《Frontiers in Microbiology》：Klebsiella pneumoniae in inflammatory bowel disease and rectal cancer: from gut inflammation to a potential driver of carcinogenesis
肠道菌群是肠道炎症和结直肠癌（CRC）的关键调节因子，然而，连接炎症性肠病（IBD）与直肠癌变的具体微生物驱动因素仍未明确。肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）最近已成为这一交汇点上一个引人注目的候选者；然而，仍有几个关键问题悬而未决：（i）肺炎克雷伯菌的定植是直肠癌变的原因还是结果；（ii）菌株水平的异质性如何决定致病性与共生性结果；以及（iii）哪些直肠微环境因素选择性地放大其致癌潜力。此外，持续定植的致癌性肺炎克雷伯菌菌株作为预测性生物标志物和化学预防靶点的潜在效用值得进一步研究。本综述通过整合微生物生态学、毒力因子生物学、宿主免疫学和致癌信号传导的研究发现，系统地探讨了这些问题。研究人员剖析了肺炎克雷伯菌在炎症-癌症轴上的双重作用，重点关注其促进T辅助细胞17（Th17）驱动的炎症、破坏上皮屏障以及通过类colibactin基因毒素直接烷化宿主DNA的能力。研究人员提出了一个机制框架，其中慢性肺炎克雷伯菌定植充当IBD活动与直肠肿瘤发生之间的桥梁，并批判性地评估了噬菌体疗法、毒力抑制剂和基于微生物组的生物标志物在干预这一过程中的潜力。最后，研究人员强调了关键的知识空白，并概述了建立因果关系及将这些见解转化为IBD相关直肠癌预防的临床策略所需的未来方向。
1 引言
炎症性肠病（IBD），包括克罗恩病（CD）和溃疡性结肠炎（UC），是一种慢性复发性炎症性疾病。长期结肠IBD的一个公认且可怕的并发症是结肠炎相关结直肠癌（CAC）的发展，而直肠是肿瘤转化的常见部位。IBD患者患CRC的累积风险在患病30年后可达18%，与散发性病例相比，直肠癌在IBD相关恶性肿瘤中占不成比例的高负担。CAC的发病机制通常被视为一个从慢性炎症经不典型增生到浸润性癌的连续过程，其中持续的黏膜炎症产生富含活性氧（ROS）、促炎细胞因子和生长因子的微环境，从而促进上皮基因组不稳定性和克隆进化。
在过去的二十年里，肠道菌群已成为IBD和CRC中不可或缺的角色。以微生物多样性减少、兼性厌氧菌扩增和促炎病原菌富集为特征的菌群失调是IBD的标志。几种细菌物种已在机制上与结直肠癌发生相关联。具核梭杆菌（F. nucleatum）通过FadA介导的β-catenin激活促进肿瘤进展，并通过Fap2介导的自然杀伤细胞抑制实现免疫逃逸。产肠毒素的脆弱拟杆菌（B. fragilis）通过B. fragilis毒素驱动Th17炎症和结肠增生。也许最引人注目的致癌途径涉及编码colibactin的pks基因组岛，这是一种由某些大肠杆菌（E. coli）菌株产生的基因毒素，可直接烷化宿主上皮DNA中的腺嘌呤残基，诱导双链断裂和特征性突变特征。然而，IBD相关直肠癌的微生物驱动因素不太可能仅限于这少数物种，对额外致癌微生物的探索正在加强。
肺炎克雷伯菌（K. pneumoniae）在历史上被认为是医院获得性感染的主要原因。高毒力（hvKp）和碳青霉烯耐药（CR-Kp）菌株的出现进一步巩固了其作为关键公共卫生威胁的地位。然而，越来越多的文献已将肺炎克雷伯菌重新定位为IBD中突出的肠道病原菌。具有里程碑意义的研究表明，从IBD患者中分离的克雷伯菌属经口服定植足以在无菌小鼠中诱导强烈的Th17介导的肠道炎症。此外，纵向宏基因组分析揭示了活动性IBD患者粪便和黏膜活检中肺炎克雷伯菌的持续大量增殖，菌株水平多样性表明其适应了发炎的肠道环境。
