肠道菌群在结直肠肿瘤外科中的研究进展

肠道菌群在结直肠肿瘤外科中的研究进展摘

要肠道菌群与结直肠癌发生发展密切相关，涉及多种机制，如慢性炎症、免疫调节、膳食成分代谢及基因毒素产生导致的DNA损伤等。近年来研究发现结直肠肿瘤外科操作如术前肠道准备、消化道重建等会扰乱正常肠道菌群构成，而肠道菌群失调又可引发结直肠癌术后并发症，影响结直肠癌治疗效果。因此，深入了解肠道微生物群与结直肠外科之间的相互作用及潜在机制可为结直肠癌外科治疗提供新策略和理论依据。许多外科操作和肿瘤放化疗都可能改变肠道微生物构成，产生局部或全身作用，影响疾病进程和治疗结果。随着宏基因组学和测序技术的快速发展，人们在肠道微生物组成和功能研究方面取得重大进展。本文将综述肠道菌群与结直肠癌（colorectalcancer，CRC）发生发展、肠道菌群与术后并发症等方面的研究进展。一、肠道菌群与CRC的发生发展肠道菌群可影响CRC的易感性。致癌物质苏铁素在无菌大鼠体内不会诱导CRC的发生，需经肠道细菌来源的糖苷酶介导才能发挥致癌作用。近年来，越来越多的研究表明肠道菌群变化是CRC发生发展中不可或缺的因素。对616名接受结肠镜检者的粪便进行宏基因组测序发现，梭形杆菌属、拟杆菌门和硬壁菌门的丰度随着CRC恶性程度不断升高［1］。与正常组织相比，脆弱杆菌、大肠杆菌、核梭状杆菌、粪肠球菌、卟啉单胞菌、消化链球菌等在CRC组织中丰度显著升高。肠道菌群对CRC发生发展的影响涉及多种机制，如慢性炎症、免疫调节、膳食成分代谢及基因毒素导致的DNA损伤等。1.慢性炎症：慢性炎症是CRC发生发展的危险因素。炎症性肠病患者进展为CRC的概率显著高于普通人群。肠道菌群结构变化可改变肠道内稳态，促进慢性炎症和肠道肿瘤进展。具核梭状杆菌是CRC组织中最常见的细菌之一，可通过FadA黏附素与上皮细胞上的E-黏蛋白结合激活WNT信号通路，促进CRC生长和炎症反应。具核梭杆菌还可选择性趋化髓源性抑制细胞和肿瘤相关巨噬细胞，促进肿瘤血管生成，并显著抑制CD8+T细胞活性，产生有利于CRC发生发展的促炎微环境［2］。研究表明梭形杆菌属在CRC中高度富集，可以促进炎性细胞因子IL-6、IL-8、IL-12、IL-1β及TNF-α的表达，其丰度与局部炎症显著正相关［3］。与具核梭状杆菌类似，肠毒素脆弱类杆菌也可促进CRC发生发展，它产生的脆弱拟杆菌毒素可活化NF-κB，促进结肠上皮细胞分泌促炎性细胞因子引起肠道炎症［4］。病理学研究表明，在肠毒素脆弱类杆菌定植的结肠中有明显的上皮过度增殖和炎性浸润现象。肠毒素脆弱类杆菌还可特异性激活STAT3，诱导Th17炎症浸润，促进小鼠CRC发生发展。相反，不产生肠毒素的脆弱类杆菌不能激活结肠上皮细胞的STAT3和Th17黏膜免疫应答，也不能促进小鼠CRC发生发展［5］。大肠杆菌与肠道炎症和CRC发生发展也密切相关。在异种移植小鼠体内，含有pks基因岛序列（pks+）的大肠杆菌可募集大量炎症细胞，诱导炎症和活性氧的产生［6］。因此，肠道菌群的失衡会在局部或者全身引起炎症反应，影响CRC发生发展。2.免疫异常：微生物病原相关分子模式可被模式识别受体识别，如Toll样受体和Nod样受体等，这是宿主和微生物群之间的主要交互模式。异常的模式识别受体-微生物群交互在CRC发生发展中起重要作用。厌氧链球菌可以与结肠细胞的TLR2和TLR4相互作用，介导宿主细胞产生活性氧，促进胆固醇合成，加剧结肠上皮细胞不典型增生［7］。具核梭状芽孢杆菌可激活TLR4信号转导，活化核因子NF-κB，增加miR-21表达，促进CRC细胞增殖和侵袭能力［8］。与TLR相似，NLR也与炎性肠病和CRC发生发展密切相关。NLR家族成员Nlrp6可通过肠道微生物群抑制炎性肠病相关癌症发展。与野生型小鼠相比，化学致癌物质更容易使Nlrp6缺陷小鼠发生结肠炎以及CRC［9］。NLR家族另一成员Nod1缺乏会诱导小鼠肠道上皮损伤和通透性增加，导致细菌易位和炎症反应，增加肿瘤易感性；Nod1还可通过促进IFN-γ的表达抑制肿瘤发展［10］。上述研究提示肠道细菌既可通过多种方式激活宿主先天免疫系统，包括NF-κB抗凋亡通路、趋化炎症细胞因子等促进肿瘤发生发展；也可损伤肠上皮细胞，促进肿瘤发生。3.饮食代谢：研究发现，小鼠多代高脂饮食可导致肠道菌群多样性丧失，并且该变化无法通过饮食改变而恢复［11］。