肠道微生态在结直肠癌早期筛查中的研究进展

池增杰，何晓生，兰平

中山大学附属第六医院结直肠外科，广东 广州 510655

结直肠癌(colorectal cancer,CRC)是全世界最常见的消化道恶性肿瘤，其发病率和死亡率分别位居恶性肿瘤的第3位和第2位，2020年全球预计有超过190万CRC新发病例以及93.5万死亡病例[1]，CRC防治形势严峻，筛查工作刻不容缓。CRC是遗传和环境因素共同作用的结果，但其遗传率仅为12%～35%[2-3]，这提示我们环境因素在散发性CRC的发生发展过程中发挥着重要作用，而其中肠道微生态的作用备受关注：肠道菌群发挥着能量代谢和免疫应答等功能，菌群失调可能导致慢性炎症和致癌代谢物的产生，进而引发CRC。本文旨在探讨肠道微生物的相关致癌机制及其作为CRC早期筛查生物标志物的潜力，为CRC的早期筛查提供新的思路。

一、肠道微生态与CRC

正常人群的肠道中含有大约3×1013个细菌，种类超过1 000种[4]。CRC与健康人群的肠道菌群结构存在差异：在CRC组织中检测到更高丰度的潜在致癌微生物，如大肠杆菌、具核梭杆菌和脆弱类杆菌等，而双歧杆菌和镰刀菌等益生菌的丰度则较低[5-8]。肠道菌群可通过代谢、免疫调节和产生毒物等多种途径致癌，而在这过程中产生的多种代谢物可能成为CRC筛查的生物标志物。

部分细菌能将碳水化合物中的糖类转化成有机酸如短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)，SCFAs促进产抗炎细胞因子的T细胞表达，抑制肠道炎症；并可通过上调紧密连接蛋白降低肠道上皮细胞(intestinal epithelial cells,IECs)的通透性，增强肠黏膜屏障功能[9]，同时抑制肠道干细胞和IECs的异常增殖[10]。其次，肠道菌群可代谢次级胆汁酸，诱导DNA氧化损伤[11]。此外，细菌的β-葡萄糖醛酸糖苷酶可逆转葡萄糖醛酸介导的肝脏毒物失活过程，从而使部分毒物恢复毒性，促进CRC的发生[12]。

炎症是CRC公认的危险因素之一[13]，肠道菌群可对黏膜及全身免疫系统起调控作用，进而影响CRC进展。肠道菌群可以通过调节Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)和核苷酸结合寡聚化结构域(NOD)样受体等多种免疫受体，激活下游的丝裂原活化蛋白激酶和核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)等信号通路，诱导白细胞介素(IL)17、IL-6和IL-22等多种炎症因子的表达，促进肠道炎症和肿瘤细胞的发生[14-17]。CRC病人中丰度升高的菌群可通过不同机制起到促癌作用：产肠毒素脆弱类杆菌可激活IL-17和NF-κB等信号，触发IECs炎症的级联反应，推动炎症环境的形成[18]；具核梭杆菌和厌氧消化链球菌可激活TLR4信号和NF-κB信号，促进小鼠CRC细胞的增殖和转移[19]。

肠道细菌通过产生毒素来获得侵袭能力，部分细菌毒素如细胞致死毒素(cytolethal distending toxin,CDT)、聚酮合酶、脆弱类杆菌产肠毒素(ETBF)和FadA黏附素等在CRC病人体内升高，参与CRC的发生发展过程。CDT通过干扰细胞凋亡过程而致癌；还可诱导NF-κB、IL-6等促炎分子的产生，参与炎症和致癌过程[20-21]。聚酮合酶和ETBF可引起活性氧分子介导的细胞损伤，如DNA断裂、点突变及蛋白质降解等[22-23]。具核梭杆菌可利用FadA和Fap2诱导炎症和致癌：FadA与E-钙黏蛋白结合后激活β-catenin/Wnt信号通路，进一步促进CRC的发生[24]；而Fap2则可抑制自然杀伤细胞和浸润性淋巴细胞的功能，从而实现肿瘤细胞免疫逃逸[25]。Nguyen等[26]研究表明，人体高硫代谢细菌丰度与其罹患远端CRC的风险呈正相关，肠道菌群所产生的硫化氢、一氧化氮和一氧化氮合成酶等毒物也可诱导DNA损伤，增加CRC风险[13]。