肺炎克雷伯菌的致癌潜力直到最近才开始被揭示。2021年，发现某些肺炎克雷伯菌菌株携带水平获得的colibactin生物合成基因簇，功能上类似于大肠杆菌的pks岛，能够诱导肠上皮细胞中的DNA交联和基因毒性应激。随后的研究检测到此类产基因毒素的肺炎克雷伯菌在CRC患者结肠黏膜中的富集，并且与多种产基因毒素细菌的共同定植与肿瘤组织中更严重的突变负担相关。值得注意的是，与近端结肠相比，直肠表现出独特的微生物生态系统和更高的IBD相关CRC体细胞突变发生率，提示局部微生物驱动因素的独特作用。尽管取得了这些进展，肺炎克雷伯菌在IBD背景下对直肠癌变的具体贡献尚未得到全面综合。在本综述中，研究人员旨在通过系统评估肺炎克雷伯菌在IBD背景下驱动从慢性肠道炎症进展为直肠恶性肿瘤的作用，来弥合这一知识空白。
2 肺炎克雷伯菌的肠道定植与关键毒力因子
肺炎克雷伯菌在人体肠道中生存并导致疾病的能力依赖于其复杂的毒力因子库，这些因子能够实现黏附、免疫逃逸、营养获取和基因毒性。
2.1 黏附与侵袭
建立黏膜生态位需要与肠上皮细胞（IECs）紧密黏附。肺炎克雷伯菌表达多种伴侣-引导蛋白途径菌毛，最显著的是1型菌毛（FimH）和3型菌毛（MrkD）。FimH介导对上皮表面糖蛋白（包括uroplakins和CEACAMs）的甘露糖敏感结合，促进末端回肠和结肠的定植。3型菌毛与细胞外基质蛋白（如IV型和V型胶原）结合，促进在基底膜暴露的受损或发炎黏膜上形成生物膜。在发炎的肠道中，促炎细胞因子上调CEACAM分子为黏附的肺炎克雷伯菌提供了立足点，从而增强细菌持久性和炎症的正反馈循环。
对IECs的侵袭不太常见，但已在携带rmpA和magA（荚膜相关）基因的高毒力菌株中记录到，这些菌株可触发宿主肌动蛋白聚合并通过拉链样机制进入细胞。胞内储库可能保护肺炎克雷伯菌免受腔内抗生素和宿主免疫清除，从而促进慢性携带。
2.2 免疫逃逸与促炎刺激
多糖荚膜（K抗原）是肺炎克雷伯菌免疫逃逸的基石。荚膜抑制吞噬作用，阻断补体沉积，并掩盖底层表面抗原不被模式识别受体识别。由RmpA/A2调控的超荚膜产生定义了高毒力表型，并与增加的肠道定植密度相关。矛盾的是，虽然荚膜保护细菌免受先天免疫，但脂多糖（LPS）的O抗原和脂质A部分是Toll样受体4（TLR4）的强效激动剂，触发NF-κB激活以及巨噬细胞和树突状细胞分泌肿瘤坏死因子（TNF）-α、白细胞介素（IL）-6和IL-1β。这种双重性使肺炎克雷伯菌能够同时抵抗杀伤并引发强烈的炎症，这使其成为IBD中特别具有破坏性的病原菌。
铁载体代表了另一个关键的毒力类别。肺炎克雷伯菌产生yersiniabactin、aerobactin、salmochelin和enterobactin，它们从宿主中清除铁。由高致病性岛上的irp2基因编码的Yersiniabactin已被直接涉及促进肠道炎症，通过螯合铁并降低宿主脂质运载蛋白2（一种抑菌蛋白）的活性。有趣的是，yersiniabactin可以螯合铜，这种螯合可能间接调节局部氧化应激。
2.3 毒素与基因毒性因子
在癌症背景下，肠道定植的肺炎克雷伯菌最令人担忧的毒力特征是产生基因毒素。在肺炎克雷伯菌中发现功能性colibactin样生物合成基因簇（命名为clb或pks样）是一个分水岭。该簇编码非核糖体肽合成酶和聚酮合酶组装线，产生能够在真核细胞中形成链间DNA交联并诱导双链断裂的代谢物家族。肺炎克雷伯菌中的clb位点通常与接合质粒相关，使其能够在肠杆菌科（Enterobacteriaceae）中进行水平转移。重要的是，携带clb簇的肺炎克雷伯菌菌株已从IBD和CRC患者活检组织中分离出来，其流行率显著高于健康对照。
