结直肠癌防治新策略——微生物群

结直肠癌防治新策略——微生物群

谷禾健康

2020年8月的一则消息让人深感痛惜,漫威系列电影《美国队长3》中饰演黑豹的演员查德维克·博斯曼因患结肠癌去世,享年43岁。

结直肠癌 (CRC) 是全球第三大常见癌症,每年有超过 100 万新病例和 600,000 例死亡。更糟糕的是,该病有越来越年轻化的趋势,有报告称,与1950 年出生的人相比,1990 年之后出生的人患结肠癌的可能性是其两倍,患直肠癌的可能性是其四倍

科学家正在研究其原因,遗传因素在癌症发展中的作用相对较小(<10% 至 30%);而某些环境因素,例如食用大量加工食品、高脂饮食、纤维摄入不足、压力、炎症,甚至在儿童时期过度使用抗生素,这些可能是导致年轻一代结直肠癌风险显著增加的潜在原因。

以上所有因素都会改变肠道微生物群并诱导肠道微生态失调,从而导致宿主免疫系统低下进而发展为各种疾病。

肠道生态失调可分为三种类型:

有益菌的丧失

病原体或潜在有害物种的扩张

整体微生物多样性的丧失

在结直肠癌患者中这三种类型的失调都存在。

本文主要围绕肠道微生物群的改变与结直肠癌的关系展开讨论,也包含益生菌、益生元、合生元、后生元在结直肠癌中发挥的重要作用,以及结直肠癌的预防措施。

01 结直肠癌的症状

结直肠癌早期可能不容易被发现,很多情况直到晚期才引起症状。最常见的症状包括:

排便习惯的改变,例如腹泻、便秘或大便变窄,持续数天以上;

腹泻与便秘交替;

一种需要排便的感觉,但排便后也依然不能缓解这种感觉;

直肠出血,伴有鲜红色血液;

大便中带血,使粪便看起来发黑;

痉挛或腹痛;

虚弱或疲劳;

不明原因的体重减轻

02 结直肠癌中微生物群的变化

结直肠癌患者具有独特的粘膜相关微生物群。例如,结直肠癌对微生物群的影响通常以微生物多样性的增加为特征,这似乎随着癌症的发展而进展——晚期结直肠癌样本(III 期和 IV 期)通常比早期结直肠癌样本(I 期)表现出更高的丰度

黏 膜 菌 群

结直肠癌患者中,黏膜菌群变化如下:

在癌变状态出现之前,也可以观察到黏膜相关微生物群的差异。来自息肉受试者健康对照组的粘膜相关微生物群之间存在显着差异,这表明肠道微生物群从很早的阶段就参与了癌症的发展。

* 关于息肉和腺瘤:细胞的分化速度超过正常速度就会形成息肉,广义上来说,腺瘤就是息肉的恶变。

腺瘤组织的特征是变形杆菌梭杆菌的丰度增加

另一个大型队列多组学数据集表明,微生物组和代谢组的变化发生在结直肠癌发展的早期阶段,这可能具有病因学和诊断重要性。在成年早期至中期长期(≥2 个月)接触抗生素60 岁时患结直肠腺瘤的风险增加有关。在结直肠癌患者中观察到的微生物群改变不仅限于肿瘤部位;也可以在周围的健康组织中看到。

正常和腺瘤患者体内微生物群主要细菌科的分布

Aprile, F. et al., Cancers,2021  

 (箭头的长度与文献中得出的科学证据的强度有关)

粪便菌群

结直肠癌的发展通常与这些菌变化相关:

变形菌门梭杆菌门的促炎或致病物种的增加;厚壁菌门的有益菌的减少。

结直肠癌患者的粪便微生物群是动态的,在癌症进展过程中会发生特征性变化。在中国队列中,健康个体的粪便样本以拟杆菌门和厚壁菌门为主,其丰度随着息肉-腺瘤-癌的进展而减少。相比之下,变形菌门的丰度随着结肠癌的发展而增加。

特别是,厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、毛螺菌科(Lachnospiraceae)和脱硫弧菌属(Desulfovibrio)已被证明对早期结直肠癌具有特异性。

而与恶性肿瘤相关的菌有:Solobacterium消化链球菌属Peptostreptococcus、棒杆菌属Corynebacterium、Parvimonas、奈瑟氏菌属Neisseria、卟啉单胞菌属Porphyromonas、Gemella、产碱菌科Alcaligenaceae肠杆菌科Enterobacteriaceae

肠道细菌在结直肠癌发生和进展中的影响

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms2021

03 结直肠癌是怎么发生的?

