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肠道微生物群与五种癌症的相互作用:致癌 -> 治疗 -> 预后

谷禾健康

肠道微生物群在癌症中发挥免疫调节和抗肿瘤作用,肠道微生物失调可诱导有毒代谢物的释放,并在宿主体内表现出促肿瘤作用。肠道微生物群也能调节标准化疗药物和天然抗癌药物的疗效

本文列举5种常见的癌症(结直肠癌、肺癌、乳腺癌、前列腺癌、胃癌),以及肠道微生物群在癌症中的复杂作用。

肠道微生物群与癌症发病的关系概览

K. Jaye et al. Critical Reviews in Oncology / Hematology,2021

在进入具体的5种癌症章节之前,我们先来了解一下,微生物群与癌症的关系。有研究人员将微生物群和癌症之间的关系分为三个层次: 一级、二级和三级相互作用

01 微生物群与肿瘤微环境的一级、二级和三级相互作用

K. Jaye et al. Critical Reviews in Oncology / Hematology,2021

一级相互作用(主要)

主要的相互作用考虑了肿瘤微环境和微生物群之间的直接联系。几项体内和体外研究主要从两个方面支持了这种关系:

a) 肠道微生物群可通过生物失调导致致癌

b) 肠道微生物可通过调节肿瘤活性干扰化疗药物的疗效

二级相互作用(次要)

次要的相互作用考虑了组织或器官系统的微生物群和同一大体分区内的肿瘤之间的联系。这种相互作用水平有助于识别用于筛选不同癌症类型的潜在生物标志物。特别地,来自局部组织或器官环境的次级微生物群可包含来自肿瘤微环境和初级微生物群落的痕迹,其可用作癌症的生物标志物;但这些诊断过程往往很复杂。

三级相互作用

肠道微生物群和肿瘤之间的三级相互作用解释了位于体内不同部位的肿瘤上的微生物群的影响。对这种相互作用水平的研究对于确定生理上遥远的微生物种类和感兴趣的肿瘤之间的关系具有重要意义,这对于确定癌症患者中潜在治疗选择的功效也具有临床相关性。

这些三级相互作用可以通过以下方式影响癌症:

  • 调节化疗的功效和毒性
  • 修饰免疫系统
  • 产生调节激素或宿主代谢的代谢物(所述代谢物可以影响癌症表型和/或结果 )

肠道微生物群可以通过启动代谢过程(包括水解和还原)来调节口服药物代谢,这直接影响药物毒性,并可以增强或抑制药物活性。微生物群与肿瘤之间的三级相互作用也可以帮助诊断不同类型的癌症。

肠道微生物群的促肿瘤、抗肿瘤和免疫调节作用

K. Jaye et al. Critical Reviews in Oncology / Hematology,2021

了解这些相互作用便于后面章节所述癌症的理解。接下来列举的是5种常见癌症,以及它们与微生物群之间的关系。

02
五种常见癌症及其与微生物群的关系

1

结直肠癌

在与肠道微生物群相关的各种癌症中,迄今为止对结肠直肠癌的研究最为广泛,肠道微生物群与疾病进展之间存在很强的相互关系。

菌群失调和致癌

在结直肠癌患者中存在菌群失调,这意味着其在结直肠癌发生发展中的潜在作用。结肠直肠癌与饮食因素和生活方式直接相关,饮食因素和生活方式改变了人类独特的肠道菌群。

结肠直肠癌的发生通过多种机制发生,如炎症、致癌物的激活、致瘤途径以及宿主DNA的改变/破坏

对结直肠癌有致癌作用的菌

已经确定了肠道微生物群中的几种菌,这些细菌除了它们的致病性之外,还被假设对结肠直肠癌具有致癌作用(主要是通过初级相互作用),包括幽门螺杆菌、肝螺杆菌Helicobacter hepaticus、牛链球菌Streptococcus bovis、大肠杆菌、脆弱拟杆菌B. fragilis、败血梭菌Clostridium septicum、粪肠球菌Enterococcus faecalis、具核梭杆菌F. nucleatum、厌氧消化球菌Peptostreptococcus anaerobius和牙龈卟啉单胞菌Porphyromonas gingivalis,所有这些细菌都显示出潜在的致癌作用

这些菌如何诱导结直肠癌?

这些细菌可通过激活STAT3、NF-κB、Wnt和SREBP-2途径、诱导COX-2表达、与TRL2和TRL4相互作用、刺激促炎细胞因子(IL-1β、IL-6、IL-8、IL-17、TNF-α和IFN-γ)产生、调节NLRP3炎症体活性,通过氧化应激活性氧(ROS)和活性氮(RNS)DNA损伤来诱导结直肠癌的发生。

“司机-乘客”理论

肠道细菌(驱动菌,就好比司机)通过破坏上皮DNA导致肿瘤发生,进而促进细菌(乘客)增殖,使其在肿瘤微环境中具有生长优势,从而诱导结直肠癌。

肿瘤微环境由基因改变的癌细胞、非肿瘤细胞和多种微生物组成。

在结直肠癌的肿瘤微环境中,梭杆菌富集,拟杆菌门和厚壁菌门减少,产丁酸菌显著减少,导致致病菌增加。

产丁酸菌在肠内形成功能团,并在肠上皮细胞的粘膜层上定居后表现出厌氧和氧敏感活性,这增加了丁酸盐的生物利用度。这一菌群通过保存肠道上皮功能和释放免疫调节和抗炎剂来促进肠道稳态。

致病因素对结直肠癌病因和进展的贡献与肠道微生物代谢物的累积效应有关,而不是单一菌种的作用。

结直肠癌早期代谢物的变化

肠道内的微生物代谢组以及特定细菌和真菌病原体的促致癌功能都可以催化致癌。

结肠直肠腺瘤(结肠直肠癌的前体)患者的肠道代谢物如生物活性脂质(包括多不饱和脂肪酸、次级胆汁酸和鞘脂)升高,突出了结肠直肠癌发病机制中潜在的早期驱动代谢物。且与男性相比,在女性中观察到更强的肠道微生物组-代谢组关联。

肠道微生物群在结肠癌抗癌治疗中的作用

粪菌移植

粪便微生物群移植在结直肠癌治疗中的功效,是通过免疫治疗功效的调节、胆汁酸代谢的改善和肠道微生物多样性的恢复来介导。该方式的安全性和有效性仍需谨慎评估。

益生菌、益生元

益生元如菊粉、β(1–4)低聚半乳糖、低聚果糖、乳果糖、抗性淀粉、麦麸在结直肠癌中发挥有益作用。

一项体外实验研究了乳酸菌产生的一类重要代谢产物——细菌素对不同菌株幽门螺杆菌的抑菌活性,发现乳酸菌素A164和乳酸菌素BH5对幽门螺杆菌具有显著的抑菌活性。

该研究还表明,由益生菌菌株-嗜酸乳杆菌P38、长双歧杆菌P29和乳酸乳球菌M92产生的乳酸可以抑制幽门螺杆菌的生长,表明益生菌在幽门螺杆菌相关溃疡和癌症中的潜在治疗应用。

女性通过雌激素抑制结直肠癌

在世界范围内,结直肠癌男性比女性更常见。雌激素会影响肠道微生物群的组成。

两项研究证明,17β-雌二醇(一种雌激素)通过上调用氧化偶氮甲烷/硫酸葡聚糖钠处理的雄性ICR小鼠的Nrf2,改变肠道微生物群抑制结肠直肠癌的诱导

由于文献中的大多数研究是在体外和体内进行的,在制定基于益生元的结直肠癌策略之前,有必要进行更多的临床研究,这些研究将遗传、环境因素、年龄、性别、种族、文化、饮食和地理位置考虑在内。总的来说,这些临床发现对以肠道微生物群为中心的结直肠癌的诊断、预防和潜在治疗策略有积极的贡献。

