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恶性肿瘤与微生物菌群失调的关系

来源:
时间:2020-04-12 05:44
作者:admin666
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摘要:人体皮肤、黏膜及一切与外界相通的腔道中生存着种类繁多且数量庞大的微生物,这些微生物以细菌所占比例最高。定植在人体各部位的微生物菌群,它们相对独立又相互联系,共同构成了人体的微生态系统。正常情况下,人消化道微生物菌群种类和数量保持动态平衡。而当致病菌异常入侵或机会致病菌异常富集时可引起菌群失调。有研究认为,微生物菌群失调与人体代谢性疾病、自身免疫性疾病、认知障碍性疾病等有关。近年研究发现,肠道、肝脏、肾脏等恶性肿瘤的发生、发展也与微生物菌群失调有关。由于口腔、食管、胃、肠道等微生物菌群的种类和数量并不相同,这些部位菌群失调在口腔癌、食管癌、胃癌、肠癌等发生和发展中的作用也不相同。

关键词:微生物;菌群失调;消化系统肿瘤

近年来,我国恶性肿瘤的发病率和病死率持续上升,已成为威胁我国居民健康的主要因素之一。目前,较为明确的与恶性肿瘤相关的因素有遗传因素、免疫因素、内分泌因素等[1],但这些因素并不能阐释清楚恶性肿瘤的病因和发病机制。自然界中广泛存在多种微生物菌群,人的体表和与外界相通的腔道,如呼吸道、消化道,都存在不同种类和数量的微生物菌群。正常情况下,微生物菌群、人体与外界环境之间处于相对平衡状态。不当饮食、各种医疗措施等会打破这种平衡状态,导致微生物菌群失调,继而引起相应疾病或加重病情。因此,人体内微生物菌群失调与疾病的关系成为临床研究的热点,特别是与恶性肿瘤的关系。本文结合文献就人消化系统恶性肿瘤与微生物菌群失调关系的研究进展作一综述。

1人消化道微生物菌群概述

人体皮肤、黏膜及一切与外界相通的腔道中生存着种类繁多且数量庞大的微生物,这些微生物包括细菌、病毒、真菌等,以细菌所占比例最高。定植在人体各部位的微生物菌群,它们相对独立又相互联系,共同构成了人体的微生态系统,并与宿主存在共生关系。人体微生物菌群在调节宿主的免疫激发、能量代谢及消化吸收等方面发挥重要作用。正常情况下,人消化道微生物菌群种类和数量保持动态平衡,但口腔、食管、胃、肠道等微生物菌群的种类和数量并不相同。定植于口腔的微生物主要为细菌。有研究报道,牙菌斑生物膜主要由微生物菌群组成,其中龈上菌斑以革兰阳性链球菌为优势菌,而龈下菌斑以革兰阴性厌氧菌为优势菌。研究证实,口腔微生物菌群失调是口腔癌、食管癌发生的高风险因素[2,3]。远端食管微生物菌群可能由口腔迁入,其菌群结构与口腔类似[4]。但食管微生物菌群的总体多样性减少,以厚壁菌门中的链球菌属、韦荣球菌属、普氏菌属等为主[5]。食管微生物菌群可分为两型:Ⅰ型多分布于正常食管,以革兰阳性需氧菌为主;Ⅱ型多分布于食管炎和Barrett食管,以革兰阴性厌氧菌或微需氧菌为主[6]。人类胃部微生物菌群以厚壁菌门中的链球菌属、韦荣球菌属、梭状芽孢杆菌属、乳酸杆菌属及放线菌门的双歧杆菌属为主。肠道菌群与胃部菌群相似,以厚壁菌门、拟杆菌门为主,但肠道菌群的结构相对丰度和多样性存在明显的个体差异[7]。正常情况下微生物菌群同宿主保持着相互平衡的稳定状态,常驻菌群构成的生物屏障能够通过竞争生态位,防止外来病原菌的定植,而当致病菌异常入侵或机会致病菌异常富集时可引起菌群失调。有研究认为,微生物菌群失调与人体代谢性疾病[8]、自身免疫性疾病[9]、认知障碍性疾病[10]等有关。Laqueur等[11]研究发现,常规饲养的无菌大鼠自发性肿瘤的发生率与正常大鼠相似,但实体肿瘤的发生率明显降低;而应用致癌物质分别刺激常规饲养大鼠和无菌大鼠,常规大鼠在结肠、肾脏和肝脏部位均发生肿瘤,而无论通过口服还是腹腔注射致癌物质的无菌大鼠,各部位均未发生肿瘤。由此推测,肿瘤的发生可能与微生物菌群变化有关。近年研究证实,肠道、肝脏、肾脏等恶性肿瘤的发生、发展均与微生物菌群失调有关[7,12]。

