手术的患者和66427匹配的非手术个体，发现减肥手术患者的肥胖相关癌症(包括结肠癌，但不包括直肠癌)的风险较低。2018年发表的一篇评论讨论了减肥手术对CRC风险的可变影响。益生菌是活的微生物，当摄入足量时对健康有益。益生菌的概念已经存在了一个多世纪，人们对这些微生物的抗癌活性进行了研究，并提出了不同的潜在免疫机制。对于CRC，包括Bifidobacterium和Lactobacillus spp.在内的几种细菌在临床前研究中通过不同的机制显示出了抗癌特性，如抑制细胞增殖、诱导癌细胞凋亡、调节宿主免疫、灭活致癌物毒素和产生抗癌化合物。很少有临床试验评估益生菌对人类CRC的疗效。口服Lactobacillus casei可降低接受过手术切除患者的肿瘤中级或高级发育异常发生率，但不能降低肿瘤的总数量。此外，包括益生元菊粉和益生菌Lactobacillus rhamnosus GG 和 Bifidobacterium lactis Bb12 的合生元干预诱导了结肠息肉史患者的粪便微生物群变化(增加Bifidobacterium和Lactobacillus并减少Clostridium perfringens)，细胞增殖减少和上皮屏障功能改善。随后在20名志愿者中进行的由抗性淀粉和B. lactis组成的合生元干预未能重现细胞增殖或其他生理标记的变化，尽管患者的粪便菌群发生了变化，Lachnospiraceae sp .比例升高。尽管有体外和体内实验数据，但使用益生菌预防CRC的直接证据仅仅是初步的。更多的临床试验将有助于确定益生菌在CRC预防中的临床效用。除了在致癌和肿瘤进展中的作用外，越来越多的证据表明肠道微生物群介导了化疗和免疫治疗的疗效和毒性。这使得肠道微生物群可以作为生物标志物来预测治疗反应或不良反应，同时也可以通过调节以改善患者癌症治疗和预后。虽然仍处于发展阶段，但一些研究已经为使用新颖和个性化的方法管理患者提供了见解(Fig.2)。新发现的证据表明，肠道菌群可以通过微生物移位、免疫调节、代谢、酶降解和生态多样性减少等多种机制，调节化疗药物的抗癌作用，包括5-氟尿嘧啶、环磷酰胺、吉西他滨和草酸铂等。在经过抗生素治疗或无菌处理的小鼠中，肿瘤浸润的骨髓源性细胞对治疗反应较差，导致化疗后活性氧产生不足和细胞毒性。肠道菌群在化疗耐药中的作用也被研究，根据实验数据显示 F. nucleatum可以激活自噬，从而产生对奥沙利铂和5-氟尿嘧啶的耐药性。测量F. nucleatum和以它作为治疗目标可以为CRC患者预后预测和治疗提供新的策略。此外，肠道菌群还控制着伊立替康(CPT-11)的代谢和副作用。伊立替康是SN-38的前体药，一种拓扑异构酶抑制剂，常用来治疗CRC。从药理上讲，SN-38被宿主肝酶葡萄糖醛酸化为非活性结合物(SN-38G)。SN-38G通过胆汁排泄到达肠道，肠道细菌β-葡萄糖醛酸酶水解为SN-38，造成肠道损伤和严重腹泻。选择性抑制剂给予可以防止小鼠肠道中SN-38的活化及其伴随的毒性，说明了一种修饰微生物活性以减少化疗药物副作用的方法。免疫治疗是许多癌症的有效治疗方法，已成为癌症治疗的主要支柱。免疫检查点抑制剂可以去除T细胞激活的抑制信号，保证肿瘤反应T细胞能够产生有效的抗肿瘤反应。肠道微生物群是免疫治疗中有效免疫应答所必需的，并可影响针对程序性细胞死亡1 (PD-1) -程序性细胞死亡1配体1 (PD-L1) 轴和细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4 (CTLA-4)轴的免疫检查点抑制剂的应答。