2

肺 癌

肺癌是常见的恶性肿瘤之一,迫切需要制定有效的肺癌治疗策略。研究表明,肠道和肺部微生物群之间通过淋巴和血液循环系统在双向轴上存在复杂的联系。肠-肺轴是最近的科学认识,可能是肺癌治疗的潜在未来方向。

肠道菌群在肺癌的抗癌治疗中的免疫调节

特定的微生物群,其功能是调节针对肿瘤发生的免疫反应并增加针对癌症的免疫疗法的功效(三级相互作用)。

K. Jaye et al. Critical Reviews in Oncology / Hematology,2021

肠道微生物群产生代谢物和信号分子,包括SCFAs、肌苷、脂多糖(LPS)和IFN-γ,它们调节T细胞、B细胞、NK细胞、树突状细胞和巨噬细胞对抗肿瘤微环境的活性。

针对肠道微生物群,CD8 + T细胞、自然杀伤细胞和巨噬细胞产生穿孔素、颗粒酶、白细胞介素-12、白细胞介素-1β和肿瘤坏死因子来抑制肿瘤。

肠-肺轴一个部分的改变可能会影响另一个部分,这可能与肠和肺微生物群组成或免疫系统功能的变化直接相关。肠道微生物群在肺癌抗癌反应中的重要性已被癌症免疫周期所考虑。

抗癌免疫是如何发生的?

癌症免疫周期承认,抗癌反应是由释放促炎细胞因子构成的,该细胞因子来源于肠道微生物群的代谢物,这进一步导致针对癌症特异性抗原的效应T细胞的激活。效应T细胞的激活导致肿瘤细胞床的侵袭,与特定的肿瘤抗原结合,有效地破坏恶性肺癌细胞

肠道菌群在其中的作用

肠道微生物组对B和T细胞的引发和成熟通过抗体的作用增强了粘膜保护,因为它始于肠粘膜层,并通过淋巴和血液循环系统沿其他粘膜表面传播。这启动了远离起源部位的免疫反应

肠道菌群对ICIs癌症治疗中疗效影响显著

肠道微生物群已被证明对免疫检查点抑制剂(ICIs)在癌症治疗中的疗效有显著影响。例如,施用抗生素抑制了ICIs靶向患者和小鼠非小细胞肺癌的PD-1/PD-L1。

注:PD-1,程序性细胞死亡1;PD-L1,程序性细胞死亡1配体1

对患者粪便样本的宏基因组分析发现,Akkermansia muciniphila(回肠微生物群中最丰富的细菌之一)的相对丰度非小细胞肺癌患者对ICIs的良好临床反应相关,然而,免疫调节作用的机制仍不清楚。

肠道菌群失调降低疗效

另有研究也表明抗生素相关的肠道微生物失调降低了ICIs在非小细胞肺癌患者中的临床疗效,并且无论肿瘤部位如何,都需要完整的肠道微生物群来动员免疫系统。

一项回顾性研究报告了抗生素对中国109例晚期非小细胞肺癌患者抗PD-1 ICIs临床结局的不利影响。通过上调肺癌小鼠模型中VEGFA表达下调BAX和CDKN1B表达来促进肿瘤生长和降低生存率,也证明了抗生素相关性肠道微生物失调对标准化疗(如顺铂)疗效的不利作用

嗜酸乳杆菌Lactobacillus acidophilus联合顺铂治疗的小鼠表现出增强的抗肿瘤反应,上调了IFN-γ、颗粒酶B和穿孔素1的表达。

抗生素联合气溶胶疗法

一项有趣的研究表明,抗生素和益生菌气溶胶疗法改变肺部微生物群,可以预防黑色素瘤B16肺转移,并增强雌性C57BL/6小鼠对化疗的应答。

他们实施了万古霉素/新霉素气雾剂疗法,以减少调节性T细胞并增加T细胞和NK细胞的激活,这导致细菌载量的减少和黑色素瘤B16肺转移显著减少

该研究还发现,鼠李糖乳杆菌GG双歧双歧杆菌MIMBb23sg的气溶胶疗法显著增加标准化疗药物抗肿瘤作用。此外,鼠李糖乳杆菌GG通过增加NK细胞和T细胞中CD69的表达,强烈促进了对B16转移肿瘤的免疫力

总之,这些发现强调了肠道微生物群的重要影响,尤其是在肺癌的治疗和预后方面。然而,需要更多的研究来阐明肠道微生物群免疫调节作用的分子机制,以及它们在开发有效的肺癌治疗策略中的相关性。

3

乳腺癌

乳腺癌是常见的癌症之一,也是全球女性癌症相关死亡的主要原因。目前,对肠道微生物群理解的不断深入,肠道微生物群与乳腺癌关系也得到了进一步研究。除了遗传学,肠道微生物群可能在乳腺癌的发病机制中起重要作用。

菌群失调和致癌

一项关于绝经后妇女的研究调查了乳腺癌肠道代谢组学改变的相互关系。发现健康对照受试者和绝经后乳腺癌患者的肠道微生物组的组成生物活性存在差异,其中绝经后乳腺癌患者的肠道宏基因组具有编码β-氧化、铁复合物转运系统和脂多糖生物合成的基因。

体外研究提供了支持肠道微生物群与乳腺癌转移进展之间联系的功能证据,其中微生物代谢物可以通过血液传播,影响乳腺癌细胞和免疫细胞的功能。

此外,已经确定肠道微生物群中预先存在的干扰增加了乳腺癌细胞转移,然而,需要进一步的研究来确定这些发现在临床环境中的相关性。

肠道微生物群和激素调节之间的联系

另有研究报告了肠道微生物群对乳腺癌的多因素影响的几个有趣方面,这些影响是通过调节类固醇激素代谢以及粘膜和全身免疫反应介导的。例如,肠道微生物群可能通过介导类固醇激素的代谢模拟雌激素的生物活性代谢物的合成,在乳腺癌的发展中发挥重要作用。

下图描述由宿主中激素释放活性障碍引起的生理效应,包括代谢过程的变化和肠道内炎症和癌症的调节。

K. Jaye et al. Critical Reviews in Oncology / Hematology,2021

肠道微生物群和激素调节之间的相互联系是确定乳腺癌精确疗法的一个有前途的研究领域。

现有研究为肠道菌群贡献和乳腺癌风险提供评估

虽然肠道微生物群与乳腺癌之间的相关性和因果关系尚未明确,但乳腺癌的风险肠道和乳腺微生物群组成和功能以及接触有害环境污染物(如可能导致生物失调的内分泌干扰物)有关。尽管病例对照临床研究目前正在进行中(NCT03885648),但它对肠道微生物群(细菌、古细菌、病毒和真菌)的贡献以及环境压力对乳腺癌相关风险的改变提供了潜在的首次评估,这可能有助于理解风险因素、改善预后和定义乳腺癌的新干预措施。

肠道微生物群在乳腺癌抗癌治疗中的作用

最近的两篇综述探讨了肠道微生物群在乳腺癌中的作用。他们回顾了几项临床前和临床研究,这些研究涉及益生菌如罗伊乳酸杆菌、瑞士乳杆菌R389、副干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌双歧杆菌,及其对乳腺癌的潜在治疗效果的机制:

