《Gut Microbes》：Gut microbiota and diet in colorectal cancer: Converging determinants of carcinogenesis
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饮食和肠道微生物组是结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）风险的主要且相互依赖的决定因素。本综述讨论了当前证据，阐述了饮食模式如何重塑微生物生态、调节微生物毒力，并改变宿主代谢、炎症和致癌通路，从而影响结直肠癌的发生。研究人员重点阐述了与CR
饮食和肠道微生物组是结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）风险的主要且相互依赖的决定因素。本综述讨论了当前证据，阐述了饮食模式如何重塑微生物生态、调节微生物毒力，并改变宿主代谢、炎症和致癌通路，从而影响结直肠癌的发生。研究人员重点阐述了与CRC相关的关键微生物，包括pks? Escherichia coli、Fusobacterium nucleatum、产肠毒素Bacteroides fragilis（Enterotoxigenic Bacteroides fragilis, ETBF）和Streptococcus gallolyticus，并讨论了饮食如何调控其丰度、毒素产生和致癌潜能。对饮食-微生物相互作用的机制研究发现，促炎、低纤维的西式饮食会促进粘膜炎症、活性氧和氮物种（Reactive Oxygen and Nitrogen Species, RONS）的产生以及基因毒性微生物生态位的形成，而富含纤维和多酚的饮食则支持保护性共生菌和抗炎代谢物的产生。研究人员还概述了主要的挑战，包括个体间微生物组变异和有限的转化模型，并提出了整合饮食、微生物和宿主靶向策略用于CRC预防和治疗的未来方向。
1. 引言
结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球性的重大健康挑战，发病率和死亡率分别位居全球第三和第二。全球趋势显示，CRC发病率在低收入和中等收入国家增长最快，反映了西方化生活方式和饮食习惯的加速采纳。饮食、宿主生物学和环境因素之间存在复杂的相互作用，共同塑造了CRC的易感性。机制上，这些CRC风险相关因素不仅驱动代谢功能障碍和全身性炎症，还会终身破坏肠道微生物组成。改变的微生物群落特征包括有益纤维发酵类群的丧失以及促炎、基因毒性或代谢有害物种的扩增，它们与结肠上皮相互作用，促进DNA损伤、表观遗传重编程、免疫失调和屏障完整性受损。CRC通过结肠干细胞中关键癌基因和肿瘤抑制基因的体细胞突变逐渐累积而发展，通常遵循经典的腺瘤-癌序列。这个过程可由慢性炎症、氧化应激和基因毒素暴露加速，而越来越多的证据表明肠道微生物失调是这一肿瘤轨迹的关键调节因素。环境暴露（尤其是饮食）与肠道微生物组之间的相互作用决定了健康和疾病（包括癌症）中许多生物过程的结果。饮食深刻地塑造了肠道微生物组的组成和代谢输出，从而影响CRC风险。西式饮食（高糖、高脂肪、低纤维）或低碳水化合物、低纤维饮食已被证明可诱导肠道菌群失调，其特征是致病性或耐胆酸盐菌株的扩增以及短链脂肪酸（Short-Chain Fatty Acids, SCFAs）产生微生物的耗竭。这些微生物和代谢紊乱会损害上皮屏障完整性、引发粘膜炎症并激活致癌信号级联反应。在本综述中，研究人员全面概述了与CRC相关的主要微生物类群，并讨论了已知影响其流行、活性或致病潜能的饮食因素。研究人员进一步整合了新兴的机制证据，说明饮食与肠道微生物组之间的相互作用如何重塑肠道和肿瘤微环境，重点关注饮食来源的代谢物（如次级胆汁酸、血红素和硫化合物）和微生物产生的分子（包括SCFAs和基因毒素）如何共同驱动慢性炎症、上皮屏障完整性破坏和基因组不稳定性。最后，研究人员讨论了关键挑战，例如个体间微生物异质性、动态饮食模式、混杂宿主因素以及当前多组学工具的局限性，这些因素使得解释肠道微生物组与饮食在CRC发病机制中复杂且双向的关系变得困难。
