腸道菌群在結(jié)直腸腫瘤外科中的研究進(jìn)展

2022腸道菌群在結(jié)直腸腫瘤外科中的研究進(jìn)展(全文)摘要腸道菌群與結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，涉及多種機(jī)制，如慢性炎癥、免疫調(diào)節(jié)、膳食成分代謝及基因毒素產(chǎn)生導(dǎo)致的DNA損傷等。近年來研究發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸腫瘤外科操作如術(shù)前腸道準(zhǔn)備、消化道重建等會擾亂正常腸道菌群構(gòu)成，而腸道菌群失調(diào)又可引發(fā)結(jié)直腸癌術(shù)后并發(fā)癥，影響結(jié)直腸癌治療效果。因此，深入了解腸道微生物群與結(jié)直腸外科之間的相互作用及潛在機(jī)制可為結(jié)直腸癌外科治療提供新策略和理論依據(jù)。許多外科操作和腫瘤放化療都可能改變腸道微生物構(gòu)成，產(chǎn)生局部或全身作用，影響疾病進(jìn)程和治療結(jié)果。隨著宏基因組學(xué)和測序技術(shù)的快速發(fā)展，人們在腸道微生物組成和功能研究方面取得重大進(jìn)展。本文將綜述腸道菌群與結(jié)直腸癌(colorectalcancerCRC)發(fā)生發(fā)展、腸道菌群與術(shù)后并發(fā)癥等方面的研究進(jìn)展。一、腸道菌群與CRC的發(fā)生發(fā)展腸道菌群可影響CRC的易感性。致癌物質(zhì)蘇鐵素在無菌大鼠體內(nèi)不會誘導(dǎo)CRC的發(fā)生，需經(jīng)腸道細(xì)菌來源的糖苷酶介導(dǎo)才能發(fā)揮致癌作用。近年來，越來越多的研究表明腸道菌群變化是CRC發(fā)生發(fā)展中不可或缺的因素。對616名接受結(jié)腸鏡檢者的糞便進(jìn)行宏基因組測序發(fā)現(xiàn)，梭形桿菌屬、擬桿菌門和硬壁菌門的豐度隨著CRC惡性程度不斷升高［1］。與正常組織相比，脆弱桿菌、大腸桿菌、核梭狀桿菌、糞腸球菌、卟琳單胞菌、消化鏈球菌等在CRC組織中豐度顯著升高。腸道菌群對CRC發(fā)生發(fā)展的影響涉及多種機(jī)制，如慢性炎癥、免疫調(diào)節(jié)、膳食成分代謝及基因毒素導(dǎo)致的DNA損傷等。慢性炎癥：慢性炎癥是CRC發(fā)生發(fā)展的危險因素。炎癥性腸病患者進(jìn)展為CRC的概率顯著高于普通人群。腸道菌群結(jié)構(gòu)變化可改變腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)慢性炎癥和腸道腫瘤進(jìn)展。具核梭狀桿菌是CRC組織中最常見的細(xì)菌之一，可通過FadA黏附素與上皮細(xì)胞上的E-黏蛋白結(jié)合激活WNT信號通路，促進(jìn)CRC生長和炎癥反應(yīng)。具核梭桿菌還可選擇性趨化髓源性抑制細(xì)胞和腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞，促進(jìn)腫瘤血管生成，并顯著抑制CD8+T細(xì)胞活性，產(chǎn)生有利于CRC發(fā)生發(fā)展的促炎微環(huán)境［2］。研究表明梭形桿菌屬在CRC中高度富集，可以促進(jìn)炎性細(xì)胞因子IL-6、IL-8、IL-12、IL-1P及TNF-a的表達(dá)，其豐度與局部炎癥顯著正相關(guān)［3］。與具核梭狀桿菌類似，腸毒素脆弱類桿菌也可促進(jìn)CRC發(fā)生發(fā)展，它產(chǎn)生的脆弱擬桿菌毒素可活化NF-kB，促進(jìn)結(jié)腸上皮細(xì)胞分泌促炎性細(xì)胞因子引起腸道炎癥［4］。病理學(xué)研究表明，在腸毒素脆弱類桿菌定植的結(jié)腸中有明顯的上皮過度增殖和炎性浸潤現(xiàn)象。腸毒素脆弱類桿菌還可特異性激活STAT3，誘導(dǎo)Th17炎癥浸潤，促進(jìn)小鼠CRC發(fā)生發(fā)展。相反，不產(chǎn)生腸毒素的脆弱類桿菌不能激活結(jié)腸上皮細(xì)胞的STAT3和Th17黏膜免疫應(yīng)答，也不能促進(jìn)小鼠CRC發(fā)生發(fā)展［5］。大腸桿菌與腸道炎癥和CRC發(fā)生發(fā)展也密切相關(guān)。