腸道菌群是一個互相依存又互相制約的微生態系統。腸道微生態具有相對穩定性，正常情況下，腸道菌群的結構、種類、數量保持相對穩定，與宿主、外界環境處于相對平衡狀態，對消化吸收、營養代謝、免疫以及抑制病原菌定植起重要作用。

結直腸癌(CRC)是世界第三常見的癌癥類型，每年有近200萬新病例，并且是全球癌癥相關死亡的第二大原因。當腸道菌群平衡狀態受年齡、飲食、抗菌藥物及心理壓力、應激等因素的影響失衡時，其中的有害菌或可通過引起慢性炎癥、介導免疫應答、造成DNA損傷和產生某些代謝產物等途徑，誘導并促進結直腸癌的發生發展。

誘發慢性炎性反應

腸道菌群可以通過誘導炎癥或發揮免疫抑制作用而間接發揮促腫瘤作用。腸道菌群失調會引發腸黏膜免疫微環境的改變，進而導致腸黏膜炎癥。持續性炎性反應大多數是結直腸癌發展不可或缺的前提。

圖1：大腸癌發生發展的細菌相關機制。(a)產腸毒素的脆弱芽孢桿菌(ETBF)激活相關信號通路；(b)卟啉單胞菌屬的脂多糖(LPS)作用路徑；(c)具核梭桿菌的梭桿菌粘附素A(FadA)結合腸上皮細胞，產生促炎作用；(d)空腸彎曲桿菌產生細胞致死膨脹毒素(CDT)促進結腸直腸癌發生；(e)脫硫細菌可將硫或含硫化合物還原成硫化氫(H2S)；(f)含有pks島的大腸桿菌產生大腸桿菌素，誘導DNA雙鏈斷裂；(g)溶沒食子鏈球菌產生促進炎性因子；(h)敗血梭菌可產生α-毒素。

產腸毒素的脆弱芽孢桿菌(Enterotoxigenic Bacteroides Fragilis,ETBF)分泌脆弱芽孢桿菌毒素(bacteroides fragilis toxin，BFT)，與宿主細胞的E-鈣粘蛋白和β-連環蛋白相互作用(圖1a)，激活Wnt/β-連環蛋白信號通路，并驅動與凋亡、細胞增殖或轉化相關的基因轉錄。同時，BFT可以激活絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)信號通路，增強上皮細胞不受控制的增殖。此外，ETBF通過核因子-κB(NF-κB)/信號轉導和轉錄激活因子3(STAT3)途徑刺激IL-17和IL-23的產生，并誘導結腸上皮中的黏膜免疫反應，促進結腸上皮細胞的增殖和代謝。

NF-κB是先天性免疫和炎性反應的關鍵調控分子，與腸道腫瘤樣病變的起始和發展密切相關，腸上皮細胞NF-κB通路中的IKK-β基因被抑制后，結直腸癌的發生率顯著降低。

具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)產生的梭桿菌粘附素A(FadA)可以結合腸上皮細胞的E-鈣粘蛋白，激活β-連環蛋白，導致不受控制的細胞生長，獲得干細胞樣表型(圖1c)。此外，具核梭狀芽孢桿菌通過激活調節性微小RNA來調節腸上皮細胞的自噬。具核梭狀芽孢桿菌還通過TLRs識別MAMPs，導致NF-κB或STAT3途徑的激活，并加速CRC的發展，從而產生促炎作用。

STAT3途徑激活后，增加結腸上皮對結腸炎易感性的同時，還可通過介導IL-6和IL-1的分泌從而提高結直腸癌的發生率。

腸道菌群失調介導的慢性和低炎癥狀態，主要與其產生的細胞因子有關。沒食子鏈球菌S.gallolyticus可促進炎性因子如IL-1、IL-8和環氧化酶-2(COX-2)的產生，從而通過慢性炎癥加速CRC的發展(圖1g)。敗血梭菌C.septicum可產生α-毒素，誘導腫瘤微環境中的中性粒細胞凋亡，從而下調腫瘤免疫反應，加速結直腸癌的發展(圖1h)。

圖二：腸道菌群與炎癥、免疫、腫瘤之間的關系示意圖。腸道菌群失調可通過免疫應答參與腫瘤的形成，炎癥、免疫、腫瘤之間存在著相互關聯的“三角紐帶”關系，癌癥的發生發展與炎癥密切相關，炎癥的發生又往往伴隨有免疫能力的改變；而腸道菌群則在這一關系中發揮著“立交橋”式的功能。

腸道表觀遺傳學的改變

特定腸道病原體通過多種機制(包括誘導炎性反應、活性氧自由基的產生、DNA損傷和DNA修復過程的破壞等)引起腸道表觀遺傳學的改變，促進癌變的發生。

某些大腸桿菌含有“pks”基因島，它編碼被稱為大腸桿菌素的雜合聚酮化合物。大腸桿菌毒素可以通過引起雙鏈DNA斷裂直接攻擊宿主DNA，導致腸道表皮細胞基因組不穩定，導致突變頻率和CRC風險增加。

圖三：pks+大腸桿菌誘導產生DNA斷裂示意圖；PKS：聚酮合酶。pks+大腸桿菌通過產生一種名為Colibactin的毒素，可誘導宿主細胞雙鏈DNA的斷裂，從而激活DNA損傷的信號級聯，導致慢性有絲分裂、染色體畸變和基因突變頻率的增加，引發結直腸癌發病早期遺傳事件。