直接机制:抑制早期癌变、诱导乳腺癌细胞凋亡和抑制肿瘤生长

间接机制:通过升高IL-10降低IL-6水平进行免疫调节

两项在clinicaltrials上注册的正在进行的临床试验(NCT03358511和NCT03760653),也在研究益生菌对乳腺癌的治疗效果。

总的来说,需要更多的研究来了解益生菌在乳腺癌治疗中的功效。此外,未来的研究侧重于全面了解肠道微生物群对抗乳腺癌的直接和间接作用机制,以及益生菌如何影响乳腺癌标准和辅助化疗的疗效

4

前列腺癌

前列腺癌是男性人群中常见的癌症,虽然很普遍,但其危险因素还没有得到很好的确定或研究。

菌群失调和致癌

越来越多证据支持菌群失调和前列腺癌之间的生物学关系。恶性肿瘤和炎症之间的联系已经成为许多现有研究中的重要考虑因素,强调了炎症刺激(三级相互作用)在前列腺癌的发展和进展中的可能意义。

前列腺癌的肠道菌群变化

早期该研究的相关信息非常有限。2018年,对20名高加索血统的参与者进行的病例对照研究发现,良性对照受试者和前列腺癌男性的肠道微生物组的组成有很大不同,这可能适应前列腺癌的发病机制和对其危险因素的进一步研究。特别是,与对照组相比,前列腺癌病例中Bacteroides massiliensis的相对丰度较高,而对照组中普氏栖粪杆菌 Faecalibacterium prausnitzii 直肠真杆菌Eubacterium rectalie的相对丰度较。该试点研究还报告了相关基因、途径和酶丰度的生物学显著差异

肿瘤组织微生物群变化

另有研究报告了前列腺癌中促炎拟杆菌链球菌丰度的显著差异,叶酸和精氨酸途径显著改变。对前列腺肿瘤微环境的分析显示,与非肿瘤组织相比,肿瘤/肿瘤周围组织中的葡萄球菌 Staphylococcus明显,而丙酸菌属Propionibacterium 在所有测试的肿瘤/肿瘤周围和非肿瘤组织中最为丰富

肠道微生物群在前列腺癌抗癌治疗中的作用

类似于结直肠癌和乳腺癌,雌激素调节肠道微生物群与前列腺癌的相互关系也被认为是可能的。

对30例患者进行的横断面研究进一步验证了肠道微生物群、激素调节癌症治疗疗效之间的相互作用。作者发现,口服雄激素受体轴靶向治疗的男性,其肠道菌群组成存在显著差异

该研究发现了大量的Akkermansia muciniphilaRuminococcaceae菌,这两种菌曾被认为与抗PD -1免疫治疗反应有关。

5

胃 癌

作为全球范围内癌症相关死亡的第三大原因,胃癌已经在风险因素和预防方面进行了广泛研究。

菌群失调和致癌

胃癌最重要和已知的风险因素是由幽门螺杆菌引起的感染,幽门螺杆菌是一种革兰氏阴性微需氧细菌,导致癌前病变的形成,包括异型增生,这可能进一步导致胃肠癌。国际癌症研究中心、世卫组织将幽门螺杆菌视为腺癌和粘膜相关淋巴组织淋巴瘤的一类致癌物。

肠道微生物群与胃癌之间的联系可进一步分为幽门螺杆菌和非幽门螺杆菌微生物群,作为菌群失调和癌症发病的致病菌。

与幽门螺杆菌阳性个体相比,幽门螺杆菌阴性个体拥有更复杂和高度多样化的微生物群,主要由5个优势门组成:变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、拟杆菌门和梭杆菌门。明确地说,胃癌被认为是炎症相关的(间接机制),因为幽门螺杆菌可以启动炎症反应并诱导异型增生,从而改变胃肠道内许多信号通路的调节。

来源于螺杆菌属的强毒蛋白,如外膜磷脂酶蛋白,有助于细菌在胃肠道粘膜层定居,从而引发胃炎发作,并因此增加胃内肿瘤发生的风险。

此外,胃中幽门螺杆菌产生高水平的活性氧和随之而来的DNA损伤也与致癌作用(主要相互作用)有关。幽门螺杆菌还会减少胃酸分泌,而胃酸减少的环境对许多细菌来说慢慢变得可以生存,从而导致胃酸缺乏症和胃微生物群的改变。

几项研究表明,胃癌中非幽门螺杆菌细菌,如乳酸菌Lactobacillus、毛螺菌科Lachnospiraceae、Escherichia-Shigella、硝化螺旋菌门Nitrospirae伯克氏菌属Burkholderia的丰度增加

肠道微生物群在胃癌抗癌治疗中的作用

越来越多的证据支持益生菌和益生元的治疗用途,它们在体外和体内对胃肠道恶性肿瘤具有显著的抗癌作用。已经确定将益生菌引入肠道上皮可以减少肿瘤的进展和复发,增强化疗药物的疗效。

对益生菌功能的进一步研究可能允许基于个体共生微生物组成进行给药。尽管已经在肠道微生物群和胃肠癌的发展之间得出了有希望的结论,但进一步的研究对于阐明这些生物过程的潜在机制至关重要。

03
肠道微生物群与标准抗癌药物的互作

肠道微生物群与化疗之间的关联通常是双向的。

1

肠道微生物群—>标准抗癌药物

肠道微生物群与宿主之间的生物相互作用可能会干扰抗癌药物的药代动力学。例如,许多研究表明,常驻肠道微生物群可以调节抗癌药物和治疗剂的活性,以及调节宿主对这些治疗方案的应答。

肠道微生物群可以通过三种主要临床结果介导宿主对化疗的应答:

1) 提高药物疗效

2) 破坏和损害抗癌效果

3) 调节毒性

这些研究证明了肠道细菌种类与化疗免疫治疗的药理作用之间的密切联系。

除了改善总体健康降低代谢紊乱慢性炎症的风险,肠道菌群如A.muciniphila, 脆弱拟杆菌B.fragilis, Bifidobacterium, Faecalibacterium,已被证明有助于动物模型和人类的抗癌免疫反应。

有趣的是,某些肠道细菌,如链霉菌WAC04685,通过体外去糖基化机制灭活抗癌药物。微生物群落代谢化疗药物以产生有毒的次级代谢物,这将直接干扰宿主对化疗代谢的免疫反应,同时改变宿主肠道微生物群结构。

2

标准抗癌药物—>肠道微生物群

铂类化疗,已被证实可能通过显示细胞损伤效应和改变DNA结构来干扰肠道微生物群。

化疗药物带来的炎症反应

研究表明,化疗药物会损害肠上皮和粘膜屏障,每一种都会极大地改变肠道微生物群,增加感染和疾病的概率。特别是,癌症患者的化疗已被证明通过ROS诱导的DNA损伤和细胞因子信号分子(NFκB途径、IL-1β、TNF- α和IL-12)导致肠上皮炎症和粘膜炎

当粘膜屏障受损时,致病菌共生菌共存,受损上皮细胞和致病菌分别释放的损伤相关分子模式(DAMPs)和病原体相关分子模式(PAMPs)反过来被Toll样受体(TLRs)识别,最终导致炎症

