陶嫦立 劉功良

(廣東藥科大學(xué)生命科學(xué)與生物制藥學(xué)院/廣東省生物技術(shù)候選藥物研究重點實驗室，廣州 510006)

癌癥通常被認為是獲得性體細胞突變和環(huán)境因素的疾病。最近，腸道微生物群已經(jīng)成為影響宿主病理生理學(xué)的環(huán)境因素。腸道微生物群是一個復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，與其保持互利關(guān)系對人類健康至關(guān)重要[1]。腸道微生物群受多種因素的影響，包括遺傳學(xué)、宿主生理學(xué)(宿主年齡、疾病、壓力等)和環(huán)境因素如生活條件和藥物的使用等。飲食越來越被認為是調(diào)節(jié)胃腸道微生物群組成和代謝功能的關(guān)鍵環(huán)境因素。研究證實補充特定的飲食成分如膳食纖維，是調(diào)節(jié)腸道微生物群的重要途徑[2]。膳食纖維經(jīng)過腸道微生物發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(short chain fatty acid,SCFAs)不僅是腸道微生物本身的重要能量來源，也是結(jié)腸上皮細胞的重要能量來源。此外，SCFAs還具有多種調(diào)節(jié)功能，包括對宿主生理和免疫的調(diào)節(jié)[3,4]，并且也會影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展以及治療[5]。在這篇綜述中，我們描述了腸道微生物群發(fā)酵膳食纖維所產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物SCFAs在腸道免疫調(diào)節(jié)中的作用以及對腫瘤的產(chǎn)生、發(fā)展及治療的影響。

1 SCFAs可由膳食纖維經(jīng)腸道微生物群發(fā)酵產(chǎn)生

SCFAs是由既不被宿主消化也不被吸收的膳食纖維經(jīng)胃腸道中的微生物發(fā)酵產(chǎn)生，包括乙酸鹽，丙酸鹽和丁酸鹽，以及氣體(H2和CO2)；其濃度(可以是20～140 mmol/L)取決于腸內(nèi)微生物群組成、腸轉(zhuǎn)運時間、SCFAs的宿主-微生物群代謝流量以及宿主飲食中的纖維含量[6]。

在SCFAs中，丁酸鹽是結(jié)腸細胞和腸細胞的關(guān)鍵能量來源。丙酸也可通過腸道葡萄糖異生(IGN)轉(zhuǎn)化為葡萄糖而被局部利用或擴散入門靜脈以作為肝糖異生的底物[7]，剩下90%至99%的SCFAs被腸道吸收或被微生物群所利用。然而，少量SCFAs(主要是丙酸鹽和乙酸鹽)可到達血液循環(huán)，直接影響脂肪組織、腦和肝臟[8]。因此，SCFAs可影響胃腸道上皮細胞完整性，葡萄糖體內(nèi)平衡，脂質(zhì)代謝，食欲調(diào)節(jié)和免疫功能。

2 SCFAs調(diào)節(jié)腸道微生物群

腸道微生物對膳食纖維的發(fā)酵取決于纖維的生理生化性質(zhì)和纖維劑量以及宿主腸道微生物群落組成情況。許多分類群中的數(shù)百種腸道微生物擁有碳水化合物的結(jié)合模塊和一套廣泛的酶，包括糖苷水解酶，糖基轉(zhuǎn)移酶，多糖裂解酶和碳水化合物酯酶，可以使多種纖維水解[9]。因此，與缺乏膳食纖維的精制飲食相比，具有各種膳食纖維的飲食擁有更多樣的腸道微生物群落[10]。