2人消化系统恶性肿瘤与微生物菌群失调的关系

2.1口腔微生物菌群失调与口腔癌、食管癌的关系

2.1.1口腔微生物菌群失调与口腔癌定植于口腔的微生物主要以细菌为主,目前已发现700余种,主要是厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门细菌。正常情况下,这些细菌共生、竞争和拮抗,保持菌群之间的相对平衡及与宿主之间的动态平衡,这种平衡对保持口腔健康是有益的。在某些因素的作用下,这种平衡可被打破,口腔中某些正常微生物可转变成致病微生物,从而导致相关口腔疾病的发生。口腔微生物菌群失调可刺激机体免疫应答,激活NF-κB通路,引起口腔黏膜慢性炎症,造成局部组织细胞基因突变或异常增殖,最终导致口腔癌形成[13]。而口腔癌细胞能够分泌多种细胞因子,这些细胞因子亦能改变口腔微生态,进一步促进口腔微生物菌群失调[7]。因此,口腔微生物菌群失调与口腔癌的发生、发展有关,但其具体机制尚不清楚,仍需要进一步研究。2.1.2口腔微生物菌群失调与食管癌食管鳞癌患者口腔微生物菌群相对丰度发生明显改变,奈瑟菌属、棒杆菌属、布雷德菌属、消化链球菌属和卡氏菌属等相对丰度降低,卟啉单胞菌属、普氏菌属和链球菌属等相对丰度增高[14]。如牙龈卟啉单胞菌能够促进基质金属蛋白酶和牙龈蛋白酶表达,降解细胞外基质,破坏机体免疫球蛋白和补体系统,使食管鳞癌细胞逃避巨噬细胞、中性粒细胞和补体系统的杀伤,从而引起食管鳞癌的发生、发展[15]。Gao等[16]研究发现,牙龈卟啉单胞菌与食管鳞癌组织分化程度、淋巴结转移、TNM分期等密切相关。福赛斯坦纳菌能够黏附于口腔黏膜组织,诱导宿主机体免疫应答,促进肿瘤坏死因子、IL-1β、IL-6等分泌和CD4+T细胞产生,使环氧合酶2(COX-2)过表达,从而抑制肿瘤细胞的程序性死亡,最终使肿瘤细胞继续分裂[17]。奈瑟菌属是口腔中可合成类胡萝卜素的细菌,其相对丰度增加能够延缓食管腺癌的发生、发展[3]。因此,口腔微生物菌群失调可能与食管癌的发生、发展有关。

2.2食管微生物菌群失调与食管癌的关系

食管癌患者食管微生物菌群多样性降低,并且微生物菌群由Ⅰ型转变为Ⅱ型[6]。Kauppila等[18]研究认为,食管微生物菌群失调与脂多糖(LPS)介导的免疫应答和细胞炎症反应有关。LPS可使COX-2和诱导型一氧化氮合酶表达上调,延缓胃排空并促进食管下段括约肌松弛,加速胃食管反流、Barrett食管进程,促进食管癌的发生、发展[19]。同时,LPS还能诱导机体产生促炎症细胞因子、肿瘤坏死因子并激活Toll样受体4,直接或间接激活NF-κB信号通路,导致食管微生物菌群失调与炎症反应的恶性循环[20]。食管微生物菌群失调时放线菌门菌群相对丰度增加,厚壁菌门菌群和拟杆菌门菌群相对丰度降低。放线菌门菌群相对丰度增加能够下调食管组织miR-101-3p表达,促进COX-2表达上调,从而促进食管鳞癌的发生、发展[21]。而念珠菌等条件致病菌相对丰度增加可促进机体特异性表达乙醇代谢酶和乙醛代谢酶,增加食管局部乙醛含量,使食管黏膜暴露于乙醛等致癌物质中,从而诱导食管鳞癌的发生[22]。Yu等[23]研究认为,食管微生物菌群多样性降低和相对丰度改变能够促进食管鳞状细胞不典型增生,可能在食管鳞癌的发生、发展中发挥重要作用。食管腺癌的发病流程通常为胃食管反流-Bar-rett食管-低级别上皮内瘤变-高级别皮内瘤变-食管腺癌[24]。胃食管反流、Barrett食管均为食管腺癌的癌前病变。胃食管反流可导致食管微环境改变,从而引起食管微生物菌群失调,具体表现为厚壁菌门的链球菌属等革兰阳性需氧菌相对丰度减少,梭菌门的梭菌属、拟杆菌门的普氏菌属等革兰阴性厌氧菌或微需氧菌相对丰度增加。如具核梭杆菌通常黏附于食管黏膜上皮,能够与钙黏蛋白结合激活NF-κB信号通路,引起食管黏膜慢性炎症,同时通过抑制性T细胞发挥免疫抑制作用,使肿瘤细胞逃避机体免疫杀伤,促进食管上皮异型增生[25]。因此,具核梭杆菌相对丰度增加与食管腺癌的发生、发展密切相关。Blackett等[26]研究发现,胃食管反流、Barrett食管患者均存在食管微生物菌群失调,其中弯曲杆菌属菌群相对丰度增加,特别是简明弯曲杆菌能够长期定植于食管黏膜,促进炎症因子IL-18表达升高,以时间依赖性方式诱导CDX1表达,从而促进Barrett食管向食管腺癌恶性转化。