这些调节活动的机制框架包括易位、免疫调节、代谢、酶降解以及多样性和变异减少,并被科学地认为是“定时器”框架。

研究人员确定肠道微生物组和免疫系统之间的生物相互作用是由化疗后诱导的细菌易位构成的,该易位发生在淋巴器官内腔内

化疗患者的菌群变化

对接受化疗的癌症患者的人类粪便微生物群进行的16S rRNA测序显示,双歧杆菌属、乳杆菌属、韦荣球菌属 Veillonella和粪肠球菌属 Faecalibacterium prausnitzii 的数量减少,同时出现致病性和炎症性艰难梭菌Clostridium difficile粪肠球菌Enterococcus faecium

一项针对乳腺癌幸存者的研究发现,独特肠道微生物群的组成与癌症复发恐惧(FCR)之间存在直接关联,这意味着化疗药物诱导的微生物群变化可能是影响FCR的原因。

生活方式和抗生素改变菌群

除了化疗药物之外,生活方式因素(包括宿主环境和饮食)的中断已被证明会干扰肠道微生物群的组成。生活方式因素可以通过改变微生物群落结构来破坏肠道微生物群和宿主之间的共生关系,从而导致不利的化疗效果和结果。

此外,抗生素给药还被证明会破坏肠道微生物群,导致对抗癌化疗和免疫疗法的反应减弱。因此,这些发现为未来的研究提供了一个利基领域,以了解标准化疗对肠道微生物群的影响,定义精确的抗癌方案,并确定不同癌症类型的临床结果。

04
免疫疗法和天然抗癌物与菌群互作

1

癌症免疫疗法和肠道菌群

当前的癌症免疫疗法集中于利用特异性抗体自我调节癌症免疫周期,这确保了应答的传播而没有生物中断。

微生态的改变会中断和削弱化学信号,导致致病状态,包括与炎症相关的疾病和癌症。

无菌小鼠的免疫系统存在缺陷,包括先天免疫系统和适应性免疫系统。这种免疫是通过为模式识别而设计的受体通过PAMPs调节的,其中信号通路可以通过肠道微生物代谢物增强

肠道微生物群对抗癌免疫反应的调节活性也与通过微生物群影响PD-L1和CTLA-4抑制剂的疗效有关。当与双歧杆菌的口服给药相结合时,PD-L1特异性抗体疗法的给药可以显著调节肿瘤的发展,但在小鼠模型中肿瘤的生长几乎被消除。

阻断剂疗效取决于拟杆菌的存在

同样,CTLA-4阻断的疗效取决于肠道微生物群中拟杆菌的存在脆弱拟杆菌B. fragilis多形拟杆菌B. thetaiotaomicron的特异性T细胞免疫应答与CTLA-4阻断剂的疗效相关,在没有这些微生物群落的情况下,肿瘤进展对阻断剂具有抵抗力。

小鼠的一项研究确定了ICI功效与肠道菌群之间的联系,其中CTLA-4和PD-1抑制剂仅能够在共生细菌拟杆菌和双歧杆菌存在的情况下减少肿瘤生长。进一步的发现确定,除非用免疫治疗方法治疗,否则小鼠模型中的肿瘤生长对CTLA-4抑制剂阻断有抵抗性,这通过激活T细胞反应提高了这些抑制剂的功效。

2

天然抗癌化合物和肠道菌群

前面我们知道,癌症化疗/免疫疗法与肠道微生物群之间存在密切关系,而通过天然药物预防癌症是肿瘤学中一种很有前景的方法。天然药物包括膳食多酚、纤维、植物雌激素和维生素D等。

膳食多酚和肠道菌群互作

膳食多酚在几项临床前和临床研究中显示出显著的抗癌活性。肠道微生物群和膳食多酚之间的联系是双向的。例如,肠道微生物群能够生物转化膳食多酚,增加其生物利用度,膳食多酚可以通过抑制“坏”细菌的增殖和刺激“好”细菌来调节肠道微生物的组成和功能。

多酚改变肠道微生物的组成和功能,肠道微生物群产生多酚代谢物,这可能共同有助于对结直肠癌的保护作用。

表没食子儿茶素辅助治疗乳腺癌

另一项针对乳腺癌的研究表明,茶多酚-表没食子儿茶素-3没食子酸酯(EGCG)可显著降低血清中血管内皮生长因子(VEGF)、肝细胞生长因子(HGF)、EGCG加放疗组与单纯放疗组相比,金属蛋白酶-9 (MMP9)、金属蛋白酶-2 (MMP2)活性降低,提示EGCG对乳腺癌辅助治疗作用。

补充膳食多酚增加有益菌抑制结直肠癌

一些临床和动物研究已经证实,当补充膳食多酚(姜黄素、白藜芦醇、橙皮苷、绿茶多酚、花青素、异甘草素和黑树莓花青素提取物)时,有益菌(产丁酸菌和益生菌)如乳酸杆菌和双歧杆菌的丰度增加,这可能抑制结直肠癌。这些发现表明,肠道微生物群可以被靶向并用于潜在地改善几种天然抗癌疗法的药代动力学反应。然而,进一步的机理研究对于阐明潜在的分子相互作用至关重要。

05
病毒与肠道微生物群的互作

1911年,人们在鸡身上首次发现了病毒和癌症之间的联系。此后发现了几种致癌病毒,包括:

  • 卡波西肉瘤疱疹病毒(引起卡波西肉瘤和原发性渗出性淋巴瘤);
  • 人嗜T淋巴细胞病毒1(引起成人T细胞白血病和淋巴瘤);
  • 艾普斯登-巴尔病毒(引起伯基特淋巴瘤、免疫抑制相关非霍奇金淋巴瘤、结外NK/T细胞淋巴瘤、霍奇金淋巴瘤和鼻咽癌);
  • 丙型肝炎病毒(引起肝细胞癌和非霍奇金淋巴瘤);
  • 乙型肝炎病毒(引起肝细胞癌);
  • 默克尔细胞多瘤病毒;
  • 人巨细胞病毒。

病毒促癌机制

病毒可以通过不同的机制促癌作用:

a) 直接通过诱导病毒癌蛋白或通过调节病毒DNA整合位点的宿主细胞蛋白质的表达

b) 间接通过抑制免疫系统或通过修饰宿主细胞基因组而不持续病毒DNA

致瘤病毒以单克隆形式位于肿瘤细胞内,而间接作用的病毒存在于肿瘤外部

病毒还可以引发氧化应激损害局部组织,引起慢性炎症

因此,病毒致癌的直接和间接机制不一定作为单独的途径发生,包括肝癌和胃癌在内的某些肿瘤依赖于这两种机制。例如,已经观察到乙型和丙型肝炎病毒需要两种机制来诱导人类肝细胞癌。

最近一项研究报告了全球分布在人类肠道微生物群中的142809个非冗余肠道病毒(噬菌体)基因组,证实了病毒在肠道微生物群中的重要性以及进一步研究的必要性,以认识到它们与共生微生物群的相互作用。

由于大多数感染了癌病毒的人从来不会发展成癌症,因此,微生物群被认为是影响病毒感染促进癌症发生能力增加或降低的关键因素。

尽管病毒在癌症和肠道微生物群中具有相关性,但大多数微生物群研究忽略了病毒,而更多地强调肠道菌群。这可能归因于使用当前宏基因组学和生物信息学平台发现新病毒的挑战,可以通过开发新的病毒鉴定方法来缓解。还应进一步强调实施针对宿主中病毒相互作用(病毒-病毒、病毒-宿主、病毒-肿瘤和病毒-肠道微生物群)的抗癌疗法。