本章节从炎症,DNA损伤,短链脂肪酸,胆汁酸代谢等多角度来阐述其与结直肠癌的关系,以及肠道微生物群在其中发挥的作用

有益菌和有害菌在结直肠癌环境中的作用

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms,2021

炎症

慢性炎症是结直肠癌的既定危险因素,炎症性肠病 (IBD) 患者始终比普通人群具有更高的结直肠癌风险,相应地,在结直肠癌患者中反复报道了促炎物种的增加。

· 具核梭杆菌 Fusobacterium nucleatum

它在小鼠模型中通过激活 TLR4 信号传导至 NF-κB 来增加结直肠癌细胞的增殖和结肠肿瘤发生,从而促进浸润特定促炎性骨髓细胞亚群转化为肿瘤 。

·  结直肠癌中的具核梭杆菌起源于口腔

超过 40% 的结直肠癌患者在肿瘤和唾液样本中都显示出相同的具核梭杆菌菌株。

在结直肠癌样本中显著富集的几种口腔共生细菌和致病菌,包括梭杆菌属、卟啉单胞菌属、细小单胞菌属、胃链球菌属、Gemella、Prevotella和Solobacterium

· 大肠杆菌

其他已知的与结直肠癌相关的促炎物种有产大肠杆菌素的大肠杆菌,它能增强结直肠癌早期肿瘤中的炎症活性氧(ROS)的产生

· 脆弱拟杆菌 Bactoroides fragilis

产肠毒素的脆弱拟杆菌Bactoroides fragilis,它通过Th17反应和NF-κB活化介导炎症,从而诱导骨髓细胞依赖的远端结肠肿瘤发生

肠道微生物群引起的肠道炎症导致结直肠癌发生

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms2021

· 促炎菌增加与有益菌减少相关

在结直肠癌中观察到的促炎菌种的增加与属于有益菌属瘤胃球菌属、双歧杆菌属、毛螺菌属、Oribacterium、脱硫弧菌属、梭菌属和乳杆菌属的抗炎菌种的减少相关。

· 菌群变化与代谢物浓度变化相关

此外,在结直肠癌中观察到的微生物群组成的变化也可能转化为代谢物浓度的变化。具体而言,一项代谢组学研究检测到结直肠癌中梭菌毛螺菌科丰度显着降低与代谢物对氨基苯甲酸和共轭亚油酸数量减少之间存在直接关联,这些代谢物具有抗炎和抗癌特性。

DNA 损伤

结直肠癌微生物群的某些菌能够直接诱导结肠上皮细胞的 DNA 损伤。例如,结直肠癌相关家族肠杆菌科中的一些菌株会产生ROS和大肠杆菌素,这是一种导致宿主结肠上皮细胞致癌突变的毒素 。这种毒素在致癌作用中的关键作用得到证实:产大肠杆菌素的大肠杆菌在 Apc Min/+中促进肿瘤发生;IL10 -/-小鼠以大肠杆菌素依赖性方式。潜在的突变过程可能是过去接触带有产生大肠杆菌素的pks致病岛的细菌的直接结果。

具核梭杆菌 F. nucleatum 的分子研究发现毒力蛋白FadA 及其参与上皮细胞转化促进结肠肿瘤发生。结直肠癌粪便宏基因组的meta分析证实了产生大肠杆菌素的基因簇pks和F. nucleatum的显着富集粘附素fadA。

结直肠癌患者的脱硫弧菌属的硫酸盐还原菌数量增加,这解释了在晚期结直肠癌异化硫酸还原酶亚基A的水平升高,该基因负责产生具有遗传毒性的硫化氢。

多项代谢组学分析报告称,与健康对照相比,结直肠癌粪便样本中的多胺(如腐胺和尸胺)增加,特别是,已知多胺亚精胺会增强大肠杆菌素相关的基因毒性

表观基因组失调可能是结直肠癌相关失调促进结肠癌发生的另一种方式。

短链脂肪酸

短链脂肪酸 (SCFA) 是多糖和不易消化的碳水化合物发酵的主要终产物,肠道微生物群依然可以利用它们。丁酸盐尤其具有一系列显著的促进结肠健康和抗肿瘤的特性;作为结肠细胞的首选能量来源,它保持粘膜完整性,减少促炎细胞因子,并诱导结直肠癌细胞系凋亡