2.3胃微生物菌群失调与恶性肿瘤的关系

2.3.1胃微生物菌群失调与食管癌Nasrollahza-deh等[27]研究发现,与健康人群比较,早期食管鳞癌患者胃部微生物菌群的多样性和相对丰度均明显改变,厚壁菌门的梭状芽孢杆菌和丹毒丝菌相对丰度明显增加。慢性萎缩性胃炎患者胃部产亚硝基细菌大量快速生长,产生亚硝酸化合物等致癌物质,促进食管鳞癌的发生、发展。幽门螺旋杆菌感染对食管腺癌的发生究竟起保持作用还是致病作用尚存在争议[28]。一部分学者认为,幽门螺旋杆菌感染能够损伤胃黏膜,破坏胃泌酸细胞,降低胃酸分泌,从而减少了胃酸对食管黏膜的损伤,降低了胃食管反流-Barrett食管-食管腺癌的发生率;也有学者认为,胃部幽门螺旋杆菌感染可导致胃部炎症反应,IL-18等炎症因子释放增多,继而COX-2表达上调,能够促进食管腺癌的发生、发展。因此,幽门螺旋杆菌感染与食管腺癌发生、发展的关系仍需要进一步研究。2.3.2胃微生物菌群失调与胃癌胃癌的发生是环境、遗传、幽门螺旋杆菌感染等多因素共同作用的结果,其中幽门螺旋杆菌感染是胃癌发生的独立危险因素。有研究发现,胃微生物菌群变化亦可能参与胃癌的发生、发展[29]。幽门螺旋杆菌感染患者和胃癌患者胃部厚壁菌门的链球菌和普氏菌相对丰度明显增加。胃部微生物的多样性变化与胃癌易感状态独立相关,胃微生物中卟啉单胞菌属、奈瑟菌属、TM7菌属、虫草菌等减少和毛螺旋菌增多可能是促进胃癌形成的重要因素[23]。胃幽门螺旋杆菌感染与胃微生物菌群之间的相互作用可能与胃癌的发生、发展相关,但其相互作用机制目前仍不完全清楚。

2.4肠道微生物菌群失调与恶性肿瘤的关系

2.4.1肠道微生物菌群失调与结直肠癌与健康人群相比,结直肠癌患者肠道微生物菌群中可维持肠道健康的产丁酸盐细菌相对丰度明显降低,而致病性大肠杆菌、具核梭杆菌和脆弱拟杆菌等相对丰度明显升高[30]。具核梭杆菌、产肠毒素脆弱类杆菌可侵入结直肠癌患者结肠上皮细胞,抑制NK细胞和淋巴细胞的杀伤活性,增强肿瘤细胞的免疫逃逸能力。有研究发现,肠道微生物菌群失调小鼠可出现溃疡性结肠炎向结肠癌演变,而无菌小鼠则未出现此演变过程,其原因可能是肠道微生物菌群失调能够通过髓样分化因子88/Toll样受体信号通路促进炎症反应,而炎症反应与结直肠癌的发生、发展密切相关[31]。因此,肠道微生物菌群失调能够促进结直肠癌的发生、发展。2.4.2肠道微生物菌群失调与肝癌肝脏是肠道微生态的首个下游器官。因此,有学者提出肠-肝轴假说,认为肠-肝轴紊乱在部分肝脏疾病,特别是在肝癌的发生中具有重要作用[32]。肠道微生物菌群失调时,肠道微环境改变,正常肠黏膜屏障被破坏,肠道正常的免疫防御功能降低,从而引起肝星状细胞衰老、内毒素代谢紊乱和胆汁酸代谢紊乱,导致菌群移位、肠源性内毒素血症与细菌代谢产物过量吸收,造成肝细胞大量损伤,促进了肝癌的发生、发展[33]。因此,肝癌的发生、发展与肠道微生物菌群失调有关。LPS是革兰阴性菌细胞壁的组成成分,也是细菌内毒素的主要成分。LPS在肝脏中代谢。肠道微生物菌群失调时肝组织LPS含量增加,可促进机体炎症反应,造成肝细胞损伤,从而诱导肝癌的发生[34]。而肝癌发生后进一步导致肠道微生态失衡,激活Toll样受体4信号调控网络,促进肝癌细胞增殖并抑制其凋亡,导致肝癌恶性进展[35]。综上所述,人消化道微生物菌群失调与口腔癌、食管癌、肝癌、胃癌等发生、发展密切相关,但其具体的作用机制尚不完全清楚,目前的研究多为动物模型或临床小样本横断面研究,今后应充分利用代谢组学、宏基因组学和生物信息学分析技术,深入研究消化系统恶性肿瘤与微生物菌群失调的关系,以期为消化系统恶性肿瘤的治疗提供新的思路。

作者:谭尧 王家林 田鹏 单位:济南大学·山东省医学科学院医学与生命科学学院 山东第一医科大学附属省立医院 山东省肿瘤防治研究院(山东省肿瘤医院) 山东第一医科大学(山东省医学科学院) 山东省胸科医院