SCFAs被腸道吸收或被微生物群利用后，一方面可以促進有益微生物增殖，例如，果聚糖的攝入會導(dǎo)致丁酸鹽濃度增加，然而發(fā)酵果聚糖的主要微生物雙歧桿菌和乳酸桿菌并不直接產(chǎn)生丁酸鹽，而是產(chǎn)生乳酸鹽和乙酸鹽，可能原因是，發(fā)酵果聚糖細菌產(chǎn)生的乳酸鹽和乙酸鹽以能源物質(zhì)被許多其他微生物利用，包括細菌，薔薇屬和糞桿菌等，從而促進了這些細菌的增長及其代謝產(chǎn)物丁酸鹽的增加。即腸道微生物通過利用其他微生物社區(qū)成員的代謝產(chǎn)物，間接刺激社區(qū)內(nèi)其他微生物的增長[11]。因此，SCFAs通過這種交互共生的方式可以改變腸道內(nèi)微生物群結(jié)構(gòu)。另一方面SCFAs通過降低腸道pH 抑制大腸桿菌和沙門氏菌等病原微生物的生長、減少有毒發(fā)酵產(chǎn)物的形成，進而改善腸道微生物群結(jié)構(gòu)[3]。例如正常人類結(jié)腸pH值介于5.5和7.5之間。 利用人糞便樣品來模擬結(jié)腸的體外發(fā)酵實驗顯示，pH從6.5降低至5.5會顯著改變微生物群落，這是由于酸性條件能更好地支持生產(chǎn)丁酸鹽的厚壁菌如羅斯氏菌屬(Roseburia spp)的生長，同時減少酸敏感型擬桿菌屬的增殖[12]。

3 SCFAs調(diào)節(jié)宿主腸道免疫

腸道免疫系統(tǒng)必須始終保持對共生微生物的耐受性和對致病微生物的免疫力之間的微妙平衡。而SCFAs通過作用于腸道上皮細胞和免疫細胞影響炎癥因子釋放、免疫趨化反應(yīng)、抑制免疫效應(yīng)細胞增殖等參與腸道內(nèi)免疫調(diào)節(jié)[1]，影響了促炎和抗炎機制之間的平衡，在腸道抵御致病菌中起重要作用(圖1)。

3.1SCFAs調(diào)節(jié)腸道上皮屏障功能 SCFAs以高濃度水平存在于腸腔中，除了作為結(jié)腸細胞的主要能量之外，SCFAs可誘導(dǎo)腸上皮細胞分泌抗菌肽、黏蛋白，促進腸上皮緊密連接以及促進B細胞分泌IgA至黏液層等作用維持腸道黏膜屏障的完整性[13]。有研究稱[14]，丁酸鹽可增加LL-37和CAP-18等抗菌肽的表達和調(diào)節(jié)細胞因子(CCL20和IL-8)的產(chǎn)生來增強腸上皮細胞的一些免疫監(jiān)視功能。另有研究顯示[15]，補充SCFAs上調(diào)了杯狀細胞中黏蛋白基因的表達，從而分泌更多的黏液蛋白以保持黏膜免疫。另外，SCFAs可促進穩(wěn)態(tài)下腸上皮細胞密連接蛋白的表達，有研究顯示[16]，長雙歧桿菌菌株定殖腸道后產(chǎn)生高水平的乙酸鹽，可以抗腸致病性大腸桿菌O157:H7的感染，表明SCFAs在感染期間或腸屏障破壞后可增強抗微生物反應(yīng)，減少腸道微生物和腸道微生物代謝產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運。最近一項研究顯示[17]，SCFAs直接激活B細胞中的mTOR途徑，導(dǎo)致葡萄糖攝取和糖酵解活性增加，最終導(dǎo)致B細胞分化為分泌抗體的漿細胞，誘導(dǎo)B細胞產(chǎn)生IgA。綜上所述，SCFAs可通過增強腸道上皮細胞屏障功能來維持黏膜免疫。

圖1 SCFAs的產(chǎn)生及其在腸道中的免疫調(diào)節(jié)作用Fig.1 Generation of SCFAs and its immune-modulating effects in intestinal tract