结直肠癌和晚期结直肠腺瘤患者的粪便微生物群表明产丁酸细菌的丰度显着减少,且减少取决于结直肠癌进展。

粪便宏基因组的荟萃分析证实,负责结直肠癌中 短链脂肪酸产生的碳水化合物降解基因显著减少。微生物组和宏基因组的这些变化与结直肠癌患者中丁酸盐浓度的降低相吻合。

· 结合G 蛋白偶联受体 (GPCR),减少促炎细胞因子

除了作为能源,短链脂肪酸还作为配体结合结肠细胞和免疫细胞上的特定 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 。因此,它们可以充当信号分子,通过 GPCR 减少促炎细胞因子的产生并增加大肠中调节性 T (Treg) 细胞的总数。

与短链脂肪酸特异性结合的主要 GPCR:

GPCR43 (FFAR2)、GPCR41 (FFAR3) 和 GPCR109A 

· 表观遗传效应——短链脂肪酸阻碍结直肠癌发生

组蛋白修饰的诱导,导致在细胞中NF-κB信号传导的抑制。

MUC4 表达的调节是短链脂肪酸阻碍结直肠癌发生的一个表观遗传学例证。由 MUC 基因编码的粘蛋白介导肿瘤与免疫细胞的相互作用,促进细胞增殖和转移。丁酸盐会降低结肠癌细胞系中 HNF-4α 的表达,进而降低 MUC4 的表达

短链脂肪酸表观遗传效应的一个独特机制是丁酸盐对脾酪氨酸激酶 (Syk) 的影响,这是一种在癌症进展中起关键作用的非受体酪氨酸激酶。

短链脂肪酸还能抑制COX-2酶,从而减少前列腺素的产生。它们一起帮助增加凋亡活性,减少肿瘤细胞的增殖,同时允许正常细胞增殖。

胆汁酸代谢

· 初级胆汁酸—>次级胆汁酸

初级胆汁酸在肝脏中合成,与牛磺酸或甘氨酸结合,并在肠道中释放。到达结肠后,胆汁酸被肠道微生物群的胆汁盐水解酶解偶联,随后被 7α-脱羟基细菌转化为危险的次级胆汁酸

肝脏中初级胆汁酸的合成和肠道细菌进行胆汁酸的生物转化

Jason M. Ridlon,et al.,  Gut Microbes,2016

· 次级胆汁酸升高—>结直肠癌

代谢组学分析证实,腺瘤和/或粘膜内癌中次级胆汁酸水平升高,包括脱氧胆酸 (DCA) 。在小鼠中,已发现 DCA 诱导肠道微生物群的改变,伴随着肠道屏障受损、低度炎症和结肠肿瘤。DCA 诱导的生态失调的特点是病原菌丰度增加有益菌丰度减少,微生物群落结构的这种变化本身就足以引起疾病。

与此同时,以抗癌特性著称的次级熊去氧胆酸(UDCA) 在结直肠癌患者中的含量较少

· 高脂肪低纤维饮食—>饮食改变—>抑制次级胆汁酸

一般来说,高脂肪和低纤维饮食早已被认为是结直肠癌的危险因素。具体而言,这种饮食与较低水平的结肠短链脂肪酸较高水平的结肠次级胆汁酸和粘膜增殖性癌症风险生物标志物相关。有意思的是,定向饮食改变(从高脂肪/低纤维饮食转变为低脂肪/高纤维饮食,反之亦然)导致癌症风险的粘膜生物标志物发生显着的相互变化,糖酵解发酵丁酸生成增加抑制低脂肪/高纤维饮食组中的次级胆汁酸合成。

04 用于结直肠癌诊断的菌群生物标志物

研究表明微生物组成发生了变化,伴随着微生物基因丰度和微生物相关代谢物的变化,这些变化都与恶性程度成正比。尚不清楚这些物种和代谢物是否直接导致肿瘤发生;如果不是,罪魁祸首可能是这些结构变化所创造的微环境,然后促进炎症、增殖和癌症进展。

无论如何,确定可重复的结直肠癌微生物生物标志物可能有助于设计用于结直肠癌诊断的非侵入性工具。例如,结直肠癌患者表现出促炎F. nucleatum的富集和降低的有益菌水平——这在区分结直肠癌样本和不同人群的对照方面表现良好,因此可能具有普遍用于非侵入性结直肠癌诊断的潜力。

· 寻求普遍特征,衍生代谢物作为早筛补充标志物

即使人类在肠道微生物群落的结构方面可能有所不同,但可能存在某些与结直肠癌相关的微生物失调的普遍特征。此外,肠道微生物群衍生代谢物(如 SCFA、胆汁酸和蛋白质衍生代谢物)的水平已反复报道与结直肠癌进展相关,并已被提议作为早期筛查结直肠癌补充生物标志物

· 潜在的预后标志物

除了提供诊断标志物外,肠道微生物群的分析也可能有助于结直肠癌的预后。例如,癌组织中具核梭菌F. nucleatum的富集与较短的生存期相关,因此可能作为潜在的预后标志物。