二、肠道微生态在CRC早期筛查中的应用

在CRC筛查过程中切除癌前病变可降低CRC的发病率和死亡率[27]。肠道菌群维持了结直肠生态系统的平衡。越来越多的证据表明，与健康人群相比，CRC病人的肠道菌群结构及相关的代谢产物发生了变化，启示我们可以肠道菌群为基础开发新的CRC筛查工具，提高筛查效率。

既往已有多项研究提出利用检测粪便细菌谱的方法筛查CRC。Zackular等[28]利用16S rRNA基因测序法对53例CRC、42例腺瘤病人和61例健康人的粪便进行菌群检测，研究结果表明联合多种肠道细菌筛查腺瘤的受试者操作特征曲线下面积(AUC)高达0.896；而该模型对CRC的筛查AUC可达0.798，并且在联合其他临床风险因素(如年龄、体质量指数等)后，准确度可进一步提高(AUC=0.922)。Zeller等[29]对156例受试者的粪便进行宏基因组测序后，构建的CRC粪便多细菌检测模型对CRC的筛查也具有较高的准确度(AUC=0.820)。Wong等[30]利用3种细菌(具核梭杆菌、厌氧消化链球菌和微单胞菌)联合粪便潜血试验检测CRC的AUC可高达0.95，并具有较高的灵敏度(92.3%)；而利用该模型检测腺瘤时，AUC可达0.65，敏感度为38.6%。Amitay等[31]对19项研究进行Meta分析，探究了CRC或腺瘤病人与健康人群的粪便样本中菌群的差异，建立的粪便多细菌预测模型预测CRC的AUC达0.68，肯定了粪便多细菌模型对CRC的监测能力。而Shah等[32]对来自9项研究的粪便16S rRNA基因序列数据集进行分析后发现，基于肠道微生物对CRC的筛查AUC可达0.803，联合其他临床标志物后更是高达0.913。Ai等[33]利用以肠道微生态为基础的机器学习模型对CRC进行预测，发现该方法比传统的粪便隐血试验更准确，两种方法的联合可进一步提高了预测的准确性。以上的研究均表明，CRC病人与健康人群的肠道菌群差异可作为CRC筛查的依据，通过检测粪便的菌群结构，可达到区分CRC与健康人群的效果。

某些特定的细菌也可用于CRC及其癌前病变的检测。Feng等[34]利用宏基因组关联分析了CRC、腺瘤和健康人群的粪便菌群结构，发现部分菌群如大肠杆菌和马氏杆菌等在健康人群→腺瘤→CRC中丰度逐渐升高，提示了细菌结构在CRC发展过程中的渐变特征。Shen等[35]和Sanapareddy等[36]对腺瘤及健康人群的肠黏膜菌群进行测序，结果表明腺瘤病人肠黏膜中的不动杆菌、假单胞菌和幽门螺杆菌等致病菌丰度升高。此外，沃氏嗜胆菌在腺瘤人群肠道中丰度也较高，它可以在肠道内产生次级胆汁酸和硫化氢等物质，促进肠道炎症的发生[37]。Ito等[38]的研究也表明BRAF突变、高CpG岛甲基化表型和微卫星不稳定类型的锯齿状息肉中具核梭杆菌的相对丰度更高，而这几种类型均是锯齿状息肉癌变的特征[39]。这些特定细菌在CRC或息肉中的分布特征也提示了其作为CRC筛查工具的潜力。Eklöf等[40]研究发现，单独检测粪便中的具核梭杆菌含量来筛查CRC，其特异度和敏感度可达76.9%和69.2%。粪便中具核梭杆菌与双歧杆菌或普氏粪杆菌的比值也可能成为一种新的标志物，其AUC可分别达0.911和0.804[41]。一项Meta分析研究发现，利用粪便具核梭杆菌检测CRC的敏感度和特异度分别为71%和76%，AUC为0.80；用于腺瘤检测时效果较差，敏感度和特异度分别为36%和73%，AUC为0.60[42]。多项研究也证实了CRC及腺瘤病人中某些特定细菌如具核梭杆菌、脆弱类杆菌和大肠杆菌等的相对丰度比健康人群更高，未来有望以肠道细菌为基础，利用PCR或16S rRNA测序等技术开发出可靠的筛查方法[5-7]。