特异性细菌与免疫治疗反应呈正相关，包括Akkermansia muciniphila、B. fragilis、Bifidobacterium spp.、Eubacterium limosum、 Faecalibacterium spp.和Alistipes shahii。重要的是，A. shahii灌胃重建了经抗生素处理小鼠对结肠肿瘤的免疫治疗反应。一项研究综合了三项抗PD -1抗体反应的鸟枪法宏基因组数据，观察到免疫治疗反应者中A. muciniphila和Ruminococcus champanellensis的富集，尽管在最初的研究中存在差异。这一发现为检测这些核心细菌作为免疫治疗反应的预测生物标志物提供了可能性。此外，2019年发表的一项研究已经确定了一个由11个菌株组成的联合体，该联合体可以增强免疫检查点抑制剂的作用，以抑制从小鼠结肠腺癌细胞系衍生的皮下肿瘤模型中的肿瘤生长。总的来说，这些结果意味着需要识别一致的微生物信号，这些信号可以预测免疫治疗反应，可以整合到临床试验和未来的病人护理中。肠道微生物群可能与免疫治疗的不良反应有关，如免疫检查点抑制剂相关结肠炎。拟杆菌门的增加与免疫检查点抑制剂相关结肠炎的抵抗力相关，而多胺转运和维生素B生物合成途径中基因的缺乏与大肠杆菌敏感性的增加相关。此外，一项病例报告了两例通过粪便微生物群移植成功治疗的难治性免疫治疗相关结肠炎，分别于53天和78天完成两个剂量后完成肠道微生物变化并彻底解决结肠炎。尽管免疫治疗可能不会像在其他恶性肿瘤中那样在所有CRC亚型中治疗成功，但抗PD-1和抗CTLA-4检查点抑制剂可对微卫星不稳定性高或DNA错配修复缺陷的转移性CRC提供持久的免疫反应。这部分CRC表现出高突变负荷、肿瘤新表位、肿瘤浸润淋巴细胞和免疫检查点上调，使它们有利于PD-1阻断。虽然仍在研究中，但考虑到这些药物在某些CRC患者中的广泛使用，肠道微生物群可用于增强治疗效果和最小化免疫治疗的副作用。采用微生物制剂或它们的产物来预防或缩小肿瘤有巨大的潜力。这些新方法中的许多的临床前数据都很有希望，包括使用抗生素抑制癌症相关细菌(例如，甲硝唑可以缩小Fusobacterium阳性异种移植小鼠的肿瘤体积)、补充共生物质增强癌症治疗(例如Bifidobacteria spp.、A. muciniphila和Bacteroides spp能改善抗肿瘤T细胞反应)、使用小分子抑制剂减少治疗的不良反应(如针对细菌β-葡萄糖醛酸酶来最小化伊立替康产生的毒素)或预防癌症(如针对细菌ClbP酶减少大肠杆菌素)。虽然FMT还没有在CRC患者中验证，但目前正在进行试验其与癌症免疫治疗或化疗相结合的效果。此外，由于CRC中宿主与微生物的相互作用部分是由微生物代谢物介导的，因此化学方法是一种很有前途的治疗策略。这包括可以改变肠道微生物群(益生菌)或微生物群的代谢物(后生物)的食物成分。其他的新方法可能包括生物工程肠道微生物群、益生菌的基因工程合成和传递，或通过细菌素/噬菌体修饰肠道微生物群。更多的研究以评估这些工程产品在CRC背景下的临床应用潜力是必要的。
Fig.2 肠道菌群在结直肠癌中的潜在临床应用。