一个关键问题是肺炎克雷伯菌是简单地重现pks+大肠杆菌的基因毒性效应，还是拥有独特的致癌特性。肺炎克雷伯菌中的clb基因簇与大肠杆菌的pks岛具有惊人的序列同一性，表明colibactin生物合成机制及其基因毒性活性在物种间高度保守。然而，一些差异可能赋予不同的致病轨迹。首先，与大肠杆菌相比，肺炎克雷伯菌拥有更广泛的黏附素库和更厚的多糖荚膜，可能增强黏膜定植和持久性。其次，肺炎克雷伯菌产生更广泛的铁载体，包括yersiniabactin，这可能提供竞争优势并间接促进炎症。第三，肺炎克雷伯菌中的clb位点通常与也携带抗菌素耐药基因的接合质粒相关，将基因毒性与多重耐药性偶联起来，这种组合在大肠杆菌中很少观察到。
除了colibactin，一些肺炎克雷伯菌菌株产生细胞膨胀致死毒素（CDT），一种诱导上皮细胞细胞周期停滞和基因组不稳定的DNase。此外，肺炎克雷伯菌诱导的炎症过程中ROS的产生可导致间接氧化性DNA损伤，如8-氧代鸟嘌呤病变，这在IBD相关不典型增生中普遍存在。
2.4 持续定植中的生物膜形成与抗菌素耐药性
肠道的慢性定植通过黏液层和上皮表面的生物膜形成得以促进。3型菌毛和荚膜对生物膜发育都至关重要，poly-β-1,6-N-乙酰氨基葡萄糖（PNAG）胞外多糖的产生也是如此。生物膜赋予对抗菌肽、抗生素和蠕动清除的抵抗力，使肺炎克雷伯菌能够在严酷的IBD肠道环境中持续存在。
肺炎克雷伯菌中广谱β-内酰胺酶（ESBL）和碳青霉烯酶（KPC、NDM、OXA-48）基因的全球传播已有充分记录。在IBD患者中，频繁住院和抗生素使用选择出多重耐药（MDR）肺炎克雷伯菌。研究人员认为MDR菌株构成双重威胁：它们更难根除，导致长期的基因毒性暴露，并且它们的耐药质粒可能同时携带毒力和colibactin基因，将传播性与致病性偶联起来。
3 肺炎克雷伯菌在IBD中的作用
3.1 IBD肠道中的丰度与菌株特异性
大量16S rRNA基因测序和宏基因组研究一致报道了IBD患者肠道菌群中肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的扩增，其中克雷伯菌属（Klebsiella）物种通常占主导地位。全基因组测序揭示了肠道适应谱系的存在，其特征是irp2和clb基因的高流行率，以及K1、K2和K57荚膜类型。纵向采样表明，肺炎克雷伯菌可在IBD患者中持续存在数月至数年，其丰度波动通常与疾病发作相关。
3.2 加剧肠道炎症的机制
屏障破坏：肺炎克雷伯菌对IECs的黏附和侵袭破坏紧密连接蛋白（occludin、ZO-1），增加细胞旁通透性。这种“肠漏”促进腔内抗原和细菌产物转位进入固有层，助长免疫激活。
细胞因子诱导：肺炎克雷伯菌LPS和脂蛋白与巨噬细胞和树突状细胞上的TLR4和TLR2相互作用，触发MyD88依赖性信号传导，导致TNF-α、IL-1β和IL-23的强烈分泌。此外，NLRP3炎症小体被肺炎克雷伯菌衍生的RNA和LPS激活，导致caspase 1裂解和成熟IL-18释放。
T细胞极化：从IBD患者中分离的克雷伯菌属菌株是Th17细胞分化的强效诱导剂。其机制涉及FimH介导的与IECs上CEACAM6的黏附，触发上皮细胞和树突状细胞产生Th17极化细胞因子（IL-6、TGF-β）。失调的IL-17A和IL-22反应可加剧组织损伤并促进慢性炎症。这些Th17细胞还可产生IL-22，作用于肠道干细胞（ISCs）促进增殖。
3.3 动物模型证据
无菌小鼠定植实验证实了肺炎克雷伯菌诱导强烈Th17反应和结肠炎症的能力。在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎模型中，口服肺炎克雷伯菌显著加重了体重减轻、结肠缩短和组织学损伤评分。一项研究显示，靶向肺炎克雷伯菌的噬菌体混合物可改善定植IBD菌群小鼠的DSS结肠炎。
3.4 与临床表型的关联
临床上，肺炎克雷伯菌肠道定植与特定的IBD表型相关。在儿科CD队列中，黏膜活检中检测到肺炎克雷伯菌与狭窄/穿透性疾病行为和需要升级抗TNF治疗相关。在成人中，回结肠CD患者的粪便肺炎克雷伯菌丰度高于孤立回肠疾病患者。对于UC，肺炎克雷伯菌富集与疾病范围（全结肠炎）和较高的Mayo内镜亚评分相关。一些研究发现肺炎克雷伯菌定植与生物制剂反应减弱有关。