06
结 语

肠道微生物群在预防感染和维持健康中发挥重要而复杂的作用。本文重在帮助理解肠道微生物群在癌症发生、癌症治疗和预后中的直接和间接作用方面。

当然,癌症中肠道微生物群的相关性和因果关系尚未得到充分理解,需要进一步的系统生物学、体内和临床研究来阐明所涉及的复杂分子途径。精确定义什么是“好的”和“坏的”肠道微生物的研究也是至关重要的。

未来的临床试验(随机、双盲、安慰剂对照设计)在研究肠道微生物群在癌症中的作用时,还应考虑到因年龄、性别、种族、文化和饮食以及地理位置而发生的变化。

总之,肠道微生物群在癌症的发展、治疗和临床结果中的相关性是转化研究的一个新兴领域,可以为癌症治疗开辟新的途径。

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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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胃肠道疾病和癌症中的口腔-肠道微生物群轴

谷禾健康

微生物群失调与人体中的多种疾病有关。在个体中,每个微生物栖息地都表现出不同的微生物种群模式。迄今为止,关于微生物组相关疾病的研究集中在器官特异性微生物组上。然而,器官间微生物网络正在成为生理功能和病理过程中的重要调节剂

口-肠

口腔和肠道是两个最大的微生物栖息地,在微生物组相关疾病中起主要作用。即使口腔和肠道是通过胃肠道相连的连续区域,由于口腔-肠屏障的原因,口腔和肠道的微生物群分布很好的分离

然而,在口腔-肠道屏障功能障碍的情况下,口腔微生物群可以转移到肠粘膜。相反,肠道至口腔的微生物传播也以人际和社区传播发生。

最近,有报道说口腔和肠道微生物组相互依赖地调节生理功能和病理过程。口腔到肠道和肠道到口腔的微生物传播可以塑造和/或重塑两个生境中的微生物生态系统,最终调节疾病的发病机理。

在这里,我们将讨论总结口腔-肠道微生物组轴胃肠道疾病和癌症中的作用, 更好地了解肠道-肠道微生物组轴在发病机理中的作用将有利于精确的诊断/预后和有效的治疗。

1.1 口腔和肠道:通过胃肠道相连

人体消化系统胃肠道和包括肝和胰腺在内的辅助消化器官组成。 胃肠道的粘膜排列整齐,从口腔开始,直到肠道(更准确地说是肛门)结束。 因此,口腔和肠道是通过胃肠道连接的解剖学连续区域

此外,由于唾液和消化后的食物都通过胃肠道,因此这两个位置也是化学相连的。

通常,由于中空的运河结构,胃肠道被认为在人体外部。 口腔是消化道的通道,直接暴露于外部环境,例如微生物,营养物和其他外源性物质。 在这方面,口腔和肠道都为不同的微生物繁衍提供了适当的环境

HMP(第一阶段人类微生物组计划)揭示了人体中一半以上的细菌位于胃肠道(29%)和口腔(26%)中。 除了这些丰富的生物外,口腔和肠道微生物群也高度多样化,并同时显示出与每个生境区分开的独特特征。

1.2  口腔微生物群组成

根据人类口腔微生物组数据库(HOMD),口腔中大约有700种微生物。口腔中的共生菌包括厚壁菌门、变形杆菌门、拟杆菌门、放线杆菌门、梭杆菌门、奈瑟菌门和TM7。口腔有几种不同的微生物环境,包括:颊粘膜、龈下菌斑、龈上菌斑、角化牙龈、硬腭、唾液、扁桃体、舌头和喉咙。口腔和腭粘膜的多样性低于其他口腔栖息地。

无论小生境的位置如何,健康受试者的所有口腔部位在属水平上的菌如下:

双歧杆菌 Gemella链球菌 Streptococcus

韦荣氏菌 Veillonella嗜血杆菌 Haemophilus

奈瑟菌 Neisseria卟啉单胞菌 Porphyromonas

放线菌 Actinomyces梭菌 Fusobacterium

普雷沃氏菌  Prevotella

除了这些常见的细菌进化枝外,每个小生境还具有分化良好的细菌组成。 

根据微生物群落结构,口腔生态位可分为三组

第一组:颊粘膜、角化牙龈和硬腭

第二组:唾液、舌头、扁桃体和喉咙

第三组:龈下和龈上菌斑

生态位对口腔微生物组的隔离可能归因于多种因素,例如pH,盐度,氧化还原电位,氧气和营养。 此外,牙齿卫生是影响口腔微生物组的另一个重要因素,因为口腔是直接向外界开放的。

1.3 肠道微生物组构成

肠道是人体内最大、最具特征的微生物生态系统,在50多个不同的门中有大约500到1000个物种。

五个主要拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门疣状菌门组成,但以两个拟杆菌厚壁菌门为主,占90%以上。

属的水平上,拟杆菌是最丰富的。已知人类肠道微生物群在生命早期就已建立,然后可以随着年龄和环境(如饮食和营养)而改变,类似于人类口腔微生物群。因此,口腔和肠道微生物组直接反映了宿主的健康状况。

尽管肠道与口腔相连,但肠道微生物群的组成可与口腔微生物群的组成区分开来。在的水平上,口腔主要由厚壁菌门控制,而粪便微生物群主要富含拟杆菌。这种分离可归因于胃中的胃酸和十二指肠中的胆汁酸

据报道,长期使用质子泵抑制剂(PPI)会增加肠道感染的风险。值得注意的是,PPIs降低胃酸可以减少肠道微生物生态系统的多样性,改变肠道微生物组的组成。

此外,胆汁酸可引起肠细菌膜和/或DNA完整性的破坏,在口腔和肠道之间起有效的抗菌屏障作用。 因此,胃酸度和胆汁酸池负责肠道和口腔微生物组的独特模式

1.4  肠道微生物群的生理功能:来自无菌小鼠的经验

人类肠道微生物组的概况可以根据健康状况,环境因素,遗传学甚至生活方式而改变

宏基因组学分析表明,人类肠道菌群调节代谢途径,例如碳代谢和氨基酸合成。微生物显示出保守的分子基序,称为微生物相关的分子模式和病原体相关的分子模式(PAMP),宿主可通过模式识别受体(PRRs)识别这些基序,如toll样受体。

这种微生物与宿主的相互作用可以刺激人体的免疫系统和炎症反应。 这意味着肠道菌群可以调节人体的主要生物学功能,新陈代谢和免疫力,因此肠道菌群失调与多种人类疾病有关,从传染病到阿尔茨海默氏病。然而,要证明肠道微生物群是人类健康状况的原因还是后果是一个挑战。

另外,无菌(GF)动物为肠道微生物组的生理功能提供了深刻的线索。与无特定病原体(SPF)的小鼠相比,GF小鼠的肠重量减少,绒毛更短,小肠的总表面积减少,表明胃肠道发育存在缺陷

与此相一致,GF小鼠显示出代谢异常,例如胆固醇代谢改变和肠道内短链脂肪酸的减少,短链脂肪酸是重要的能量来源之一。 

因此,与SPF小鼠相比,GF小鼠显示出较低的体内脂肪含量和对高脂饮食诱导的体重增加的抵抗力。 但是,通过应用SPF小鼠的盲肠含量,通过GF小鼠的常规化可以恢复体内脂肪含量。

在免疫方面,GF小鼠在Peyer斑块和肠系膜淋巴结发育方面存在缺陷,CD4,CD8和Foxp3 T细胞数量减少,B细胞分泌的免疫球蛋白A产生减少。

通过与SPF小鼠共栖或口服SPF小鼠粪便中的成分,可以通过微生物群重建来恢复这些疾病。 两者合计,很明显,肠道菌群在维持生理稳态方面起着至关重要的作用,主要是代谢和免疫