除了微生物组学研究外，一些微生物代谢物如SCFAs、FadA和次级胆汁酸等也可能作为CRC预测的潜在标志物，因其在CRC病人粪便中的含量与健康人群存在差异[43]。粪水提取物代谢图谱分析表明，SCFAs和部分氨基酸(脯氨酸和半胱氨酸)水平在CRC病人粪便中升高，可作为CRC潜在的诊断标志物[44]。Phua等[45]发现，某些挥发性代谢物(果糖、烟酸和亚油酸)在CRC病人粪便中的水平低于健康人；de Meij等[46]也证实了该类代谢物在晚期腺瘤和健康人群的粪便中存在差异，可能是CRC的潜在生物标志物。而Shah等[32]的Meta分析表明，CRC病人粪便中的对氨基苯甲酸和亚油酸等代谢物减少，而对羟基苯甲醛和棕榈酰鞘磷脂等明显增加，这些差异代谢产物均具备应用于CRC筛查的潜力。在CRC进展过程中，人体组织和粪便中自诱导因子2(肠道菌群的一种分泌物)的浓度逐渐升高，提示了其作为临床筛查标志物的可能性[47]。此外，对某些细菌的免疫反应检测，也可能应用于CRC筛查。Wang等[48]发现，CRC病人血清中具核梭杆菌的IgA和IgG抗体浓度均比健康人群高，抗体联合癌胚抗原和糖类抗原19-9具有良好的CRC筛查能力(AUC为0.743，特异度为94.22%，敏感度为40.00%)。微生物代谢组学的研究日益增多，我们有望利用CRC特有的代谢特征构建新的CRC预测模型，完善筛查工作。

多项研究表明以肠道微生物作为靶点对CRC的早期筛查具有重要意义，但其仍存在一定的局限性[49]。首先，尽管有研究表明腺瘤及锯齿状息肉病人与健康人群的肠道菌群存在差异[5, 7, 37]，但也有多项研究未观察到息肉与健康人群的肠道菌群结构之间的差别[37]。检测粪便微生物标志物对锯齿状息肉及腺瘤等早期病变的诊断能力有限，在上述的多项研究中，其对腺瘤等早期病变的筛查效能要远低于CRC。其次，某些CRC高危人群如炎症性肠病、2型糖尿病或肥胖的病人肠道菌群已经发生改变，而长期服用抗生素也可能引起肠道菌群的失调，这些混杂因素会降低该技术对部分CRC高危人群筛查的效能，影响筛查准确度。此外，与传统的潜血试验等技术相比，虽然部分研究表明检测微生物的效能更高，且能够检测出一些非出血性病变，但目前微生物检测技术尚未成熟，粪便中的微生物也容易受标本保存时间、保存条件等影响，导致最终的检测结果存在差异。在未来的发展中，我们也可通过联合传统筛查方法和肠道微生物筛查来提高筛查效率。

在既往的多项研究中，部分微生物标志物展现出较强的CRC筛查和诊断能力，显示了利用微生物及其相关代谢物构建CRC筛查模型的潜力。但这些研究存在样本量小、检测方法不均一等不足，并且对息肉筛查的研究较少，如何将微生物检测应用到实际筛查工作中，加强或取代传统的筛查技术，还有很多技术难关需要攻克，我们仍需大样本的验证和更多的临床试验，因为宿主环境、样本类型、检测方法等均会对筛查结果产生影响，能否将肠道菌群应用于CRC筛查还需要进一步的研究。

三、结语与展望

肠道微生态与CRC及癌前病变间的关系日趋明确，为CRC的防治提供了新的研究方向。一些菌群如具核梭杆菌、大肠杆菌、脆弱类杆菌等均已被证实在CRC及息肉的发生发展中扮演着重要角色：细菌通过调控免疫系统、参与炎症反应、产生基因毒素及代谢毒素等方式，促进了CRC的进展。肠道菌群在CRC及息肉病人与健康人群中显现出来的差异，启示我们可利用菌群结构及其代谢物构建全新的CRC筛查工具。在未来的研究中，我们应进一步整合微生物组学、代谢组学和生活及环境因素等多方位的信息，构建更精确可靠的预测模型，为CRC提供新的筛查工具与策略。