池增杰，何曉生，蘭平

中山大學附屬第六醫(yī)院結(jié)直腸外科，廣東 廣州 510655

結(jié)直腸癌(colorectal cancer,CRC)是全世界最常見的消化道惡性腫瘤，其發(fā)病率和死亡率分別位居惡性腫瘤的第3位和第2位，2020年全球預計有超過190萬CRC新發(fā)病例以及93.5萬死亡病例[1]，CRC防治形勢嚴峻，篩查工作刻不容緩。CRC是遺傳和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，但其遺傳率僅為12%～35%[2-3]，這提示我們環(huán)境因素在散發(fā)性CRC的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用，而其中腸道微生態(tài)的作用備受關注：腸道菌群發(fā)揮著能量代謝和免疫應答等功能，菌群失調(diào)可能導致慢性炎癥和致癌代謝物的產(chǎn)生，進而引發(fā)CRC。本文旨在探討腸道微生物的相關致癌機制及其作為CRC早期篩查生物標志物的潛力，為CRC的早期篩查提供新的思路。

一、腸道微生態(tài)與CRC

正常人群的腸道中含有大約3×1013個細菌，種類超過1 000種[4]。CRC與健康人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)存在差異：在CRC組織中檢測到更高豐度的潛在致癌微生物，如大腸桿菌、具核梭桿菌和脆弱類桿菌等，而雙歧桿菌和鐮刀菌等益生菌的豐度則較低[5-8]。腸道菌群可通過代謝、免疫調(diào)節(jié)和產(chǎn)生毒物等多種途徑致癌，而在這過程中產(chǎn)生的多種代謝物可能成為CRC篩查的生物標志物。

部分細菌能將碳水化合物中的糖類轉(zhuǎn)化成有機酸如短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)，SCFAs促進產(chǎn)抗炎細胞因子的T細胞表達，抑制腸道炎癥；并可通過上調(diào)緊密連接蛋白降低腸道上皮細胞(intestinal epithelial cells,IECs)的通透性，增強腸黏膜屏障功能[9]，同時抑制腸道干細胞和IECs的異常增殖[10]。其次，腸道菌群可代謝次級膽汁酸，誘導DNA氧化損傷[11]。此外，細菌的β-葡萄糖醛酸糖苷酶可逆轉(zhuǎn)葡萄糖醛酸介導的肝臟毒物失活過程，從而使部分毒物恢復毒性，促進CRC的發(fā)生[12]。

炎癥是CRC公認的危險因素之一[13]，腸道菌群可對黏膜及全身免疫系統(tǒng)起調(diào)控作用，進而影響CRC進展。腸道菌群可以通過調(diào)節(jié)Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域(NOD)樣受體等多種免疫受體，激活下游的絲裂原活化蛋白激酶和核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)等信號通路，誘導白細胞介素(IL)17、IL-6和IL-22等多種炎癥因子的表達，促進腸道炎癥和腫瘤細胞的發(fā)生[14-17]。CRC病人中豐度升高的菌群可通過不同機制起到促癌作用：產(chǎn)腸毒素脆弱類桿菌可激活IL-17和NF-κB等信號，觸發(fā)IECs炎癥的級聯(lián)反應，推動炎癥環(huán)境的形成[18]；具核梭桿菌和厭氧消化鏈球菌可激活TLR4信號和NF-κB信號，促進小鼠CRC細胞的增殖和轉(zhuǎn)移[19]。

腸道細菌通過產(chǎn)生毒素來獲得侵襲能力，部分細菌毒素如細胞致死毒素(cytolethal distending toxin,CDT)、聚酮合酶、脆弱類桿菌產(chǎn)腸毒素(ETBF)和FadA黏附素等在CRC病人體內(nèi)升高，參與CRC的發(fā)生發(fā)展過程。CDT通過干擾細胞凋亡過程而致癌；還可誘導NF-κB、IL-6等促炎分子的產(chǎn)生，參與炎癥和致癌過程[20-21]。聚酮合酶和ETBF可引起活性氧分子介導的細胞損傷，如DNA斷裂、點突變及蛋白質(zhì)降解等[22-23]。具核梭桿菌可利用FadA和Fap2誘導炎癥和致癌：FadA與E-鈣黏蛋白結(jié)合后激活β-catenin/Wnt信號通路，進一步促進CRC的發(fā)生[24]；而Fap2則可抑制自然殺傷細胞和浸潤性淋巴細胞的功能，從而實現(xiàn)腫瘤細胞免疫逃逸[25]。Nguyen等[26]研究表明，人體高硫代謝細菌豐度與其罹患遠端CRC的風險呈正相關，腸道菌群所產(chǎn)生的硫化氫、一氧化氮和一氧化氮合成酶等毒物也可誘導DNA損傷，增加CRC風險[13]。