在異種移植小鼠體內(nèi)，含有pks基因島序列（pks+）的大腸桿菌可募集大量炎癥細(xì)胞，誘導(dǎo)炎癥和活性氧的產(chǎn)生［6］。因此，腸道菌群的失衡會在局部或者全身引起炎癥反應(yīng)，影響CRC發(fā)生發(fā)展。免疫異常：微生物病原相關(guān)分子模式可被模式識別受體識別，如Toll樣受體和Nod樣受體等，這是宿主和微生物群之間的主要交互模式。異常的模式識別受體-微生物群交互在CRC發(fā)生發(fā)展中起重要作用。厭氧鏈球菌可以與結(jié)腸細(xì)胞的TLR2和TLR4相互作用，介導(dǎo)宿主細(xì)胞產(chǎn)生活性氧，促進(jìn)膽固醇合成，加劇結(jié)腸上皮細(xì)胞不典型增生［7］。具核梭狀芽孢桿菌可激活TLR4信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，活化核因子NF-kB，增加miR-21表達(dá)，促進(jìn)CRC細(xì)胞增殖和侵襲能力［8］。與TLR相似，NLR也與炎性腸病和CRC發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。NLR家族成員Nlrp6可通過腸道微生物群抑制炎性腸病相關(guān)癌癥發(fā)展。與野生型小鼠相比，化學(xué)致癌物質(zhì)更容易使Nlrp6缺陷小鼠發(fā)生結(jié)腸炎以及CRC［9］oNLR家族另一成員Nodi缺乏會誘導(dǎo)小鼠腸道上皮損傷和通透性增加，導(dǎo)致細(xì)菌易位和炎癥反應(yīng)，增加腫瘤易感性；Nodi還可通過促進(jìn)IFN-y的表達(dá)抑制腫瘤發(fā)展［10］。上述研究提示腸道細(xì)菌既可通過多種方式激活宿主先天免疫系統(tǒng)，包括NF-KB抗凋亡通路、趨化炎癥細(xì)胞因子等促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展；也可損傷腸上皮細(xì)胞，促進(jìn)腫瘤發(fā)生。飲食代謝：研究發(fā)現(xiàn)，小鼠多代高脂飲食可導(dǎo)致腸道菌群多樣性喪失，并且該變化無法通過飲食改變而恢復(fù)［11］。富含飽和脂肪的飲食增加膽汁酸產(chǎn)生，經(jīng)腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)生石膽酸和脫氧膽酸，脫氧膽酸和石膽酸均可促進(jìn)炎癥和CRC的進(jìn)展。此外，紅肉里的血紅素可經(jīng)腸道細(xì)菌代謝為毒性血紅素因子，導(dǎo)致腸上皮受損，使上皮細(xì)胞代償性過度增殖，促進(jìn)CRC發(fā)生［12］。膳食纖維攝入會降低罹患CRC的風(fēng)險。細(xì)菌在結(jié)腸中發(fā)酵纖維，引起糞便重量增加和腸道運輸時間縮短，加速有毒物質(zhì)排泄。另外，膳食纖維在結(jié)腸中被酶水解，產(chǎn)生短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等。短鏈脂肪酸具有保持腸道菌群穩(wěn)定，抑制癌細(xì)胞的增殖和促進(jìn)細(xì)胞凋亡的作用。高纖維飲食還可促進(jìn)有益菌群結(jié)合腸內(nèi)膽汁酸并降低致癌次級膽汁酸水平［13］。這些結(jié)果也從側(cè)面提示，西方飲食習(xí)慣很大程度上導(dǎo)致當(dāng)前全球CRC發(fā)病。基因毒素：腸道菌群可損傷DNA，影響基因組穩(wěn)定性，促進(jìn)CRC發(fā)生發(fā)展。pks+大腸桿菌編碼產(chǎn)生的基因毒素colibactin會誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂，激活DNA損傷信號級聯(lián)反應(yīng)，增加染色體不穩(wěn)定和基因突變頻率。在小鼠體內(nèi)靶向colibactin可抑制腫瘤［14］°pks+大腸桿菌還能與腸毒素脆弱類桿菌產(chǎn)生協(xié)同作用，增加小鼠患CRC風(fēng)險。具體機(jī)制是腸毒素脆弱類桿菌促進(jìn)黏液降解，誘導(dǎo)pks+大腸桿菌在黏膜定植，導(dǎo)致colibactin對結(jié)腸上皮細(xì)胞DNA損傷增加［15］。