2. CRC中失调的肠道微生物组
结肠含有每克管腔内容物约1012个细菌的高微生物密度，因此结直肠肿瘤是人类癌症中微生物生物量最高的肿瘤之一。人类研究一致表明，CRC患者的肠道微生物组与健康个体存在显著差异，在粪便和粘膜样本中均表现出有益共生菌水平降低和潜在致病类群过度富集。这些肠道微生物组的改变与上皮屏障功能破坏、肠道通透性增加、循环脂多糖水平升高和慢性低度炎症密切相关，共同营造了促肿瘤的结肠环境。尽管CRC组织中特定细菌类群可重复性富集，并且它们的存在与不良临床结局相关，但建立因果关系仍然具有挑战性。然而，临床前研究支持了CRC相关微生物的促癌作用，证明了其主动促进肿瘤发生、生长和播散的能力。同时，CRC患者的粪便和粘膜微生物组谱中，健康促进微生物（特别是Lactobacillus物种和主要产丁酸盐的Lachnospiraceae等属）的数量通常显著减少。这种保护性微生物及其功能的丧失反映了肠道群落从稳态向允许机会性和促肿瘤微生物扩增的方向转变。这种微生物失衡可能会损害上皮恢复能力和SCFAs的产生，同时放大炎症信号、氧化应激和基因毒性压力，这些条件共同促进了恶性转化和肿瘤进展。因此，评估CRC风险中的微生物组不仅需要考虑致病性或促癌细菌的富集，还需要考虑通常有助于增强对癌变抵抗力的有益共生微生物的耗竭。
3. CRC中的促肿瘤微生物
许多微生物被发现与肿瘤相关，但可能并非癌症驱动因素，而是由于肿瘤提供的改变环境而与CRC病变相关联。然而，有几个类群一直与CRC风险相关，每种都采用不同但有时趋同的机制，促进肿瘤的发生、进展或转移播散。其中研究最广泛的是pks? Escherichia coli、Bacteroides fragilis、Fusobacterium nucleatum、Streptococcus gallolyticus、Peptostreptococcus anaerobius、Clostridioides difficile和Campylobacter jejuni。这些微生物通过多种促肿瘤机制促进CRC，包括产生导致宿主上皮细胞DNA损伤和突变的基因毒素、调节上皮信号通路、改变粘膜免疫反应以及建立慢性促炎状态。这些微生物通常存在于肠道内复杂的多微生物生物膜中，从而相互放大其致癌潜力。
3.1. Pks? Escherichia coli
E. coli是革兰氏阴性兼性厌氧菌，是人体肠道最早的定植者之一。虽然绝大多数已鉴定的E. coli菌株是无害的共生菌，但某些菌株，特别是B2系统发育群的菌株，携带毒力因子并引起肠道和肠外疾病，包括CRC。该系统发育群内的菌株通常携带pks致病岛，该岛编码基因毒性杂合聚酮化合物-非核糖体肽colibactin的合成机制。Colibactin与结直肠癌发生密切相关，其诱变的突变特征（SBS88和ID18）已在包括CRC肿瘤在内的多种癌症组织中被检测到。pks? E. coli以接触依赖性方式诱导宿主细胞DNA损伤，导致细胞周期G2/M期停滞、细胞伸长和过早衰老。这些效应由环调节蛋白介导，其中colibactin是特征最明确的，它通过烷基化DNA、形成DNA加合物、链间交联或双链断裂，并在APC中引起突变以稳定β-连环蛋白并持续激活Wnt信号通路，从而促进结肠肿瘤发生。colibactin相关的突变特征在早发性结直肠癌中显著富集。持续定植或pks岛的偶发激活可能累积性地促进肿瘤发生。细菌丰度、colibactin暴露的时机和强度、炎症环境以及与竞争微生物的相互作用是影响pks? E. coli致癌影响的关键因素。
3.2. Bacteroides fragilis