3.2SCFAs與其受體GPCR相互作用介導(dǎo)腸道免疫 SCFAs的許多調(diào)節(jié)效應(yīng)是通過與G 蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor，GPCR)相互作用介導(dǎo)的。包括GPR43(也稱為FFAR2 )、GPR41(也稱為FFAR3 )、GPR109A(也稱為HCAR2 )和Olfr78，其中GPR43、GPR41和GPR109A可差異表達于許多類型細胞表面，包括腸上皮細胞、巨噬細胞和樹突狀細胞等免疫細胞[18]，參與腸道內(nèi)分泌和免疫等功能的調(diào)節(jié)。有研究顯示[19]，SCFAs可與巨噬細胞或樹突狀細胞表達的GPR43和GPR109A相互作用，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)的增殖和功能。這是因為丁酸鹽通過靶向GPR109A 信號通路促進了結(jié)腸巨噬細胞和樹突狀細胞的表達，一方面抑制炎癥細胞Th17 的表達，另一方面誘導(dǎo) Treg細胞和分泌IL-10的T細胞的分化，預(yù)防結(jié)腸炎和結(jié)腸癌的發(fā)生。最近有研究表明[20]，高纖維飲食誘導(dǎo)小鼠腸上皮細胞上的GPR43和GPR109A的活化并激活NLRP3炎癥小體，激活下游IL-18的生成，后者促進上皮修復(fù)和抑制結(jié)腸炎的發(fā)展。但是也有研究發(fā)現(xiàn)，在炎癥初期SCFAs激活腸上皮細胞表面的GPR41和GPR43，進而激活絲裂原活化蛋白激酶的信號傳導(dǎo)，促進趨化因子和細胞因子的快速產(chǎn)生，增強免疫應(yīng)答[21]。這種保護性免疫反應(yīng)幫助機體快速清除病原，縮短炎癥反應(yīng)時間。這些研究均表明，SCFAs與GPCRs相互作用在不同腸內(nèi)免疫環(huán)境下對腸道免疫起雙向調(diào)節(jié)作用，最終抑制炎癥的發(fā)展，維持腸道穩(wěn)態(tài)。

3.3SCFAs作為HDAC抑制劑介導(dǎo)腸道免疫 SCFAs可作為組蛋白去乙酰酶(HDAC)抑制劑，能促進耐受性及抗炎癥細胞的分化和增殖，這對維持免疫穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。由于腸內(nèi)腔中細菌密度和發(fā)酵最高，致使腸腔中的結(jié)腸細胞處于高濃度的SCFAs中，特別是當(dāng)丁酸鹽濃度超過細胞的氧化代謝能力時，較高水平的丁酸鹽在腸腔結(jié)腸細胞核中積累，通過充當(dāng)HDAC抑制劑抑制了結(jié)腸細胞增殖。然而對于隱窩底部的結(jié)腸干細胞，由于丁酸鹽向隱窩的擴散受到杯狀細胞產(chǎn)生的黏液向上流動的阻礙，致使隱窩丁酸鹽濃度較低，從而減輕了HDAC的抑制作用，促進了結(jié)腸干細胞增殖以維持體內(nèi)平衡效應(yīng)[22]。這些研究表明作為HDAC抑制劑的丁酸鹽可以在細胞和特定的環(huán)境中誘導(dǎo)不同的效果。有研究顯示丁酸鹽通過HDAC抑制作用抑制固有層巨噬細胞中促炎細胞因子的產(chǎn)生以及抑制骨髓前體細胞向樹突狀細胞的分化[23]，最終使腸道免疫系統(tǒng)對產(chǎn)生丁酸鹽的有益細菌耐受。此外，有研究表明，SCFAs以HDAC依賴的方式影響Treg細胞群，一方面，在DC、IL-2和TGF-β存在時，丁酸鹽介導(dǎo)的HDAC抑制作用可激活FOXP3的表達，促使幼稚T細胞分化為Treg細胞[24]；另一方面，可增加FOXP3+Treg細胞的數(shù)量及其在穩(wěn)態(tài)條件下的抑制功能。例如，有研究將小鼠置于高纖維或添加SCFAs的飲食中，結(jié)果顯示SCFAs不僅抑制了結(jié)腸炎癥，還通過HDAC抑制作用增強FOXP3+Treg細胞的活性來抑制過敏性氣道疾病[25]。