描述了结直肠癌(CRC)中肠道微生物群的几个潜在临床应用，包括筛查、预后和预测生物标志物的发展，以及针对CRC预防和治疗的微生物群调节。 FMT，粪便菌群移植。 过去十年的广泛研究已经确定了癌症微生物群的重要身份，特别是就位于肠道微生物群所在位置的CRC。肠道微生物群与宿主上皮细胞相互作用密切，在结直肠癌发生中起重要作用。随着研究对致癌机制的阐明，为CRC诊断和管理的新方法探索提供了前所未有的机遇，但也避免不了存在挑战(Table 2)。这些挑战包括在不同人群中验证生物标志物的科学性挑战、确定最佳生物标志物组合和阈值的方法学挑战，以及开发一种方便易接受的CRC筛查试验的技术性挑战。要克服这些挑战，就需要评估不同种族患者的多种生物标志物，从而得出跨人群的最佳诊断算法。此外，还需要研究人员和行业合作伙伴共同努力，将其转化为临床产品。肠道微生物群调节的转化前景更具挑战性(Table 2)。尽管人们对操纵肠道微生物群有着浓厚的兴趣，但目前缺乏最佳方法的共识。虽然一些有益的微生物种类可以作为益生菌使用，但CRC背景下的临床效益和相关微生物菌株仍有待确定。个体间益生菌的粘膜定殖存在巨大的差异，需要开发个性化而非通用方法来修饰微生物。有必要进行微生物活性和临床研究以确定微生物群的稳定性和效用，并制定一个监管框架以管理其作为癌症治疗或预防的一部分。虽然FMT对复发性艰难梭菌的治疗成功激发了人们对这一方法的极大兴趣，但它在其他疾病(包括免疫检查点抑制剂相关性肠炎)中的临床应用还需要更多对照试验的数据支持。还有必要为在其他疾病条件下安全使用FMT建立一个更好的监管框架。最后，虽然抗生素可以用来清除潜在的有害细菌，以加强癌症治疗或预防癌症，但许多抗生素是非特异性的，可能会使肠道生态失调永久化。在这样挑战性前景下，有几个CRC微生物的研究发展方向。首先，必须努力确定需要调整微生物群的患者群体及其临床效益。例如，微生物群调节在预防家族性CRC综合征、散发高危个体、术后CRC病例或一般平均风险人群中有用吗？微生物群干预增强癌症治疗效果或减少治疗副作用的确切临床终点是什么?我们如何比较它们与其他癌症辅助治疗的重要性和益处风险比?要回答这些重要问题，需要精心设计的前瞻性临床试验。第二，需要努力找到最好的干预方法来控制微生物群。益生菌、益生元，抗生素、FMT和其他生活方式的改变(如饮食改变、间歇性禁食或锻炼)在微生物群调节方面的比较?如何比较这些方法的实施性、耐久性、动力学和功效? 在使用这些可能的干预措施之前，需要进行更多的研究以便了解这些科学和技术问题。最后，需要进一步了解致癌机制以及癌症治疗反应。司机细菌和乘客细菌是什么，它们在结直肠癌发生中扮演什么角色?不同微生物的免疫调节机制是什么?未来的研究应采用不同的动物模型和前瞻性纵向临床研究，以进一步了解微生物群在CRC形成、进展及其治疗反应中的作用，并应对个体化用药的挑战。随着这一飞速发展领域的令人兴奋进展，微生物群将成为未来癌症预防和治疗的重要组成部分。
Table 2肠道菌群在结直肠癌临床应用中的挑战及可能的解决方案
CRC, 结直肠癌；IND, 试验性新药。 在过去的几年里，人们已经看到了CRC中肠道微生物群知识的指数增长。关联研究的数量和样本量都有所增加，meta分析汇集了来自不同人群的数据得以在全球范围内描绘CRC微生物群景观。此外，这些研究还提出了功能性研究来探究单个微生物在致癌过程中的作用。总之，这些数据提供了一个前所未有的机会，将微生物群的发现推向临床应用。随着CRC基因组学、代谢组学和免疫学方面的更多突破，微生物群的发现可能会在不久的将来把我们带入肿瘤学的新领域。
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