分離自CRC患者的大腸桿菌，大腸桿菌素的編碼基因存在過度表達。此外，大腸桿菌還產生其他毒素，如細胞致死膨脹毒素(cyto-lethal distending toxin，CDT)，可誘導顯著的細胞膨脹，最終導致細胞死亡；誘導轉化上皮細胞功能障礙。這些大腸桿菌還可以通過增加血管內皮生長因子(VEGF)的產生，促進血管內皮細胞遷移，增加血管通透性。

不是所有的大腸桿菌都產生毒素，所以，大腸桿菌的致癌性可能具體取決于毒素基因的水平，而不是大腸桿菌的總豐度。大腸桿菌的毒素基因比完整大腸桿菌更適合作為CRC生物標記。

其他可能影響腸道上皮細胞DNA雙鏈的菌群還有：(1)空腸彎曲桿菌C.jejuni可產生細胞致死膨脹毒素(CDT)，誘導DNA雙鏈斷裂，導致誘變和染色體不穩定；(2)某些脫硫細菌可將硫或含硫化合物還原成硫化氫(H2S)，當硫化氫濃度高時，可促進氧化和DNA損傷；(3)糞腸球菌菌株能夠產生誘導DNA損傷和基因組不穩定的活性氧，誘導黏膜巨噬細胞產生可擴散的致染色體斷裂劑，介導DNA損傷。(4)脆弱擬桿菌毒素可促進某些細胞因子和趨化因子(如IL-8)的表達，加劇活性氧介導的DNA損傷。

腸道菌群自身及代謝產物的直接促癌作用

在正常的結腸中，腸道菌群產生大量的代謝物。其中維生素K、生物素和短鏈脂肪酸(SCFAs)等，對維持結腸微環境的穩態至關重要。如果沒有腸道菌群，結腸上皮會發生自噬，無法維持其正常結構和功能。一些腸道菌群異常代謝物在結直腸癌的發病機理和免疫微環境中起著關鍵作用，如次級膽汁酸等。

失調腸道菌群的代謝能力發生了改變，釋放多種細菌毒素。有些腸道細菌本身就是致癌物。目前已知的腸道致癌細菌包括膽管癌相關的傷寒沙門氏菌(Salmonella typhi)以及與原發性肝癌、胃癌相關的幽門螺桿菌(Helicobacter spp.)等。其中，幽門螺桿菌已經被世界衛生組織確定為Ⅰ類致癌物。

一些腸道菌群的代謝物為致癌物，如部分腸道微生物能通過門靜脈系統將肝臟產生的初級膽汁酸轉化成脫氧膽酸等次級膽汁酸，從而引起DNA損傷、肝毒性和癌性病變。

圖四：結直腸癌組織中特定細菌富集的潛在機制。(A)健康的腸道。(B)CRC腸道:(a)D-galactose-β(1–3)-N-acetyl-D-galactosamine（Gal-GalNAc）在CRC細胞中過表達，具核梭狀芽孢桿菌的Fap2可直接結合于其上，導致具核梭狀芽孢桿菌在CRC組織中的特異性積累；另一方面，FadA可以幫助具核梭狀芽孢桿菌粘附腸上皮細胞；(b)結腸直腸癌患者的腸中MUC1（粘蛋白1）和MUC5AC（粘蛋白5AC）增加。由于可利用的底物增加，因此結直腸癌患者腸道中粘蛋白嗜酸乳桿菌的豐度增加；(c)結腸直腸癌患者的腸中膠原I增加。解鎵鏈球菌S.gallolyticus和艱難梭菌C.difficile可與I型膠原結合，導致結腸直腸癌患者腸道中致病菌的豐度增加；(d)厭氧菌P.anaerobius的表面蛋白PCWBR2可以通過α2/β1整合素直接與結直腸上皮細胞相互作用，α2/β1整合素在結直腸癌組織中經常過表達。

未來展望

總結來說，腸道菌群失衡影響結直腸癌發生發展可能有三種機制：(1)刺激免疫系統，從而引發慢性炎癥，導致或促進上皮細胞過度增殖、癌基因激活和血管生成；(2)直接或間接損傷宿主DNA，導致突變和基因組不穩定；(3)通過激活NF-κB或β-連環蛋白信號影響細胞增殖和細胞凋亡。

如果說人類與結直腸癌的斗爭是一場“持久戰”，那么，失衡的腸道微生態引起的腫瘤微環境就是戰場的前線。改變這些異常對于結直腸癌的診斷、預防和治療具有潛在的應用前景：(1)結直腸癌患者腸道中富集的菌株，可被視為生物標志物，有可能開發出針對性的結直腸癌的診斷方法；(2)富含于CRC的致癌細菌，或可開發針對它們的藥物以減少其在CRC患者中的豐度，從而抑制CRC的發展。

圖五：腸道微生物群在CRC治療中作為篩選、預后和預測生物標志物的潛在臨床應用，及其在CRC預防、治療中的可能用途。

盡管已有較多的研究成果，但是目前對于腸道菌群在結直腸癌中具體的作用機制尚未充分闡明。需要更多應用理論模型，來研究腸道菌群與宿主之間復雜的相互作用，以期為今后結直腸癌的預防和診療提供新思路和新方法。

參考文獻

[1]Sánchez-Alcoholado L,Ramos-Molina B,Otero A,et al.The role of the gut microbiome in colorectal cancer development and therapy response[J].Cancers,2020,12(6):1406.

[2]Song M,Chan A T,Sun J.Influence of the gut microbiome,diet,and environment on risk of colorectal cancer[J].Gastroenterology,2020,158(2):322-340.

[3]Dahmus J D,Kotler D L,Kastenberg D M,et al.The gut microbiome and colorectal cancer:a review of bacterial pathogenesis[J].Journal of gastrointestinal oncology,2018,9(4):769.