4 SCFAs影響腫瘤的發(fā)生、發(fā)展

現(xiàn)在人們認識到各種類型的炎癥會增加癌癥發(fā)病率，如結(jié)腸炎、肥胖癥、感染和自身免疫疾病，而丁酸鹽和其他SCFAs抗腫瘤作用的研究在近年來非?；钴S。早期體外細胞系數(shù)據(jù)提出SCFAs通過抑制HDAC活性，導(dǎo)致許多致癌信號通路失活，最終抑制腫瘤細胞的生長[23]。然而，現(xiàn)在越來越多的體內(nèi)實驗證據(jù)表明SCFAs的抑癌作用部分是由SCFAs受體介導(dǎo)的[26]。最近一項研究表明缺乏SCFAs受體GPR43的小鼠在啟動適當(dāng)?shù)募毙悦庖叻磻?yīng)以促進屏障免疫方面存在缺陷，并且在上皮損傷后發(fā)展成不受控制的慢性炎癥反應(yīng)。此外，經(jīng)偶氮甲烷(AOM)處理10周后，GPR43缺陷小鼠的結(jié)腸相比于野生型(WT)小鼠的結(jié)腸有更多的息肉和更大的腺瘤。這些結(jié)果強調(diào)SCFAs與其受體GPR43的相互作用可以促進免疫屏障作用，抑制慢性炎癥反應(yīng)以及結(jié)腸癌的發(fā)展[19]。另一份最新報告發(fā)現(xiàn)TS4/APC基因突變的息肉病小鼠產(chǎn)丁酸鹽細菌的數(shù)量減少，而在食物中添加了膳食纖維后，息肉病小鼠會增加產(chǎn)丁酸鹽的細菌和丁酸鹽的量，同時減少息肉的數(shù)量。這是由于丁酸鹽的增加使得巨噬細胞和DC表面的 GPR109A被激活，從而導(dǎo)致這些細胞分化成Treg細胞和產(chǎn)生IL-10的T細胞，進而減少了結(jié)腸息肉以及預(yù)防了腫瘤的發(fā)生[27]。類似的現(xiàn)象在乳腺腫瘤中也被觀察到[28]，研究發(fā)現(xiàn)，在乳腺腫瘤中GPR109A 表達缺失，若異位表達GPR109A，可以降低乳腺腫瘤細胞內(nèi)的cAMP 的濃度，增加腫瘤細胞的凋亡，減少腫瘤細胞的定植和生長。丁酸鹽的另一種潛在抗腫瘤作用是，通過削弱ERK1/2和Akt炎癥信號通路的磷酸化作用，抑制腫瘤細胞系體內(nèi)和體外CCL2的產(chǎn)生。由于CCL2通過募集腫瘤相關(guān)巨噬細胞參與腫瘤的進展和轉(zhuǎn)移，SCFAs可能會抑制這一過程[29]。最后，已經(jīng)證明丁酸鹽與DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑5-氮雜胞苷結(jié)合會減少乳腺癌干細胞的生長，這表明使用益生菌來富集產(chǎn)丁酸鹽的微生物或增加膳食纖維消耗可能對某些類型的癌癥有保護作用[30]。