· 潜在检测/诊断方法——代谢组学特征相关性

另一种无创检测/诊断结直肠癌的潜在方法可能依赖于粪便样本代谢组学特征的相关性。除了短链脂肪酸(乙酸和丁酸盐),代谢产物如异种生物血红素、肽/氨基酸(脯氨酸和半胱氨酸)、维生素和辅助因子在结直肠癌样本中都显示出改变。

此外,结直肠癌宏基因组分析突出了蛋白质和粘蛋白分解代谢基因的富集,以及碳水化合物降解基因胆汁酸基因的消耗,这些基因可用作结直肠癌诊断的特征。

总的来说,需要进一步的研究来确定与结直肠癌普遍相关的微生物,以用于早期无创诊断和预后。

05 结直肠癌的微生物群干预 

目前,正在广泛寻找替代疗法以帮助治疗癌症。既然微生物群的失调与癌症风险和结直肠癌的发展密切相关,那么是否可以利用微生物的调节来帮助结直肠癌的治疗和预后?

接下来,对目前已有的益生菌,益生元,合生元,后生元在结直肠癌中的作用进行逐一分析。

益生菌

益生菌被定义为“活的微生物,当给予足够的量时,可以为宿主带来健康益处”。

益生菌的潜力不仅仅是调节肠道微生物群;它们已成为包括结直肠癌在内的多种疾病的宿主微生物组调节疗法的药物

很多时候我们知道益生菌有许多好处,但它通过哪几种途径影响?怎么调控?对于这些并不清楚。

目前已有的体内或体外关于结直肠癌使用益生菌的研究

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms,2021

许多研究已经探讨了益生菌菌株影响或与致病菌相互作用的方式,这些致病菌促进结直肠癌的发展,例如幽门螺杆菌、沙门氏菌、脆弱拟杆菌、具核梭菌和一些大肠杆菌菌株, 这些病原体能够降解肠道并释放剧毒化合物,从而破坏肠道稳态的平衡

益生菌正是通过降低环境的 pH 值、产生细菌素和降低促癌酶的水平来对抗这些致病菌的增殖。

· 益生菌和致病菌竞争

发现两种罗伊氏乳杆菌菌株ATCC PTA 6475 ATCC 53608减少肠病原性大肠杆菌(EPEC) 的感染。其机制可能与竞争排斥有关,即益生菌和致病菌株之间竞争上皮表面结合位点。通过与粘液层结合,罗伊氏乳杆菌可以对 EPEC 感染形成更强的物理屏障。

· 益生菌增强先天免疫功能

结直肠癌通常与免疫系统受损有关。TNF-α、IL-6、IL-1 和趋化因子通过促进血管生成和抑制免疫介导的肿瘤消除来诱导肿瘤生长,而树突细胞 (DC) 和自然杀伤 (NK) 细胞在早期防御癌症。益生菌可以增强先天免疫功能,包括中性粒细胞的吞噬活性和NK细胞的细胞毒活性;这种能力实际上可能是其抗感染或抗癌作用的根源乳酸菌(LAB) 菌株可调节髓样 DC 的成熟

微生物群和益生菌对结直肠癌的积极影响

Torres-Maravilla, E.et al.,Microorganisms,2021

益生菌促进巨噬细胞和树突状细胞分化,增强细胞毒性T细胞和NK细胞的活化。

· 益生菌介导抗肿瘤细胞因子 IL-18作用

促炎细胞因子为结直肠肿瘤发生提供关键保护,并且已经发现益生菌介导这种作用。抗肿瘤细胞因子 IL-18 通过 CD8 +细胞毒性 T 细胞 (Tc)、NK 细胞和 Th1 驱动的巨噬细胞活化的作用促进保护性宿主免疫。对IL-18缺陷的小鼠研究发现,乳酸乳球菌Lactococcus lactis subsp. cremoris C60可以恢复小肠固有层的T细胞群,从而导致CD4+ T细胞群中IFN-γ的产生反弹。除了 LAB 种类之外,酵母还能够免疫调节 IL-18 水平。

· 嗜酸乳杆菌 减少肿瘤数量

益生菌菌株还能够通过产生衍生分子细胞包膜成分来调节宿主免疫功能。大剂量嗜酸乳杆菌裂解物的给药显着减少了结肠炎相关结直肠癌模型中可见肿瘤的数量和平均体重。嗜酸乳杆菌裂解物作为免疫佐剂激活免疫反应。