B. fragilis是一种革兰氏阴性厌氧共生菌，是肠道的早期定植者，在T细胞介导的免疫稳态中发挥重要作用。根据其产生锌依赖性金属蛋白酶B. fragilis毒素（B. fragilis Toxin, BFT）的情况，该物种可分为两种类型：不产毒素菌株（Nontoxigenic B. fragilis, NTBF）和产肠毒素菌株（Enterotoxigenic B. fragilis, ETBF）。ETBF在CRC患者的粘膜中已被检测到，并且与肿瘤（尤其是晚期CRC）相关，也与较差的预后相关。临床前研究发现，BFT通过切割E-钙粘蛋白的胞外结构域、破坏上皮完整性以及诱导精胺氧化酶来驱动癌变，从而改变细胞形态并产生活性氧。E-钙粘蛋白的切割还会导致β-连环蛋白的胞质积累并促进其核转位，从而上调c-MYC和细胞周期蛋白D1等原癌基因。BFT还增强MAPK和WNT信号传导，并刺激包括IL-8在内的促炎细胞因子，从而促进有利于肿瘤的环境。尽管BFT对上皮信号传导、炎症和CRC发展具有深远影响，但ETBF并未在CRC肿瘤中诱导独特的突变特征，表明该细菌的致癌作用不依赖于直接基因毒性。BFT的表达受多种环境信号和饮食因素影响。
3.3. Fusobacterium nucleatum
F. nucleatum是一种革兰氏阴性厌氧菌，主要存在于口腔，很少在健康的下消化道定植。然而，与邻近正常组织相比，它在CRC肿瘤中丰度很高，并且其丰度与疾病复发、转移和不良预后相关。CRC肿瘤在疾病的早期和转移阶段高表达d-半乳糖-β(1-3)-N-乙酰-d-半乳糖胺（Gal-GalNAc）糖基。F. nucleatum通过Fap2和FadA粘附素粘附到肿瘤细胞，分别结合Gal-GalNAc和E-钙粘蛋白。FadA-E-钙粘蛋白的相互作用触发β-连环蛋白/Wnt信号通路，促进c-MYC和细胞周期蛋白D1的表达，而Fap2结合免疫检查点TIGIT，抑制NK和T细胞活性。它还结合DHX15，激活ERK/STAT3信号传导，驱动NF-κB介导的炎症、富含IL-17的肿瘤微环境和通过自噬诱导产生的化疗耐药。F. nucleatum还会诱导表观遗传变化，增加DNA甲基转移酶活性并导致肿瘤抑制基因的高甲基化。与其它CRC相关微生物相比，F. nucleatum不产生任何毒素，但持续作为CRC富集的微生物出现，并通过其塑造促肿瘤和促转移微环境的能力在多种临床前模型中促进肿瘤发生。
3.4. Campylobacter spp.
Campylobacter是一种革兰氏阴性菌，与邻近正常组织相比，在CRC病变中富集。该菌产生细胞致死膨胀毒素（Cytolethal Distending Toxin, CDT），这是一种能够诱导DNA双链断裂并在CRC临床前模型中促进肠道肿瘤发生和转移的基因毒素。除了CDT介导的基因毒性外，几种Campylobacter物种还可以激活致癌信号通路，包括mTOR和β-连环蛋白，并刺激上皮细胞增殖。这些细菌还会加剧炎症反应，可能产生促进其它CRC相关微生物（如F. nucleatum）扩增的粘膜条件。人类CRC组织的宏转录组分析发现Campylobacter spp.，特别是Campylobacter concisus，与Fusobacterium物种在肿瘤相关生物膜内共聚集。
3.5. Streptococcus gallolyticus
S. gallolyticus subsp. gallolyticus （Sgg）因其增强上皮增殖和加速结直肠肿瘤发生的能力而成为一种具有重要临床意义的肿瘤微生物。Sgg致病性的一个关键基因组决定因素是Sgg致病性相关区域（S. gallolyticus Pathogenicity-Associated Region, SPAR）。该基因座的缺失会损害其定植结肠、粘附上皮表面、激活宿主增殖途径和促进体内肿瘤生长的能力。Sgg还编码胆盐水解酶并产生细菌素gallocin，其在胆汁酸存在下活性显著增强。这些特征为Sgg在腺瘤性结直肠组织富含胆汁酸的环境中提供了选择性生长优势，支持其在不断演变的肿瘤生态位中的持久性和竞争优势。临床上，Sgg菌血症与潜在的结直肠肿瘤形成密切相关。机制研究表明，Sgg激活多种致癌通路，包括c-Myc、Wnt/β-连环蛋白和增殖细胞核抗原（Proliferating Cell Nuclear Antigen, PCNA）。新兴证据表明，Sgg可以激活CRC细胞中的芳香烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）和下游CYP1家族酶，从而增强环境和内源性有毒底物的生物转化，产生能够形成DNA加合物的活性中间体。