二、腸道微生態(tài)在CRC早期篩查中的應用

在CRC篩查過程中切除癌前病變可降低CRC的發(fā)病率和死亡率[27]。腸道菌群維持了結(jié)直腸生態(tài)系統(tǒng)的平衡。越來越多的證據(jù)表明，與健康人群相比，CRC病人的腸道菌群結(jié)構(gòu)及相關的代謝產(chǎn)物發(fā)生了變化，啟示我們可以腸道菌群為基礎開發(fā)新的CRC篩查工具，提高篩查效率。

既往已有多項研究提出利用檢測糞便細菌譜的方法篩查CRC。Zackular等[28]利用16S rRNA基因測序法對53例CRC、42例腺瘤病人和61例健康人的糞便進行菌群檢測，研究結(jié)果表明聯(lián)合多種腸道細菌篩查腺瘤的受試者操作特征曲線下面積(AUC)高達0.896；而該模型對CRC的篩查AUC可達0.798，并且在聯(lián)合其他臨床風險因素(如年齡、體質(zhì)量指數(shù)等)后，準確度可進一步提高(AUC=0.922)。Zeller等[29]對156例受試者的糞便進行宏基因組測序后，構(gòu)建的CRC糞便多細菌檢測模型對CRC的篩查也具有較高的準確度(AUC=0.820)。Wong等[30]利用3種細菌(具核梭桿菌、厭氧消化鏈球菌和微單胞菌)聯(lián)合糞便潛血試驗檢測CRC的AUC可高達0.95，并具有較高的靈敏度(92.3%)；而利用該模型檢測腺瘤時，AUC可達0.65，敏感度為38.6%。Amitay等[31]對19項研究進行Meta分析，探究了CRC或腺瘤病人與健康人群的糞便樣本中菌群的差異，建立的糞便多細菌預測模型預測CRC的AUC達0.68，肯定了糞便多細菌模型對CRC的監(jiān)測能力。而Shah等[32]對來自9項研究的糞便16S rRNA基因序列數(shù)據(jù)集進行分析后發(fā)現(xiàn)，基于腸道微生物對CRC的篩查AUC可達0.803，聯(lián)合其他臨床標志物后更是高達0.913。Ai等[33]利用以腸道微生態(tài)為基礎的機器學習模型對CRC進行預測，發(fā)現(xiàn)該方法比傳統(tǒng)的糞便隱血試驗更準確，兩種方法的聯(lián)合可進一步提高了預測的準確性。以上的研究均表明，CRC病人與健康人群的腸道菌群差異可作為CRC篩查的依據(jù)，通過檢測糞便的菌群結(jié)構(gòu)，可達到區(qū)分CRC與健康人群的效果。

某些特定的細菌也可用于CRC及其癌前病變的檢測。Feng等[34]利用宏基因組關聯(lián)分析了CRC、腺瘤和健康人群的糞便菌群結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)部分菌群如大腸桿菌和馬氏桿菌等在健康人群→腺瘤→CRC中豐度逐漸升高，提示了細菌結(jié)構(gòu)在CRC發(fā)展過程中的漸變特征。Shen等[35]和Sanapareddy等[36]對腺瘤及健康人群的腸黏膜菌群進行測序，結(jié)果表明腺瘤病人腸黏膜中的不動桿菌、假單胞菌和幽門螺桿菌等致病菌豐度升高。此外，沃氏嗜膽菌在腺瘤人群腸道中豐度也較高，它可以在腸道內(nèi)產(chǎn)生次級膽汁酸和硫化氫等物質(zhì)，促進腸道炎癥的發(fā)生[37]。Ito等[38]的研究也表明BRAF突變、高CpG島甲基化表型和微衛(wèi)星不穩(wěn)定類型的鋸齒狀息肉中具核梭桿菌的相對豐度更高，而這幾種類型均是鋸齒狀息肉癌變的特征[39]。這些特定細菌在CRC或息肉中的分布特征也提示了其作為CRC篩查工具的潛力。Ekl?f等[40]研究發(fā)現(xiàn)，單獨檢測糞便中的具核梭桿菌含量來篩查CRC，其特異度和敏感度可達76.9%和69.2%。糞便中具核梭桿菌與雙歧桿菌或普氏糞桿菌的比值也可能成為一種新的標志物，其AUC可分別達0.911和0.804[41]。一項Meta分析研究發(fā)現(xiàn)，利用糞便具核梭桿菌檢測CRC的敏感度和特異度分別為71%和76%，AUC為0.80；用于腺瘤檢測時效果較差，敏感度和特異度分別為36%和73%，AUC為0.60[42]。多項研究也證實了CRC及腺瘤病人中某些特定細菌如具核梭桿菌、脆弱類桿菌和大腸桿菌等的相對豐度比健康人群更高，未來有望以腸道細菌為基礎，利用PCR或16S rRNA測序等技術開發(fā)出可靠的篩查方法[5-7]。