· 益生菌对结直肠癌凋亡基因的调控

通过调控与细胞增殖和凋亡有关的基因影响结直肠癌。在 AOM/葡聚糖硫酸钠 (DSS) 治疗诱导的结直肠癌模型中,miR-155(诱导对化疗药物的抗性)水平显着增加

长双歧杆菌口服给结直肠癌小鼠导致 miR-155 以及 onco-miR-21a 的升高表达显着降低;此外,在健康和结直肠癌小鼠中,用长双歧杆菌治疗增加抑制肿瘤的 miR-145 和 miR-15a 的水平。鉴于 miR-21 的表达导致细胞增殖、血管内渗入、细胞迁移和转移增强,以及细胞凋亡率下降,这些共同导致癌症增强,因此益生菌对 miR-21 的影响特别有意义。

对益生菌罗伊氏乳杆菌的一项研究证明了来自热灭活的超声益生菌的高分子量分泌分子无细胞上清液成分的抗转移和抗增殖作用嗜酸乳杆菌20079胞外多糖(EPS) 通过细胞凋亡机制、免疫反应刺激和 NF-κB 炎症途径的失活对肿瘤细胞具有直接的细胞毒性作用。从酸奶中分离出的保加利亚乳杆菌B3 对结肠癌细胞 (HT-29) 具有抗癌作用。

· 益生菌菌株不存活也可发挥有益作用

据报道,死益生菌甚至细胞成分可以有效对抗癌症。植物乳杆菌的死菌株比活细菌能更好地抑制小鼠 AOM/DSS 诱导的结肠炎相关致癌作用。这是由于炎症抑制、细胞凋亡和增强 IgA 分泌的影响。死益生菌似乎比纯活益生菌更容易被 M 细胞吸收,从而产生更强的分泌免疫反应

宿主免疫系统与益生菌细胞成分之间的相互作用

Taverniti, V.et al., Genes Nutr. 2011

· 益生菌抑制表皮生长因子通路

一些益生菌与表皮生长因子受体 (EGFR)通路的抑制有关,表皮生长因子受体 (EGFR) 通路在结直肠癌相关信号传导中起重要作用。一些研究表明,在结直肠癌期间,EGFR 和 HER-2 基因的过表达导致该途径的失调,导致细胞增殖增加、细胞存活时间延长、抗凋亡作用和转移

总的来说,益生菌预防结直肠癌的一些机制包括改善宿主免疫应答、诱导细胞凋亡和抑制酪氨酸激酶信号通路。

益生元

一种选择性发酵的成分,允许在胃肠道微生物群的组成和/或活性方面进行特定修改,从而有益于宿主的健康和健康”。

益生元的好处包括对肠道病原体的抗菌活性、调节免疫系统、减少肠道炎症和结肠炎、预防结直肠癌、肠道稳态和调节宿主能量代谢。

· 菊粉调节肠道微生物群

益生元可以通过特定细菌的代谢对结肠产生有益健康的作用。研究表明,富含菊粉的食物可以增强拟杆菌中主要的丙酸盐生产者,这主要是由于拟杆菌科、卟啉单胞菌科,尤其是普氏菌科显著增加

菊粉还有助于减少厚壁菌门,这主要是由于较少的毛螺菌科。应该指出的是,厚壁菌门/拟杆菌门的高比例主要与炎症相关疾病有关,例如肥胖或糖尿病。因此,该研究中证明的较低比例表明菊粉具有保护作用。

此外,菊粉导致促炎菌群的大量减少,例如与脱硫弧菌属嗜胆菌属相关的菌群。

· 酚类化合物调节菌群

益生元酚类化合物如花青素、鞣花酸和鞣花单宁能够通过改变厚壁菌门、拟杆菌门和变形杆菌门的丰度来恢复所有群体细菌的生物多样性。

最常见的 NDO、低聚果糖 (FOS)、低聚半乳糖 (GOS) 和低聚木糖 (XOS) 会影响微生物群的组成,导致肠道双歧杆菌乳酸菌属数量增加。源自乳果糖的低聚半乳糖导致拟杆菌双歧杆菌增加厚壁菌减少。研究还表明,其他良好的丙酸盐生产者数量更多,例如ParaprevotellaParabacteroides属,两者都与健康益处相关,包括预防促炎性肠道疾病和结直肠癌。

· 发酵代谢物的生产——短链脂肪酸

前面章节我们已经了解短链脂肪酸能够通过多种机制严重影响结肠细胞的代谢、细胞代谢、宿主免疫反应和健康、信号通路、表观遗传学和基因表达。

· 直接作用

改变盲肠、结肠和粪便中细菌细胞的基因表达;增强结肠对微量营养素的吸收;外源代谢酶的调节。

金合欢胶是一种可溶性纤维益生元,可显着降低诱发结直肠癌的小鼠的β-葡萄糖醛酸酶水平

多酚可以抑制梭菌、拟杆菌丙酸杆菌的增殖,从而提高有益双歧杆菌乳酸杆菌的丰度。约10%的酚类成分是生物可利用的,其余部分被肠道菌群裂解成其他低分子量的酚类物质,可以被微生物群调节或吸收。