1.5 口腔微生物组的生理功能:局部和全身作用

尽管口腔是人体第二大的微生物栖息地,但是累积的知识不足以完全了解口腔微生物组对人类健康的影响。 毫无疑问,口腔微生物组与牙齿健康直接相关。

口腔疾病中有许多已被确认的关键病原体,如龋齿的变形链球菌(Streptococcus mutans )和牙周炎的牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)。此外,与健康受试者相比,口腔鳞状细胞癌患者的口腔微生物组发生了改变。根据口腔微生物群分析,口腔鳞状细胞癌(OSCC)患者中的梭杆菌属(Fusobacterium)水平较高。

口腔微生物组会影响全身健康状况,而不仅限于牙齿健康(下图)。

Park Se-Young, et al., Cancers (Basel),2021

流行病学和实验证据支持口腔菌群失调与全身性疾病密切相关,包括阿尔茨海默氏病,糖尿病和心血管疾病。 与此相符,阿尔茨海默氏病的口腔微生物群特征发生了显着变化,例如莫拉氏菌属(Moraxella),纤毛菌属(Leptotrichia)和鳞球菌属(Sphaerochaeta)的患病率。口腔不良反应的改变与阿尔茨海默氏病的进展有关。

I型糖尿病患者的放线菌门和厚壁菌门的丰度更高。此外,据报道,在有症状的动脉粥样硬化患者的口腔微生态环境中,厌氧菌属的富集已被报道。

在牙周炎(一种口腔失调疾病)的情况下,其标志性病原体牙龈卟啉单胞菌(P. gingivalis)感染可引起局部以及全身慢性炎症

此外,口腔异位症可以诱导PAMP信号的产生,例如脂多糖(LPS),导致系统性刺激先天免疫应答和炎症转录因子,包括核因子κB。 这些全身性炎症和免疫反应被认为是主要机制之一,强调口腔微生物组调节远端器官的发病机理。

值得注意的是,口腔微生物群可以转移到其他器官,这被认为是口腔生物失调引起的全身性疾病的另一种机制。

短期死后阿尔茨海默氏病患者的脑组织中已检测到口腔致病菌牙龈卟啉单胞菌(P. gingivalis)。 口腔病原体直接转移到大脑可以通过诱导神经炎症和神经变性而加剧阿尔茨海默氏病。

此外,在冠心病患者的动脉粥样硬化斑块中检测到许多口腔共生细菌,这进一步表明口腔细菌可能转移到远端器官。 由于物理和化学联系口腔微生物向胃肠系统的迁移可能更频繁

在某些致病条件下,一些口腔细菌类群定居并富含胰腺和肠道,表明口腔和肠道菌群之间存在直接的串扰。

2.1 口腔到肠道微生物易位

由于存在肠-肠屏障,物理距离以及化学障碍(例如胃酸和胆汁),因此口腔和肠道微生物组被很好地隔离了。 然而,口腔-肠道屏障损伤会导致器官间的易位和交流

一般来说,新生儿和老年人体内存在不成熟或功能性障碍较少。双歧杆菌是新生儿肠道中最丰富的细菌属。有趣的是,在新生儿的口液中发现了肠道内的双歧杆菌

同样,与健康成年人相比,老年人肠道内口腔细菌的检出率也较高,如:

卟啉单胞菌(Porphyromonas)、梭杆菌(Fusobacterium) 和假分枝杆菌 (Pseudoramibacter)

此外,低胃酸使肠道微生物群的组成向口腔微生物群转移。已在体外证明,通过分别引入人类粪便和唾液微生物群的GF小鼠组,口腔微生物群可以侵入肠道并重塑肠道微生物群。

综上所述,这些数据表明口腔微生物可以在某些情况下克服口腔与肠道之间的物理和/或化学障碍,并有可能转移到肠道中。

值得注意的是,在胃肠道的病理条件下已检测到典型的口腔驻留物种。 例如,炎症性肠病(IBD)患者的肠道粘膜中有大量嗜血杆菌Veillonella富集,已知它们是口腔共生微生物

在结肠癌患者中,他们的肠道微生物群包含几种口腔类群,包括梭菌。这意味着正常的人口腔微生物群可以在肠粘膜稳态中破坏并在肠道粘膜中定植,并成为条件致病菌

而且,这种经口-粪便传播也可以在生理条件下发生,而不仅仅是病理或屏障破坏的情况下。HMP联盟的数据被划分为每个身体部位的群落类型时,口腔和肠道微生物群类型显示出强烈的关联,尽管它们在分类上不同。

在唾液细菌中,普雷沃氏菌(Prevotella)大量存在于粪便样本中。与此相一致,从同一健康受试者的口腔和粪便样本中同时检测到几个属。通过分析470名个体口腔和粪便微生物群中的310种,唾液和粪便样本中普遍存在125种,包括链球菌(Streptococcus)、韦荣氏球菌属(Veillonella)、放线菌(Actinomyces)嗜血杆菌(Haemophilus)菌株

综上所述,很明显口腔微生物群可以比预期更广泛地进入肠道,即使在健康状态下,而不仅仅是在病理情况下

2.2 粪便至口腔微生物移位

肠道微生物可通过粪-口途径通过直接接触或通过受污染的液体和食物间接接触传播。人的手部微生物群口腔和肠道微生物群模式高度重叠,表明人的手是粪便到口腔微生物传播的载体。因此,在发展中国家,由于卫生状况不佳,如缺乏清洁供水和公共卫生系统,微生物的粪-口途径经常被报道。

此外,免疫功能低下的个体也容易通过粪-口传播。在头颈部癌症患者中,放射治疗与革兰氏阴性杆菌的口腔定植高度相关,不良的口腔卫生状况会进一步加剧这种情况。因此,不良的卫生和/或免疫损害条件可能会促进同一个体的粪-口途径。

除了体内传播外,粪-口途径也被认为是病原体在人与人之间传播的重要机制。众所周知,甲型肝炎病毒(HAV)和戊型肝炎病毒(HEV)等肠道病毒通过粪-口途径传播,因此很容易通过人与人之间的接触传播,特别是在不卫生的条件下。

肠道病毒可以直接和间接地与肠道微生物群相互作用,对肠道微生物生态系统造成破坏性影响。据报道,戊型肝炎病毒感染会增加急性肝衰竭患者粪便样本中乳酸杆菌科(Lactobacillaceae)伽马蛋白杆菌( Gammaproteobacteria)的丰度

添加益生菌粪肠球菌NCIMB 10415(Enterococcus faecium NCIMB 10415) 可有效促进感染猪的HEV清除

除了肠道病毒外,幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)是严重胃十二指肠疾病的主要致病菌,也可以通过粪-口途径传播,显示出与甲型肝炎感染的相关性。

虽然需要进一步的研究来了解粪-口传播在口腔和肠道微生物群中的作用,但令人信服的是,口腔和肠道微生物群通过口-肠和粪-口途径紧密相连(下图)。

Park Se-Young, et al., Cancers (Basel),2021

这种双向相互作用可以相互塑造和/或重塑两个栖息地的微生物生态系统,最终调节胃肠系统的生理和病理过程。因此,口腔-肠道和粪便-口腔方向在以下中统称为“口腔-肠道微生物群轴”。