然而在生物失調(diào)、膽汁淤積和炎癥的情況下，大量丁酸鹽的產(chǎn)生反而會創(chuàng)造一種促進腫瘤的微環(huán)境，Janssen等[31]報告稱，給小鼠喂食瓜爾膠(一種由甘露糖[β1，4-連接]和半乳糖[α1，6-連接]組成的可溶性纖維)持續(xù)18周，可以保護小鼠免受飲食誘導(dǎo)的肥胖，但最終卻導(dǎo)致了肝臟炎癥和纖維化。Singh等[32]研究稱，在給予缺失鞭毛蛋白受體TLR5并因此引起腸道微生物群嚴重失調(diào)的基因敲除小鼠(T5KO)喂食可溶性膳食纖維持續(xù)6個月后，結(jié)果導(dǎo)致約40%的T5KO小鼠引發(fā)黃疸性肝癌。這一發(fā)現(xiàn)與“丁酸悖論(butyrate paradox)”相一致，后者認為SCFAs促進或阻止細胞增殖的能力取決于細胞類型、時間和暴露量[33]。超過宿主可耐受閾值的SCFAs劑量已經(jīng)顯示會加重結(jié)腸炎癥和腫瘤發(fā)生，誘發(fā)尿道炎和腎積水，并通過加劇肝臟脂肪生成和過度進食來促進肥胖[9，34-37]。因此如果腸道微生物群功能失調(diào)，攝入可溶性纖維可能對肝臟不利?？傊?，當(dāng)考慮SCFAs對癌癥的影響時，應(yīng)該綜合考慮其遺傳背景，細胞能量學(xué)和環(huán)境背景(即細胞的炎癥、干細胞樣特征和宿主的飲食)等因素。

5 SCFAs間接影響腫瘤的治療

越來越多證據(jù)表明，宿主微生物群影響腫瘤的干預(yù)效果并在預(yù)測患者的治療反應(yīng)中起重要作用。最近在德克薩斯大學(xué)MD Anderson癌癥中心進行的一項隊列研究中[38]，從采用抗PD-1抗體治療前后的112名轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者中收集糞便樣本，并分析腸道菌群的多樣性和組成與臨床反應(yīng)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)對治療有積極響應(yīng)的患者中微生物群的多樣性遠遠高于無響應(yīng)者，導(dǎo)致微生物群高度多樣性的患者比中度或低度多樣性的患者有更長的生存率(PFS)。腸道微生物組成及豐度的不同，可以促發(fā)不同的局部免疫應(yīng)答，進而影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展；同時，癌癥治療過程中，不同的治療方法也可能改變腸道菌群的組成，而腸道菌群又會反過來影響各種療法的效果。利用益生菌或益生元改變腸道菌群的組成可能是提高腫瘤療效未來值得關(guān)注的方面。膳食纖維飲食可以影響腸道微生物群，進而通過改變腸道微生物種類控制腫瘤的可能性[18,27]。一項Ⅱ期臨床試驗表明[39]，晚期腸癌患者在化療的同時聯(lián)合服用富含低聚果糖的菊粉能夠增強化療效果。最近一項研究結(jié)果表明[40]，丁酸鹽與化療藥物聯(lián)合使用對大腸癌的治療有重要作用：一方面，丁酸鹽和伊立替康在三種癌細胞系中協(xié)同作用，并抑制異種移植模型中的腫瘤生長；另一方面，還發(fā)現(xiàn)丁酸鹽能夠降低伊立替康的毒性和發(fā)病率，并提高對伊立替康化療的耐受性。

6 小結(jié)

高膳食纖維食物可維持腸道微生物的正常結(jié)構(gòu)和代謝，其中代謝物SCFAs特別是丁酸鹽在維持腸道內(nèi)免疫環(huán)境穩(wěn)定和腸道上皮細胞健康方面發(fā)揮著重要作用。SCFAs作為HDAC抑制劑和纖維發(fā)酵的產(chǎn)物，可以通過多種機制介導(dǎo)膳食纖維對腫瘤的保護作用。近年來，關(guān)于飲食因素、腸道微生物和代謝物之間相互作用越來越被認為對宿主生理特別是免疫功能以及腫瘤發(fā)生發(fā)展有著深遠的影響。然而，許多未知的問題仍然存在，而更好地理解SCFAs在預(yù)防和治療腫瘤時所誘導(dǎo)的分子機制和信號通路將有助于開發(fā)新的治療手段來預(yù)防和治療腫瘤。