菊薯(Smallanthus sonchifolius)可以增加上皮粘液的产生并保持肠道紧密连接的完整性,从而防止细菌易位。

低聚糖等益生元可以通过模仿微绒毛乙二醇偶联物与细菌受体相互作用,从而阻止病原体附着在上皮细胞上,有效抑制病原体定植

枣多糖等益生元表明,它们可以影响某些有助于宿主健康的代谢途径,例如参与代谢的关键途径、ATP 结合盒 (ABC) 和双组分系统转运蛋白,以及 ABC 转运蛋白,包括那些预计会参与的转运蛋白糖和氨基酸代谢。

· 免疫调节

通过减少细胞增殖、刺激细胞凋亡的诱导、抑制血管生成和延迟转移过程来确保免疫防御和预防疾病。

菊薯可能有直接的免疫调节作用,并增加sIgA的水平。sIgA水平升高的原因是双歧杆菌属成员在盲肠中发酵的 FOS含量。菊薯补充剂对免疫系统有显著影响,这可以通过TNF-α/IL-10比例较低证明,代表了促炎细胞因子和抗炎细胞因子之间的平衡。一般来说,免疫系统的调节可以观察到更多的抗菌防御素、sIgA和抗炎细胞因子,主要是IL-10的产生

在一项结直肠癌患者的临床研究中,补充益生元显著增加了术前IgG和IgM水平。然而,术后补充IgG、IgA、总B淋巴细胞(CD19+)和抑制/细胞毒性T细胞(CD3+CD8+)水平均有所提高。益生元的使用增加了转铁蛋白的水平,缓解了身体的炎症反应。该研究的作者得出结论,术前一周推荐服用益生元来改善结直肠癌患者的血清免疫指标。

NVPS可以在体外激活巨噬细胞抑制结直肠癌。灵芝多糖(ghanoderma lucidum, GLP)与绞股蓝(Gynostemma pentaphyllum, gp)中提取的皂苷能明显改善小鼠炎症的肠道屏障。这种作用是通过减少息肉、将结肠M1转移到M2巨噬细胞、正向恢复e -钙粘蛋白/ n -钙粘蛋白比例、下调致癌信号分子来介导的。

合生元

“合生元”一词来描述具有协同作用的益生菌和益生元的组合。

在结直肠癌中,合生元已被证明通过多种不同的机制具有保护作用,包括调节肠道微生物群和免疫反应、减少炎症、生物合成具有抗肿瘤活性的化合物以及改善抗氧化系统。

例如,在结肠炎相关致癌模型中测试了益生菌 VSL#3 和菊薯(前面提到的益生元)共同给药效果

合生元显示出许多潜在的好处:它支持肠道屏障的完整性增加短链脂肪酸的浓度,以及参与内源性抗氧化防御系统的酶,并导致肠道微生物群的总体组成发生改变

· 合生元可增加 IL-2 和 IL-4 的分泌

前者对免疫细胞的调节有影响,与肿瘤大小呈负相关,而后者与TLR4的表达同时发生,导致先天免疫反应和抗肿瘤防御能力的提高

一项在在DMH/DSS大鼠模型的研究显示发芽糙米(GBR)与嗜酸乳杆菌/动物双歧杆菌亚种组合的保护作用。它可抑制肿瘤前病变(异常隐窖灶),并降低结肠中抗氧化酶(SOD)和凋亡相关蛋白(caspase-3和Bcl-2)的活性。作者推测,由于GBR是某些结肠细菌的良好底物,因此促进了结肠内的发酵和短链脂肪酸的产生,结肠上皮细胞可能利用增加的短链脂肪酸供应来产生额外的粘蛋白。通过这种方式,合生元可以调节结肠黏液的分泌及其在结直肠癌发生过程中的改变,以防止更先进的异常隐窝灶的形成。

同样,研究发现,食用含有B. longum (BB536-y)和低聚果糖的酸奶可以提高健康人粪便样本中的短链脂肪酸含量。该组合显著抑制了脆弱拟杆菌肠毒素的检测量。