3.1 炎症性肠病

IBD代表结肠和小肠的慢性炎症性疾病,包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)。因此,IBD与肠道微生物群失调密切相关。IBD患者的肠道微生物组显示出细菌组成的多样性降低和变化,包括厚壁菌门的丧失和变形菌门和拟杆菌门的丰度增加。在肠道粘膜组织活检中而不是在粪便中更深刻地观察到了这些不良生物事件。与健康受试者相比,在肠黏膜表面,IBD患者经常检测到细菌入侵和生物膜形成,表明肠屏障功能障碍与IBD发病有关

在健康状态下,由于完整的粘膜屏障,肠道微生物群很少受到来自其他栖息地的微生物的入侵和定植。然而,IBD患者由于粘膜屏障受损而表现出肠上皮通透性增加。

值得注意的是,口腔内细菌菌株是从IBD患者的肠道微生物组中分离出来的,这可能是由于肠道渗漏造成的。具核梭杆菌( Fusobacterium nucleatum )通常存在于口腔中,但很少存在于健康人的肠道中。

有趣的是,IBD患者在肠道中出现了F. nucleatum,比其他F. nucleatum菌株更具侵袭性,表明IBD患者存在肠道-肠道微生物组轴。这一点已在体外通过将口腔微生物群移植到动物模型中得到证实。

在大鼠中,F.nucleatum的侵袭导致肠道微生物组发生转移并加重内脏超敏性。 此外,CD患者的唾液微生物群成功地定居在GF小鼠的肠道中。

克雷伯菌(Klebsiell)是最流行的定植菌,可促进肠道Th1细胞的诱导和炎症,这是IBD发病机理中的关键事件。 这些结果进一步支持了口腔微生物群,无论是共生的还是病原菌,都可以传播到肠道,通过肠道失调促进IBD的发病

因此,口腔失调可以通过募集口腔-肠轴来直接调节IBD的发病机制。牙周炎是一种慢性炎性口腔疾病,与口腔微生物群的改变密切相关,特别是与其关键性病原体牙龈卟啉单胞菌过度生长有关。

在C56BL/6小鼠中,口服牙龈卟啉单胞菌通过下调紧密连接蛋白来减弱肠道屏障功能,从而导致肠道微生物组发生重大变化,包括梭菌科的丰富

此外,接种牙龈卟啉单胞菌的小鼠表现出肠道以及全身性炎症,这可以由牙龈卟啉单胞菌衍生的内毒素例如LPS介导。 与动物实验一致,荟萃分析表明牙周炎分别与IBD,CD和UC的两种主要形式密切相关。

两者合计,口腔病原体可以干扰肠屏障功能并侵入肠粘膜,从而引起肠道失调和慢性炎症,从而导致IBD发病。 值得注意的是,IBD患者以及结肠炎引起的小鼠唾液微生物群组成发生变化,这与炎症反应有关,表明口腔-肠道微生物相互作用可能是双向的。

3.2 结直肠癌/大肠癌

大肠癌(CRC)是世界上最常见的癌症类型之一,也是导致癌症死亡的第二大原因。IBD是CRC发生和发展的最公认的危险因素。因此,IBD和CRC在发病机理中共享病因,包括肠道微生物组的明显变化。 与IBD相似,CRC与肠道失调密切相关。与健康个体相比,CRC患者在粪便和肠粘膜样品中均显示出不同的微生物组成模式。

一直以来,在结肠炎相关和化学诱导的大肠癌小鼠模型中都发现了肠道微生物群的深刻变化,支持肠道失调和大肠癌之间的关系。使用GF小鼠的研究进一步证明,肠道微生物群的改变可以直接促进炎症相关的结直肠癌的发展。

有趣的是,在大肠癌患者的肠道中发现了几种口腔分类群,包括细小单胞菌(Parvimonas)、消化链球菌(Peptostreptococcus)和梭形杆菌(Fusobacterium),表明大肠癌中存在口腔-肠道微生物群轴。

在这些口腔常驻细菌中,具核梭杆菌 (F.nucleatum)与健康人相比,结直肠癌患者的肿瘤组织和粪便中普遍存在细胞核,这与IBD一致

在小鼠结肠炎模型中,口服具核梭杆菌(F.nucleatum) 细胞核引起的炎症以及小肠和大肠的肿瘤发生。具核梭杆菌 (F.nucleatum)细胞核似乎很容易附着在表达内皮钙粘蛋白的宿主CRC细胞上,然后刺激促炎症反应和细胞增殖。与IBD相似,结直肠肿瘤显示肠道屏障功能受损,这可能解释了口腔微生物群的肠道定植

此外,据报道,具核梭杆菌 (F.nucleatum) 与口腔病原体牙龈卟啉单胞菌共聚并共感染。尽管体外方法存在局限性,但牙龈卟啉单胞菌仍侵袭CRC细胞并促进癌细胞增殖,这表明牙周病原体参与了结直肠肿瘤的发生。 与此相一致,牙龈卟啉单胞菌血清抗体水平CRC患者的死亡率相关。

此外,一项荟萃分析表明,牙周炎与CRC风险增加有关。 综上所述,这些研究可以证明口腔失调,口腔-肠道微生物组轴与CRC发病机理之间存在关联

3.3 慢性肝病

肝硬化是由慢性肝脏疾病引起的晚期肝病,例如非酒精性脂肪肝疾病(NAFLD)和非酒精性脂肪性肝炎(NASH)。 健康对照组相比,NAFLD、NASH或肝硬化患者粪便样本中的变形杆菌门显著增加,表明肠道微生物组与肝脏发病机制相关。在这方面,与SPF小鼠相比,GF小鼠免受高脂饮食诱导的脂质在肝脏中的蓄积。此外,定居于NAFLD易感肠道微生物的GF小鼠发生了严重的肝脂肪变性,进一步支持了肠道失调可能是慢性肝病的直接病因

由于肠道和肝脏通过胆道和门静脉进行物理连接,如果粘膜屏障受损,肠道微生物可以转移到肝脏胆汁酸具有抗菌活性,在肠道和肝脏之间循环循环,具有屏障和桥梁的双重功能。

慢性肝病通常与胆汁酸形成和/或分泌不良有关,会增加肠道通透性。 因此,胆道梗阻促进了细菌从肠道到肝脏的移位。 在胆结石患者中,与正常对照组(例如富集变形杆菌)相比,胆道和肠道中的微生物组成均发生了变化,这支持了慢性肝病中肠道-肝脏微生物组轴的存在。

通过与肠-肝微生物串扰的融合,口腔-肠道微生物组轴正在成为慢性肝病的重要调节剂

值得注意的是,宏基因组学分析已证明肝硬化患者肠道内的口腔粘膜有侵袭和定植。另一项研究还显示,酒精依赖型肝硬化患者的肠道中口腔微生物的富集。 这些数据支持口腔微生物的肠道迁移与肝硬化有关。 但是,其潜在机制尚不清楚。如前所述,由于胃酸度低,PPI促进了从口腔到肠道的微生物转化。 同样,PPI治疗改变了肝硬化患者的肠道菌群组成,特别是肠道内口腔细菌的过度生长。 相同的研究小组已经证明了肝硬化患者唾液和粪便微生物组的伴随变化,进一步表明口腔-肠道微生物组轴调控肝脏的发病机制。

因此,口腔失调可能会通过改变肠道微生物组加重慢性肝病。 确实,牙周炎与NASH,NAFLD和肝硬化显着相关。 在来自NAFLD和与病毒感染相关的肝硬化患者的口腔样本中已经检测到牙龈卟啉单胞菌,一种牙周基石病原体。