4 肺炎克雷伯菌与结直肠癌和直肠癌相关的富集和机制证据
4.1 肿瘤微环境中的检测与富集
几项大规模宏基因组研究描绘了CRC微生物组特征，确定了包括克雷伯菌属（Klebsiella）在内的全球微生物特征。克雷伯菌属与早期CRC（0-I期）显著相关，暗示其在肿瘤起始中的作用。一项中国CRC队列研究发现，肺炎克雷伯菌是区分肿瘤与邻近正常组织的前15种物种之一，并且在直肠癌中比近端结肠癌显著富集。
4.2 直肠癌中的分布特征
直肠的微生物生态位与结肠不同，具有较低的氧张力、较薄的黏液层和独特的糖基化模式。证据表明肺炎克雷伯菌在CRC组织中富集，并对远端肠道有特殊趋向性。这种倾向可能归因于直肠上皮中CEACAM6的高表达，它是FimH的受体。研究人员假设直肠相对更厌氧的条件和亚铁离子的可用性可能上调clb基因簇。
4.3 潜在致癌机制（体外和体内）
DNA损伤和基因组不稳定性：肺炎克雷伯菌clb菌株产生的colibactin在腺嘌呤残基处交联DNA，导致链间交联和双链断裂。受感染的IECs显示γ-H2AX焦点形成。对CRC患者全基因组测序数据的分析揭示了colibactin相关的突变特征（SBS88/ID18）。
致癌信号激活：肺炎克雷伯菌感染可激活促进细胞存活和增殖的信号通路。外膜囊泡（OMVs）和VI型分泌系统效应分子可激活宿主细胞中的NF-κB和STAT3信号。STAT3激活上调抗凋亡基因和细胞周期调节因子。FimH介导的黏附已被证明可反式激活表皮生长因子受体（EGFR）和下游β-catenin信号。
肿瘤免疫微环境调节：肺炎克雷伯菌可塑造肿瘤免疫格局。它诱导髓源性抑制细胞（MDSCs）和具有M2样表型的肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）的募集。肺炎克雷伯菌生物膜与释放中性粒细胞胞外陷阱（NETs）的密集CD66b中性粒细胞浸润共定位，NETs已被证明可促进肿瘤细胞增殖和转移。
5 放大肺炎克雷伯菌致癌作用的独特直肠微环境因素
直肠黏膜暴露于高浓度的次级胆汁酸，如脱氧胆酸（DCA）。DCA不仅作为基因毒素，还通过BaeSR双组分系统上调肺炎克雷伯菌毒力基因的表达。直肠上皮表现出独特的糖基化模式，与近端结肠相比，sialyl-Lewis X和CEACAM6的表达更高，为FimH介导的黏附提供了增强的对接位点。研究人员假设这种受体富集，加上直肠中更薄且更具渗透性的黏液层，促进了肺炎克雷伯菌与隐窝干细胞之间的更紧密物理接触，从而增加了colibactin诱导的DNA损伤到达克隆形成细胞池的可能性。
6 从IBD炎症到直肠癌：肺炎克雷伯菌作为桥梁驱动因素
6.1 慢性炎症驱动的基因组不稳定性
慢性炎症产生富含ROS和活性氮物种（RNS）的致突变环境，导致8-oxo-dG等氧化性DNA损伤。肺炎克雷伯菌通过两种协同机制放大这一过程：（i）细菌黏附时上皮NADPH氧化酶（NOX2）直接诱导ROS产生，以及（ii）被招募到感染部位的活化吞噬细胞间接产生ROS。
6.2 菌株持久性与从炎症到不典型增生再到癌的进展
与急性病原体不同，肺炎克雷伯菌通常建立持久和隐匿的定植。研究人员将肺炎克雷伯菌概念化为“慢性闷烧驱动因素”，它不一定会引起急性暴发性炎症，而是在数年内维持亚临床的促癌状态。来自有不典型增生的IBD患者的活检显示，与发炎但无不典型增生的对照相比，clb+肺炎克雷伯菌的流行率更高。
6.3 与其他致癌病原菌的协同作用
与具核梭杆菌和pks+大肠杆菌的共同定植在IBD和CRC中很常见。具核梭杆菌可作为多物种生物膜形成的桥梁。多种基因毒素产生者的共现可能导致累积或协同的DNA损伤，加速肿瘤起始。研究人员提出，结直肠癌发生更准确地被视为一个群落驱动的过程。