· 另一种机制是通过改善抗氧化特性

例如,姜提取物与嗜酸乳杆菌菌株 MTCC 5401一起给药,对减少肠道炎症(即降低 TNF-α 和 IL-6 水平)和降低炎症相关基因Cox-2、iNOS和c-Myc的表达有积极作用。有趣的是,单独使用生姜提取物或 LAB 处理均没有对抗氧化特性产生任何影响。它们一起导致丙二醛(MDA,诱变剂和肿瘤促进剂)水平显著下降,超氧化物 (SOD) 和过氧化氢酶 (CAT) 水平显著增加

抗氧化剂表没食子儿茶素没食子酸酯 (EGCG) 已证明可用作乳酸菌属的益生元,因为与许多细菌不同,它们具有代谢酚酸(如 EGCG)所必需的苯酚脱羧酶和诱导酸苯酚还原酶活性。

柘木叶提取物与加氏乳杆菌组合从具有抗氧化活性的 β-酪蛋白和酚类化合物中释放生物活性肽。

乳酸菌和蔓越莓的组合。蔓越莓中的酚类化合物对某些乳酸菌株没有抑制作用,甚至可能作为益生菌的生长促进因子。从益生菌生物量(嗜酸乳杆菌CL1285,干酪乳杆菌LBC80R,鼠李糖乳杆菌CLR2)中提取的浓缩蔓越莓汁和细胞壁的组合对HT-29细胞有增强的抑制作用。此外,酚类化合物和益生菌生物量刺激了醌还原酶的活性,醌还原酶是一种II期解毒酶,提供了对有毒和活性化学物种的保护。

后生元

后生元是益生菌在细胞游离上清液中分泌的代谢产物的复杂混合物,包括酶、分泌的蛋白质、短链脂肪酸、维生素、分泌的生物表面活性剂、氨基酸、肽和有机酸,这些物质直接或间接地对宿主产生有益影响。

由于后生元不含活微生物,与它们的摄入量相关的风险最小化。在概念上类似于副益生菌制剂,即益生菌的灭活微生物细胞(完整或破裂,包含肽聚糖、磷壁酸和表面蛋白等细胞成分)或粗细胞提取物(即具有复杂的化学成分)。

鼠李糖乳杆菌(LR) KCTC 12202BP,已知它通过调节信号通路抑制细胞因子介导的小鼠和人肠上皮细胞凋亡。在裂解液中,研究人员鉴定了一种lr衍生的治疗性蛋白p8,该蛋白可抑制CRC增殖。

在益生菌L. casei ATCC334的条件培养基中发现了另一种肿瘤抑制分子铁铬。铁铬是一种铁载体,是结直肠癌细菌抗肿瘤功能的中介物,通过激活c-jun n -末端激酶诱导细胞凋亡。它能抑制癌细胞生长,但不能抑制炎症等癌前病变的出现。

下一代益生菌

· Akkermansia muciniphila

Akkermansia muciniphila可能有进一步的潜力用于抗癌免疫治疗,如靶向程序性细胞死亡蛋白1 (PD-1)的治疗。

一项关于对抗pd1治疗有反应和没有反应的患者的微生物群差异的调查发现了有趣的结果。A. muciniphila被发现在有反应者的微生物群中特别富集,其重要性通过将粪便微生物群移植到无菌小鼠中得到证实。A. muciniphila本身能够提高抗pd -1封锁的效力,给小鼠注射无反应菌群。鉴于针对PD-1蛋白及其配体PD-L1(程序性死亡配体1)的癌症免疫治疗日益普及,这一发现具有特别的相关性,该疗法已显示出对各种癌症患者的益处。

· Butyricicoccus pullicaecorum

目前正在研究的另一种新一代益生菌是丁酸球菌(Butyricicoccus pullicaecorum),它可以预防坏死性肠炎并减少盲肠和回肠中的致病菌数量,在一项人体干预试验中已报道其安全性

这种细菌也与结直肠癌有关,因为在晚期结直肠癌患者的粪便中,这种细菌明显较少。B. pullicaecorum的抗癌作用似乎与其高产量的丁酸盐有关,在DMH/DSS肿瘤发生的动物模型中,丁酸盐通过上调SLC5A8和GPR43抑制CRC细胞生长。已知SLC5A8和GPR43作为肿瘤抑制因子;缺乏SLC5A8的小鼠发生结直肠癌,而GPR43的激活可以预防结肠炎症和癌症。

· 合成益生菌

近日,研究人员发现,由戊糖片球菌Pediococcus pentosaceus和P8治疗蛋白组成的有效且稳定的合成益生菌可以减少结直肠癌,合成益生菌调节肠道微生物群缓解化学诱导的生态失调。

06 结直肠癌的预防

以下分别是结肠癌复发率高和低的人群偏爱食物:

综上,预防结直肠癌建议(仅供参考):