富含饱和脂肪的饮食增加胆汁酸产生，经肠道细菌代谢产生石胆酸和脱氧胆酸，脱氧胆酸和石胆酸均可促进炎症和CRC的进展。此外，红肉里的血红素可经肠道细菌代谢为毒性血红素因子，导致肠上皮受损，使上皮细胞代偿性过度增殖，促进CRC发生［12］。膳食纤维摄入会降低罹患CRC的风险。细菌在结肠中发酵纤维，引起粪便重量增加和肠道运输时间缩短，加速有毒物质排泄。另外，膳食纤维在结肠中被酶水解，产生短链脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等。短链脂肪酸具有保持肠道菌群稳定，抑制癌细胞的增殖和促进细胞凋亡的作用。高纤维饮食还可促进有益菌群结合肠内胆汁酸并降低致癌次级胆汁酸水平［13］。这些结果也从侧面提示，西方饮食习惯很大程度上导致当前全球CRC发病。4.基因毒素：肠道菌群可损伤DNA，影响基因组稳定性，促进CRC发生发展。pks+大肠杆菌编码产生的基因毒素colibactin会诱导DNA双链断裂，激活DNA损伤信号级联反应，增加染色体不稳定和基因突变频率。在小鼠体内靶向colibactin可抑制肿瘤［14］。pks+大肠杆菌还能与肠毒素脆弱类杆菌产生协同作用，增加小鼠患CRC风险。具体机制是肠毒素脆弱类杆菌促进黏液降解，诱导pks+大肠杆菌在黏膜定植，导致colibactin对结肠上皮细胞DNA损伤增加［15］。Tjalsma提出肠道菌群通过DNA损伤促进肿瘤发生发展的微生物生态动力学模型，即driver-passenger模型：肠道中具有致癌特性的驱动细菌驱动上皮DNA损伤，诱发CRC的产生。随后，肿瘤进展可改变局部微环境，影响肠道菌群的平衡，有利于机会细菌增殖。最后，机会细菌在肿瘤微环境中具有生长优势，取代驱动细菌，导致CRC进一步发展［16］。二、肠道菌群与术后并发症外科手术切除病变肠段会导致应激代谢，破坏微生物定植的上皮屏障。术前机械肠道清理和手术打击都会打破微生物与宿主之间微妙平衡，引起术后并发症，如感染、肠梗阻、吻合口漏等。1.感染：在动物实验中，手术切除部分结肠可导致肠道菌群组成发生显著变化，例如，变形杆菌丰度可增加200倍，肠球菌丰度可增加500倍［17］。肠球菌是导致医院获得性感染、血液感染、尿道感染、手术伤口感染及其他部位感染的主要原因。临床研究发现CRC手术后可引起肠道菌群失调，损害肠屏障功能，导致细菌移位，增加术后感染并发症［18］。循环免疫细胞，特别是嗜中性粒细胞，可充当媒介物将肠道来源的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌携带到手术伤口部位，引起手术位点感染［19］。已有多项研究报道使用益生菌可以减少外科手术和重症患者感染并发症。根据手术类型分析发现，益生菌可使结直肠术后败血症风险降低35％，肝胰胆管术后败血症风险降低73％［20］。2.肠梗阻：胃肠蠕动障碍引起术后消化吸收不良甚至肠梗阻。肠道菌群对胃肠运动改变起着重要作用。巨噬细胞在调节肠道蠕动和术后肠梗阻中发挥着重要作用。肠道菌群可激活肠道巨噬细胞，产生一氧化氮合酶，抑制肠道蠕动发生肠梗阻，经抗生素治疗后可显著降低肠梗阻的发生，改善术后肠梗阻情况［21］。研究表明肠道菌群的代谢产物短链脂肪酸可促进肠嗜铬细胞分泌5-羟色胺，增加肠蠕动［22］。相反，术前补充乳酸菌、双歧杆菌等益生菌可促进结直肠癌患者术后肠道功能恢复，缩短住院时间［23］。3.吻合口漏：肠道微生物与吻合口愈合密切相关。利用辐射暴露后的大鼠建立吻合口漏动物模型，术后肠内接种放疗后常见的定植菌——铜绿假单胞菌。与单独的辐射组相比，铜绿假单胞菌定植组吻合口漏的发生率显著升高。吻合口漏组铜绿假单胞菌高表达绿脓毒素，具有更强的胶原酶活性、更高的群体运动性和组织破坏性［24］。粪肠球菌有较强的胶原酶活性，并能激活宿主基质金属蛋白酶9的活性，降解包括胶原蛋白在内的细胞外基质的成分，还可触发其他炎症信号，最终使吻合愈合过程中平衡失调导致漏的发生［25］。由此可见，肠道菌群主要是通过消耗吻合口处胶原蛋白促进吻合口漏的发生。与术前不进行肠道准备相比，肠道准备联合抗生素可显著降低切口手术部位感染、吻合口漏和出院再入院的发生率［26］。三、总结与展望肠道菌群可通过多种机制参与CRC的发生，CRC进展也会改变肠道菌群组成，两者之间存在双向关