除了微生物組學研究外，一些微生物代謝物如SCFAs、FadA和次級膽汁酸等也可能作為CRC預測的潛在標志物，因其在CRC病人糞便中的含量與健康人群存在差異[43]。糞水提取物代謝圖譜分析表明，SCFAs和部分氨基酸(脯氨酸和半胱氨酸)水平在CRC病人糞便中升高，可作為CRC潛在的診斷標志物[44]。Phua等[45]發(fā)現(xiàn)，某些揮發(fā)性代謝物(果糖、煙酸和亞油酸)在CRC病人糞便中的水平低于健康人；de Meij等[46]也證實了該類代謝物在晚期腺瘤和健康人群的糞便中存在差異，可能是CRC的潛在生物標志物。而Shah等[32]的Meta分析表明，CRC病人糞便中的對氨基苯甲酸和亞油酸等代謝物減少，而對羥基苯甲醛和棕櫚酰鞘磷脂等明顯增加，這些差異代謝產(chǎn)物均具備應用于CRC篩查的潛力。在CRC進展過程中，人體組織和糞便中自誘導因子2(腸道菌群的一種分泌物)的濃度逐漸升高，提示了其作為臨床篩查標志物的可能性[47]。此外，對某些細菌的免疫反應檢測，也可能應用于CRC篩查。Wang等[48]發(fā)現(xiàn)，CRC病人血清中具核梭桿菌的IgA和IgG抗體濃度均比健康人群高，抗體聯(lián)合癌胚抗原和糖類抗原19-9具有良好的CRC篩查能力(AUC為0.743，特異度為94.22%，敏感度為40.00%)。微生物代謝組學的研究日益增多，我們有望利用CRC特有的代謝特征構(gòu)建新的CRC預測模型，完善篩查工作。

多項研究表明以腸道微生物作為靶點對CRC的早期篩查具有重要意義，但其仍存在一定的局限性[49]。首先，盡管有研究表明腺瘤及鋸齒狀息肉病人與健康人群的腸道菌群存在差異[5, 7, 37]，但也有多項研究未觀察到息肉與健康人群的腸道菌群結(jié)構(gòu)之間的差別[37]。檢測糞便微生物標志物對鋸齒狀息肉及腺瘤等早期病變的診斷能力有限，在上述的多項研究中，其對腺瘤等早期病變的篩查效能要遠低于CRC。其次，某些CRC高危人群如炎癥性腸病、2型糖尿病或肥胖的病人腸道菌群已經(jīng)發(fā)生改變，而長期服用抗生素也可能引起腸道菌群的失調(diào)，這些混雜因素會降低該技術對部分CRC高危人群篩查的效能，影響篩查準確度。此外，與傳統(tǒng)的潛血試驗等技術相比，雖然部分研究表明檢測微生物的效能更高，且能夠檢測出一些非出血性病變，但目前微生物檢測技術尚未成熟，糞便中的微生物也容易受標本保存時間、保存條件等影響，導致最終的檢測結(jié)果存在差異。在未來的發(fā)展中，我們也可通過聯(lián)合傳統(tǒng)篩查方法和腸道微生物篩查來提高篩查效率。

在既往的多項研究中，部分微生物標志物展現(xiàn)出較強的CRC篩查和診斷能力，顯示了利用微生物及其相關代謝物構(gòu)建CRC篩查模型的潛力。但這些研究存在樣本量小、檢測方法不均一等不足，并且對息肉篩查的研究較少，如何將微生物檢測應用到實際篩查工作中，加強或取代傳統(tǒng)的篩查技術，還有很多技術難關需要攻克，我們?nèi)孕璐髽颖镜尿炞C和更多的臨床試驗，因為宿主環(huán)境、樣本類型、檢測方法等均會對篩查結(jié)果產(chǎn)生影響，能否將腸道菌群應用于CRC篩查還需要進一步的研究。

三、結(jié)語與展望

腸道微生態(tài)與CRC及癌前病變間的關系日趨明確，為CRC的防治提供了新的研究方向。一些菌群如具核梭桿菌、大腸桿菌、脆弱類桿菌等均已被證實在CRC及息肉的發(fā)生發(fā)展中扮演著重要角色：細菌通過調(diào)控免疫系統(tǒng)、參與炎癥反應、產(chǎn)生基因毒素及代謝毒素等方式，促進了CRC的進展。腸道菌群在CRC及息肉病人與健康人群中顯現(xiàn)出來的差異，啟示我們可利用菌群結(jié)構(gòu)及其代謝物構(gòu)建全新的CRC篩查工具。在未來的研究中，我們應進一步整合微生物組學、代謝組學和生活及環(huán)境因素等多方位的信息，構(gòu)建更精確可靠的預測模型，為CRC提供新的篩查工具與策略。