饮食

水果和蔬菜:例如绿叶蔬菜、芒果、浆果、哈密瓜等,多吃富含叶酸的食物。德克萨斯儿童医院临床营养师认为:叶酸含量低的饮食可能会增加患结肠癌的风险,并且还会加速那些结肠癌患者的病情恶化。

全谷类:全麦面食、面包、糙米、小米等。富含纤维和营养素,可能有助于对抗结肠直肠癌。

奶制品:乳制品与结直肠癌风险降低相关,可使结直肠癌风险降低13%-19%。低脂高钙乳制品,包括牛奶、奶酪、酸奶等。

生活方式

限制饮酒:饮酒与结直肠癌风险增加有关,且具有剂量依赖性,酒精的摄入量越高,结直肠癌的风险就越大。男性每天不超过两杯,女性尽可能不超过一杯。

戒烟:吸烟是结直肠癌的危险因素,为了身体健康,尽可能少吸烟或者不吸烟。

结 语

肠道微生物生态系统通过其代谢和免疫功能对人体生理产生相当大的影响。不仅是结直肠癌,还包括许多其他疾病与肠道微生物群之间存在深刻而根本的联系,因此调节肠道微生物群代表了一种有吸引力的治疗选择。

目前,各类已发表的期刊中,围绕着肠道菌群的各类疾病深入研究仍是一大热点,受关注程度还在不断上升,微生物方向的探索对于癌症治愈是有希望的。然而,肠道菌群复杂多样,与众多环境及疾病因素息息相关,解析肠道菌群与健康的关系,更大规模的队列需要研究,更多因果关系需要探索,更多机制等着进一步阐明。

为推动肠道菌群的健康及临床应用,谷禾基于自身检测和数据分析优势设立开放基金,希望联合来自各个领域和方向的研究人员以及合作者,帮助完成大样本队列的实验和检测以及后续的深度分析。最终早日实现肠道菌群在现实生活和临床应用中的落地。

谷禾健康目前已完成超过2000例的结直肠癌和进展期腺瘤临床样本检测,并基于肠道菌群构建预测模型。模型在结直肠癌患者中具有较高的检出率,同时也可有效检出部分肠息肉样本。我们在数万例样本的实际测试表明肠道菌群可以作为结直肠癌的有效标志物,结合机器学习和大规模样本数据将来可以更好的帮助我们预防和控制结直肠。

基金主要支持方向

基于上述目的和定位,支持方向为人体肠道菌群研究,具有实际临床意义或健康检测价值的实验设计或设想。不仅限于科研人员,也面向公众、团体和机构。方向可以包括:传染病、肿瘤、慢性病、药物、营养或发育等,并不仅限于疾病或诊疗,也可包括饮食、生活方式、生长发育或认知心理等方向。

基金支持内容:

基金为长期开放,随时申请,申请通过后签订项目合同,并随时公布入选项目清单,并会同时定期公布项目进展情况。

项目会分三个阶段,根据项目进展情况逐步推进,由谷禾专家团队评议是否进入下一个阶段。

基金不直接提供资金,谷禾会免费提供包括:

1、研究方案设计   2、取样保存盒   3、样本处理测序   4、数据分析报告   5、论文图表及撰写支持   6、应用模型构建

如有需要,点此申请开放基金

主要参考文献:

Taverniti, V.; Guglielmetti, S. The immunomodulatory properties of probiotic microorganisms beyond their viability (ghost probiotics: Proposal of paraprobiotic concept). Genes Nutr. 2011, 6, 261–274.

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Mahdavi, M.; Laforest-Lapointe, I.; Massé, E. Preventing Colorectal Cancer through Prebiotics. Microorganisms 2021, 9, 1325.

Saito, S.; Kakizaki, N.; Okuno, A.; Maekawa, T.; Tsuji, N.M. Lactococcus lactis subsp. Cremoris C60 restores T Cell Population in Small Intestinal Lamina Propria in Aged Interleukin-18 Deficient Mice. Nutrients 2020, 12, 3287.

Torres-Maravilla, E.; Boucard, A.-S.; Mohseni, A.H.; Taghinezhad-S, S.; Cortes-Perez, N.G.; Bermúdez-Humarán, L.G. Role of Gut Microbiota and Probiotics in Colorectal Cancer: Onset and Progression. Microorganisms 2021, 9, 1021.

Coker, O.O.; Wu, W.K.K.; Wong, S.H.; Sung, J.J.Y.; Yu, J. Altered Gut Archaea Composition and Interaction With Bacteria Are Associated With Colorectal Cancer. Gastroenterology 2020, 159, 1459–1470.

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