3.6. Peptostreptococcus anaerobius
P. anaerobius是一种革兰氏阳性厌氧菌，在CRC患者的粘膜和粪便中均有富集。机制研究已确定细菌表面蛋白PCWBR2是与CRC上皮细胞表达的α2β1整合素受体结合的配体。PCWBR2与α2β1整合素的结合触发Src家族激酶的募集和激活，导致粘着斑激酶（Focal Adhesion Kinase, FAK）磷酸化，随后激活PI3K-AKT信号传导。这些通路共同增强上皮增殖、刺激NF-κB活化，并激活炎症和促生存程序。P. anaerobius还通过先天免疫信号放大肿瘤发生过程。TLR2和TLR4的激活会增加细胞内活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），产生活性氧应激，从而促进上皮增殖。除了直接的上皮信号传导，P. anaerobius还通过增加肿瘤浸润的髓源性抑制细胞（Myeloid-Derived Suppressor Cells, MDSCs）来重塑肿瘤免疫微环境，从而促进血管生成和转移进展。
3.7. Clostridioides difficile
C. difficile是一种革兰氏阳性、产孢厌氧菌，主要定植于结肠，在健康个体的粪便肠道微生物群中通常检测丰度较低。然而，广谱抗生素暴露会促进耐药C. difficile菌株的结肠扩增和抗生素相关性腹泻的发展。越来越多的证据表明C. difficile参与CRC发展，在肿瘤组织中观察到其丰度高于邻近的非恶性粘膜。在临床前小鼠模型中，来自CRC患者来源的粘膜混合物的多微生物生物膜群落促进结肠肿瘤形成；选择性耗竭C. difficile可消除其致瘤潜力。机制上，TcdB诱导结肠上皮祖细胞中的Wnt/β-连环蛋白通路，促进ROS产生，并驱动产生IL-17的促肿瘤免疫细胞的扩增。然而，将C. difficile与人类CRC联系起来的直接证据仍然有限。
4. CRC发展中的微生物合作
尽管在阐明单个微生物在CRC发病机制中的作用方面已取得实质性进展，但新出现的证据表明，微生物群落的集体组织和功能能力可能通过共同重塑结肠的代谢、免疫和炎症景观，对CRC风险和进展产生更强的影响。协同微生物群落通常组织成生物膜，其中微生物的紧密接近会放大致癌信号，加剧炎症和基因毒性应激，并塑造支持CRC发生和进展的微环境。ETBF经常与pks? E. coli在粘膜生物膜中共定位，并通过营造富含IL-17的炎症环境来增强pks? E. coli驱动的肿瘤发生。同样，Fusobacterium与Campylobacter物种（尤其是Campylobacter concisus）在人类CRC组织中始终占据相同的生物膜生态位。生物膜形成为细菌在肿瘤微环境中共同获取和稳定其立足点提供了关键机制。生物膜内的微生物交流通过群体感应进行，这是一种依赖于密度的化学信号系统，能够在种内和种间网络中协调集体行为。这种协调的信号传导支持群落水平的功能。越来越多的证据表明，群体感应调节的活动影响肿瘤生物学的多个方面，包括生物膜组织、毒力因子表达、免疫调节以及癌症进展和转移。
5. 影响CRC风险的饮食因素
饮食是与CRC发生和进展相关的主要病因学因素之一。某些饮食暴露，特别是富含加工肉和红肉、精制谷物/淀粉和糖的西式饮食，一直与CRC风险增加相关，而食用鱼类、禽肉、酸奶、某些豆类和其他植物性食物则与CRC风险降低相关。饮食因素对CRC风险的影响部分是通过其重塑肠道粘膜和肿瘤微环境的代谢景观，从而影响上皮细胞的恶性转化、癌细胞代谢和肿瘤生长动态来介导的。某些饮食模式，如红肉和加工肉、精制谷物和糖以及酒精，会促进慢性炎症、基因毒性应激和致瘤信号传导，因此被认为是促癌的。相比之下，富含纤维、多酚和Omega-3脂肪酸的饮食通过增强上皮屏障功能、减少炎症和支持有益微生物群落的生长而表现出抗癌特性。