在高脂饮食喂养的小鼠中,牙龈卟啉单胞菌的牙源性感染通过脂质积累,纤维化和肝脏炎症促进了NAFLD和NASH的进展。 总体而言,口腔失调可能会通过调节肠道生态系统而加剧慢性肝病。 同时,口腔失调可能反映了由肝病驱动的肠道失调生态系统。

3.4 肝癌

肝细胞癌(HCC)的发展经历了一个逐步的过程,从NAFLD/NASH到肝硬化,最后发展为HCC。在小鼠肝癌发生模型中,SPF小鼠比GF小鼠更易发生肝癌,类似于慢性肝病。

在生态型小鼠模型中,某些类型的肠道细菌,如大肠杆菌和粪链球菌,可显著增加肝肿瘤的发生,表明肠道微生物群直接参与了肝癌的发病机制。与这一观点一致,与健康对照组相比,HCC患者的丁酸产生菌属减少,如反刍球菌(Ruminococcus)、大肠杆菌(Oscillibacter)、粪杆菌(Faecalibacterium)、梭状芽孢杆菌IV(Clostridium IV)和粪球菌(Coprococcus),而LPS产生菌属增加,包括粪便样本中的克雷伯菌(Klebsiella)和嗜血杆菌(Haemophilus )。 

此外,随着HCC的发展,肠道失调的水平趋于增加。 在患有肝硬化的HCC患者中,粪便微生物群的成分与没有HCC的肝硬化患者的粪便微生物群成分有所不同,例如大肠杆菌Fusobacteriia的大量富集。 在化学诱导的HCC小鼠模型中,已在肿瘤内发现了一种肠道细菌幽门螺杆菌(Helicobacter hepaticus),它直接引起HCC的发展和进程,进一步支持肠道失调可以诱导HCC的发病机理。 然而,在人类HCC样品中未检测到肝炎性肝炎,而确诊存在其他幽门螺杆菌,例如幽门螺杆菌。因此,肝癌的发展与肠道失调密切相关。

有趣的是,据报道,与健康受试者相比,肝癌患者的口腔微生物群发生了变化。肝癌患者唾液微生物群中嗜血杆菌属卟啉单胞菌属Filifactor的丰度较高。在肝硬化的HCC患者中,根据舌苔的微生物组学特征,颤杆菌克属(Oribacterium)梭形杆菌属(Fusobacterium)普遍存在

此外,慢性牙周炎与晚期HCC相关,提示口腔失调与HCC相关。值得注意的是,肝硬化HCC患者的口腔和肠道微生物群中都富含梭杆菌,这表明口腔微生物可能通过口腔-肠道微生物群轴调节HCC发病机制,但需要进一步研究。

3.5 胰腺导管腺癌

胰腺消化系统的一部分,分泌分解脂类、蛋白质和碳水化合物的酶。主胰管与胆总管相结合,两者都与十二指肠相连。在正常健康条件下,胰腺被认为是一个无菌器官。

然而,胰腺导管腺癌(PDAC)患者的细菌数量增加,如肿瘤内的γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)和胰液和胰腺组织中的粪肠球菌(Enterococcus faecalis)

此外,肿瘤内微生物组多样性与PDAC的预后相关。从更全面的角度来看,PDAC患者在胰腺组织、肿瘤以及粪便样本中表现出不同的微生物群模式,表明肠-胰腺微生物串扰参与了PDAC发病机制。特别是,PDAC患者的肠道和胰腺中同时富集了变形菌(Proteobacteria)

在实验小鼠中,肠道通透性增加与肠道到胰腺的微生物易位有关,这可能加速PDAC的进展。在肠道菌群清除的小鼠中,用PDAC荷瘤小鼠的粪便菌群重新填充可显著促进胰腺肿瘤的发生,表明肠道菌群对PDAC进展的直接贡献。因此,肠道微生物组似乎与胰腺微生物生态系统密切相关,而胰腺生态系统在PDAC发病机理中起着至关重要的作用。

惊讶的是,口腔微生物组也与PDAC的发病机理有关。 根据元流行病学研究,牙周炎是一种主要的口腔菌群失调疾病,可以显着增加PDAC的风险和死亡率。

携带其关键病原体牙龈卟啉单胞菌与PDAC患者的较高风险和死亡率正相关。 在小鼠PDAC模型中,口服牙龈卟啉单胞菌可加速细胞增殖和上皮-间质转化,最终促进PDAC进程。

有趣的是,细胞内牙龈卟啉单胞菌直接促进人胰腺癌细胞系中肿瘤细胞的生长。 这些表明口腔菌群失调可能是直接的病因,也是诊断和预后PDAC发病机理的有用标志

与健康受试者相比,PDAC患者的口腔微生物组有明显变化。 值得注意的是,尽管在人类PDAC组织中已发现了一种广为人知的口腔细菌群Fusobacterium,但其与PDAC预后的关系仍存在争议

此外,PDAC患者的胰腺微生物组与肠道微生物组高度重叠。胰腺和肠道菌群均表现出口腔类群富集细菌和卟啉单胞菌的相对丰度。因此,某些类型的口腔微生物可能迁移到肠道,甚至进一步迁移到胰腺,这可能通过肠道和胰腺微生物群的协调调节促进PDAC的发病。

为了支持这一观点,在PDAC患者的口腔,肠道和胰腺微生物群之间发现了相关性,尤其是口腔起源的F. nucleatum subsp. vincentii亚种的丰度

这些数据表明,口腔-肠道微生物组轴可以调节PDAC的发病机制,甚至进一步创造口腔-肠道-胰腺的微生物途径。

口腔和肠道是人体内最大的两个微生物栖息地。累积证据表明,口腔微生物群可以通过口腔细菌分泌体的直接易位和/或间接地改变整个肠道微生物生态系统。

肠道到口腔的微生物传播也可能发生,特别是在某些情况下,如卫生条件差和免疫功能低下。总之,口腔和肠道微生物群之间的双向串扰可以形成口腔-肠道微生物群轴,它在调节各种人类疾病的发病机制中起着关键作用,主要是在胃肠道系统(见下表)。

结肠疾病中的口腔-肠道微生物群轴

Park Se-Young, et al., Cancers (Basel),2021

肝脏疾病中的口腔-肠道微生物轴

Park Se-Young, et al., Cancers (Basel),2021

胰腺疾病的口腔-肠道微生物组轴

Park Se-Young, et al., Cancers (Basel),2021

值得注意的是,口腔-肠道微生物组轴改善了胃肠道系统的发病机理和预后的预测。荟萃分析表明,口腔微生物组的变化与胃肠道癌的风险有关,包括CRC,PDAC和HCC,这可能是早期发现的潜在指标。已经验证了PDAC特定的口腔微生物模式作为PDAC生物标志物。两种口腔细菌物种长奈瑟菌Neisseria elongata 和 轻型链球菌Streptococcus mitis

同时富集可以将PDAC患者与健康受试者区分开来。

口腔微生物分析的情况下,所述样品可从棉拭取,唾液和口腔冲洗获得。与肠道菌群的采样方法相比,无论健康状况如何,口腔菌群的收集实际上更为方便和可用,没有任何侵袭或卫生问题。因此,结合肠道微生物组,口腔微生物组还提供了作为诊断/预后工具以及治疗靶标的可行优点

未来我们谷禾也将考虑口腔和肠道微生物组的相结合,结合口腔和肠道微生物组数据可以显着提高预测和检测息肉和/或肿瘤的敏感性。尽管揭示微生物组与疾病之间的因果关系具有挑战性。

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