6.4 炎症诱导的肠道渗漏与干细胞可及性
IBD相关的屏障功能障碍不仅助长炎症，还为肺炎克雷伯菌及其毒素提供了直接进入隐窝底部干细胞生态位的途径。ISCs是CRC的前体细胞，由于其高增殖率和不对称分裂，特别容易受到基因毒性损伤。研究人员承认，这一假设目前缺乏在人体组织中的直接实验验证。
6.5 来自动物模型和类器官的证据
在AOM/DSS小鼠CAC模型中，ST11碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌的定植显著促进了结直肠腺瘤向高级别不典型增生的进展。体外实验中，clb+肺炎克雷伯菌菌株感染以colibactin依赖性方式诱导γ-H2AX磷酸化。在人结肠类器官中，合成colibactin引起了DNA损伤。
7 临床意义：生物标志物和治疗机会
7.1 肺炎克雷伯菌作为预测性生物标志物
在IBD患者的粪便或黏膜中鉴定clb或高风险肺炎克雷伯菌菌株可作为CRC风险分层的新型生物标志物。将微生物标志物整合到风险算法中可以改进筛查。例如，针对肺炎克雷伯菌中clb和irp2的粪便PCR检测可能识别出最高风险的患者。
7.2 通过噬菌体疗法进行化学预防
噬菌体疗法代表了一种精准工具，可在不破坏更广泛菌群的情况下清除致癌细菌。一项研究成功使用溶解性噬菌体混合物对抗小鼠中的肺炎克雷伯菌，显著降低了黏膜肺炎克雷伯菌负荷并减轻了结肠炎。然而，细菌可以迅速对噬菌体产生耐药性，口服噬菌体制剂在胃肠道中的功效受胃酸、消化酶和黏液层复杂物理结构的影响，且噬菌体通常是物种特异性的，往往甚至是菌株特异性的。
7.3 益生菌、后生元和毒力抑制剂
替代方法包括通过益生菌进行竞争性排斥。表达铁载体受体或荚膜降解酶的工程益生菌可以分别螯合铁或剥离保护性荚膜。小分子毒力抑制剂也在开发中：阻断FimH介导黏附的甘露糖苷衍生物，以及抑制激活colibactin的ClbP肽酶的抑制剂。
7.4 免疫疗法和炎症的调节
由于慢性肺炎克雷伯菌感染将免疫微环境极化为Th17和M2巨噬细胞反应，清除细菌可能会增强免疫疗法（包括免疫检查点抑制剂（ICIs））的功效。肺炎克雷伯菌对CRC中ICI反应性的影响未知但值得研究。
8 当前局限性与未来方向
8.1 建立因果关系的挑战
尽管有令人信服的关联，但在人类中确切的因果关系证据仍然难以捉摸。需要长期前瞻性队列研究来证明持续的clb+肺炎克雷伯菌定植先于并预测直肠肿瘤的发生。
8.2 忽视菌株水平多样性
肺炎克雷伯菌这一术语涵盖了具有不同致病潜力的巨大多样性菌株。许多肠道定植菌株可能是无毒的共生菌，只有一部分携带colibactin、yersiniabactin和高度黏液性组合，构成高风险特征。
8.3 直肠与结肠微环境差异
大多数CRC微生物组研究将结肠癌和直肠癌合并，掩盖了因部位而异的动态变化。直肠独特的神经、血管和免疫学特征需要专门的研究。
8.4 方法学的标准化
该领域缺乏方法学标准化。样本类型、DNA提取方案和生物信息学工作流程的不一致损害了研究的可比性和荟萃分析的有效性。建议国际联盟考虑开发标准化的致癌微生物组panel。
8.5 未来研究方向
无菌IBD直肠癌模型、验证干细胞靶向假说、整合到筛查算法、精准去定植试验、鉴定保护性菌群以及阐明免疫机制是需要重点推进的研究方向。
9 结论
肺炎克雷伯菌正从经典传染病学的阴影中走出来，被公认为微生物群驱动的IBD相关直肠癌发病机制中的重要参与者。其黏附素、促炎介质以及最重要的水平获得的colibactin基因毒素库，使其不仅能够加剧慢性肠道炎症，还能对再生的上皮造成直接的DNA损伤。持续Th17驱动的增殖与基因毒性应激的汇合，在直肠这个具有独特微环境脆弱性的部位，为从炎症到不典型增生再到癌的连续过程创造了完美风暴。研究人员提出了一个综合框架，其中高风险肺炎克雷伯菌菌株的持续定植充当IBD活动与直肠癌变之间的桥梁驱动因素。