Tjalsma提出腸道菌群通過DNA損傷促進(jìn)腫瘤發(fā)生發(fā)展的微生物生態(tài)動力學(xué)模型，即driver-passenger模型：腸道中具有致癌特性的驅(qū)動細(xì)菌驅(qū)動上皮DNA損傷，誘發(fā)CRC的產(chǎn)生。隨后，腫瘤進(jìn)展可改變局部微環(huán)境，影響腸道菌群的平衡，有利于機(jī)會細(xì)菌增殖。最后，機(jī)會細(xì)菌在腫瘤微環(huán)境中具有生長優(yōu)勢，取代驅(qū)動細(xì)菌，導(dǎo)致CRC進(jìn)一步發(fā)展［16］。二、腸道菌群與術(shù)后并發(fā)癥外科手術(shù)切除病變腸段會導(dǎo)致應(yīng)激代謝，破壞微生物定植的上皮屏障。術(shù)前機(jī)械腸道清理和手術(shù)打擊都會打破微生物與宿主之間微妙平衡，引起術(shù)后并發(fā)癥，如感染、腸梗阻、吻合漏等。感染：在動物實驗中，手術(shù)切除部分結(jié)腸可導(dǎo)致腸道菌群組成發(fā)生顯著變化，例如，變形桿菌豐度可增加2倍，腸球菌豐度可增加5倍［17］。腸球菌是導(dǎo)致醫(yī)院獲得性感染、血液感染、尿道感染、手術(shù)傷感染及其他部位感染的主要原因。臨床研究發(fā)現(xiàn)CRC手術(shù)后可引起腸道菌群失調(diào)，損害腸屏障功能，導(dǎo)致細(xì)菌移位，增加術(shù)后感染并發(fā)癥［18］。循環(huán)免疫細(xì)胞，特別是嗜中性粒細(xì)胞，可充當(dāng)媒介物將腸道來源的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌攜帶到手術(shù)傷部位，引起手術(shù)位點感染［19］。已有多項研究報道使用益生菌可以減少外科手術(shù)和重癥患者感染并發(fā)癥。根據(jù)手術(shù)類型分析發(fā)現(xiàn)，益生菌可使結(jié)直腸術(shù)后敗血癥風(fēng)險降低35%，肝胰膽管術(shù)后敗血癥風(fēng)險降低73%［20］。腸梗阻：胃腸蠕動障礙引起術(shù)后消化吸收不良甚至腸梗阻。腸道菌群對胃腸運動改變起著重要作用。巨噬細(xì)胞在調(diào)節(jié)腸道蠕動和術(shù)后腸梗阻中發(fā)揮著重要作用。腸道菌群可激活腸道巨噬細(xì)胞，產(chǎn)生一氧化氮合酶，抑制腸道蠕動發(fā)生腸梗阻，經(jīng)抗生素治療后可顯著降低腸梗阻的發(fā)生，改善術(shù)后腸梗阻情況［21］。研究表明腸道菌群的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸可促進(jìn)腸嗜鉻細(xì)胞分泌5-羥色胺，增加腸蠕動［22］。相反，術(shù)前補(bǔ)充乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌可促進(jìn)結(jié)直腸癌患者術(shù)后腸道功能恢復(fù)，縮短住院時間［23］。吻合漏：腸道微生物與吻合愈合密切相關(guān)。利用輻射暴露后的大鼠建立吻合漏動物模型，術(shù)后腸內(nèi)接種放療后常見的定植菌——銅綠假單胞菌。與單獨的輻射組相比，銅綠假單胞菌定植組吻合漏的發(fā)生率顯著升高。吻合漏組銅綠假單胞菌高表達(dá)綠膿毒素，具有更強(qiáng)的膠原酶活性、更高的群體運動性和組織破壞性［24］。糞腸球菌有較強(qiáng)的膠原酶活性，并能激活宿主基質(zhì)金屬蛋白酶9的活性，降解包括膠原蛋白在內(nèi)的細(xì)胞外基質(zhì)的成分，還可觸發(fā)其他炎癥信號，最終使吻合愈合過程中平衡失調(diào)導(dǎo)致漏的發(fā)生［25］。由此可見，腸道菌群主要是通過消耗吻合處膠原蛋白促進(jìn)吻合漏的發(fā)生。與術(shù)前不進(jìn)行腸道準(zhǔn)備相比，腸道準(zhǔn)備聯(lián)合抗生素可顯著降低切手術(shù)部位感染、吻合漏和出院再入院的發(fā)生率［26］。三、總結(jié)與展望腸道菌群可通過多種機(jī)制參與CRC的發(fā)生，CRC進(jìn)展也會改變腸道菌群組成，兩者之間存在雙向關(guān)系