5.1. 红肉和加工肉
红肉和加工肉仍然是CRC已明确确立的饮食风险因素之一。流行病学证据一致支持肉类消费与男性和女性CRC发病率之间的联系。据估计，红肉和加工肉摄入量每增加100克/天，CRC风险增加12%，远端CRC风险增加70%。西式饮食通常富含红肉和加工肉、饱和脂肪和精制碳水化合物，会使CRC风险增加多倍。红肉富含含硫氨基酸和饱和脂肪，而加工肉含有用作防腐剂的无机硫。高硫饮食与早发性结肠腺瘤发病率增加有关。此外，红肉中丰富的血红素铁通过氧化应激和结肠细胞增殖促进内源性N-亚硝基化合物的形成。高温烹饪肉类会产生杂环胺和多环芳烃。
5.2. 糖和含糖饮料
高糖和含糖饮料摄入会大大增加CRC风险。流行病学证据表明，童年和青春期较高的含糖饮料消费量与成年女性CRC风险增加两倍有关。膳食中的葡萄糖、果糖和麦芽糖与人类研究中发生CRC的风险增加有关。机制上，来自含糖饮料的葡萄糖和果糖可以通过调节山梨糖醇脱氢酶来增加CRC转移。此外，含糖饮料促进结直肠腺瘤的形成，这在遗传易感的Apcmin小鼠中独立于肥胖，表明膳食糖具有直接的肿瘤促进作用。精制糖摄入与红肉和加工肉消费相结合，会导致肥胖，而肥胖是已明确的CRC风险因素。
5.3. 酒精
国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer, IARC）将酒精饮料归类为对人类致癌，饮酒使CRC风险增加50%以上。在饮食因素中，酒精与CRC显示出最强的正相关性。虽然酒精消费促进CRC的确切机制尚未完全明了，但研究表明，醛类等诱变化合物的产生会损害DNA修复机制、形成DNA加合物、诱导表观遗传改变、促进脂质过氧化、破坏上皮屏障完整性、失调肠道免疫系统并促进活性氧和氮物种，所有这些都可能促进肿瘤的发生和进展。此外，酒精会干扰一碳代谢，特别是叶酸代谢。
5.4. 水果和蔬菜
大量证据表明，多食用水果和蔬菜可降低CRC风险。其保护作用归因于一系列抗癌成分，包括膳食纤维、抗氧化剂、B族维生素、矿物质和各种植物化学物质。更强的保护性关联在特定亚组中有报道，例如低红肉摄入者、肥胖或久坐者以及不吸烟或不饮酒者。
5.5. 全谷物
Burkitt的原始假设提出，精制全谷物减少膳食纤维的饮食可能促进CRC，这一概念后来得到各种流行病学和机制研究的支持。许多研究报告，较高的全谷物摄入量与CRC风险显著降低相关。全谷物是维生素、矿物质、复合碳水化合物和植物化学物质的丰富来源，其中许多具有潜在的抗癌特性。全谷物摄入的客观生物标志物（如循环烷基间苯二酚）的开发有助于解决饮食报告不准确和加工差异的问题。使用这些生物标志物的分析显示，全谷物摄入与CRC风险呈强负相关，对远端结肠癌的保护作用最为显著。
5.5.1. 膳食纤维
水果、蔬菜、豆类、种子、谷物和坚果含有不同比例的可溶性和不溶性纤维，但没有单一食物来源提供所有纤维类型。通过肠道共生菌的代谢活动，这些纤维被发酵成主要的短链脂肪酸，包括丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐。膳食纤维在肠道健康中的作用引起了广泛关注，因为多项研究表明，低纤维摄入与炎症性肠病和CRC风险增加有关。膳食纤维可以通过增加粪便体积和持水能力、加速肠道转运，从而稀释和减少结肠上皮对微生物或饮食致癌物的暴露来预防CRC。此外，最近的荟萃分析进一步报告，丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐的粪便浓度降低与较高的CRC发病率相关。除了是结肠细胞的首选能量来源外，许多研究表明丁酸盐具有抗炎和抗肿瘤特性，因其能够减少细胞增殖并诱导细胞凋亡。在生理条件下，丁酸盐在线粒体中被代谢，其浓度较低会促进结肠细胞的增殖。然而，在较高浓度下，丁酸盐充当组蛋白去乙酰化酶抑制剂，进入细胞核而不是在线粒体
