《MicrobiologyOpen》：Gastrointestinal Microbiome Dysbiosis in Cancer Development: Mechanisms and Biomarker Potential
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越来越多的证据表明，胃肠道微生物群的改变与胃肠道癌症的发生和进展相关。大量证据提示，胃肠道微生物群失调通过产生促炎性和免疫抑制性信号，在胃肠道癌症的发展中发挥重要作用。本综述探讨了微生物组失调在胃肠道恶性肿瘤发病机制中的作用。微生物群的组成在不同个体间差异很大
越来越多的证据表明，胃肠道微生物群的改变与胃肠道癌症的发生和进展相关。大量证据提示，胃肠道微生物群失调通过产生促炎性和免疫抑制性信号，在胃肠道癌症的发展中发挥重要作用。本综述探讨了微生物组失调在胃肠道恶性肿瘤发病机制中的作用。微生物群的组成在不同个体间差异很大，并取决于年龄、饮食、生活方式、遗传、药物和环境因素等多种因素。鉴于这种多样性，全面表征胃肠道微生物群对于阐明其在癌变中的作用至关重要。因此，研究人员探究宿主胃肠道的微生物组成可以为胃肠道癌症的状态提供重要信息。
1 引言
胃癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，也是癌症相关死亡的主要原因。每年影响超过一百万人，约占所有癌症的5.7%。该疾病预后较差，相当一部分患者在晚期才被诊断，这导致了不良的临床结局。胃癌的发展与多种风险因素相关，例如幽门螺杆菌感染、胃溃疡、肥胖、吸烟、高盐饮食、饮酒、辐射暴露、EB病毒以及表观遗传和遗传因素。幽门螺杆菌是胃癌的主要确定感染性风险因素，并在胃癌发生中起重要作用。近年来，关于幽门螺杆菌在胃部酸性环境中生存、持续感染及导致宿主功能障碍的策略有了新的认识。近期研究强调了非幽门螺杆菌微生物在小鼠模型中促进胃肠道肿瘤发生的潜在作用。研究表明，质子泵抑制剂会减少胃酸分泌，从而可能导致细菌生长增加。
除了幽门螺杆菌感染外，其他影响疾病发展的宿主和环境因素、失调或胃部正常微生物组类型及功能的改变也可能促进癌变。由微生物组引起的慢性黏膜炎症可能形成失调的胃部微生物群落，这会改变胃内环境。肠道微生物组对宿主免疫系统的持续激活导致宿主上皮细胞与微生物之间的相互作用紊乱，进而造成慢性炎症状态。当自然共生关系因各种原因变得失调时，我们肠道的正常居民会变成病原菌，这些病原菌可能在饮食和环境致癌物的作用下引发癌症。肠道微生物群的内容和癌症的发生都受到饮食的显著影响。源自食物成分的微生物代谢副产物控制着我们的健康和疾病状态。先前的研究表明，消化道中的癌组织比基质组织拥有更多样化和更丰富的微生物群。此外，一项研究显示，胃癌晚期的微生物多样性高于早期阶段。
本文综述了胃肠道微生物组失调及其相关分子机制在胃癌发展和进展中的作用。
2 微生物组
据估计，人体内栖息着约38万亿细菌。这些细菌可以影响多种生理过程和疾病易感性。人类微生物组包括细菌、真菌、真核原生动物和病毒。通常，微生物组作为一个超有机体发挥作用，与其宿主建立健康的共生关系。它利用宿主富含营养的环境，并帮助消化和代谢这些物质。口腔、皮肤和肠道的微生物组拥有非常丰富和多样的细菌种群。相比之下，阴道微生物组受到的关注较少，但同样经过充分研究，已知含有特定且占优势的微生物种群。然而，这些微生物组的起源和定植动态仍在研究中。微生物生态位可能通过由改变的微生物组拓扑结构介导的相互作用，或成员之间或其分泌代谢物的直接相互作用来影响癌症进展。
2.1 口腔微生物组与胃肠道癌症
口腔始终暴露于微生物中，包含约500至700种细菌物种。口腔是一个独特的生态系统，其每个子区域都由不同的微生物群落组成。这些子区域包括口腔黏膜、腭黏膜、舌背、唾液、正在脱落的软组织表面以及持续暴露于细菌斑块生长的非脱落牙齿表面。唾液和牙菌斑的细菌多样性最高，而口腔黏膜微生物组的多样性最低。几种全身性恶性肿瘤与口腔中常见的特定口腔微生物有关。口腔微生物组失调与胰腺癌、结直肠癌和炎症性肠病相关。口腔细菌与远端恶性肿瘤之间存在两种关系。在大多数癌症中，口腔微生物并不直接参与肿瘤发病机制，但与癌症相关的口腔微生物组组成存在持续性变化，这可能作为癌症预后的潜在生物标志物。
牙龈卟啉单胞菌是一种主要的口腔感染菌，使口腔癌细胞更具侵袭性并对化疗药物产生耐药性。该细菌通过分解死亡的癌前细胞和抑制髓源性抑制细胞来协助肿瘤生长。它通过Toll样受体4、髓样分化因子88及MyD88非依赖性途径刺激初级免疫反应，激活核因子-κB通路并导致引起炎症的细胞因子释放。TLR4在癌性胰腺中的表达高于健康胰腺，这是胰腺癌发展的一个有趣标志。此外，该细菌的脂多糖还通过阻断MyD88依赖性途径导致胰腺癌的发展。
临床研究表明，消化系统中的肿瘤组织比邻近的非肿瘤组织含有更多的口腔微生物群，例如链球菌属、消化链球菌属和梭杆菌属。此外，使用16S rRNA基因测序对胃癌患者的胃肠道微生物组进行分子分析表明，诸如微小微单胞菌、咽峡炎链球菌、苛求斯莱克菌和口炎消化链球菌等口腔细菌也存在于这些区域。胃部酸性环境的改变很可能允许口腔细菌在那里定植。与正常组织相比，胃癌组织中短乳杆菌的水平也较低。相比之下，其他口腔细菌如链球菌属和梭菌属的水平在此比较中也显著升高。
2.2 肠道微生物组与胃肠道癌症
结肠含有胃肠道中密度最高的微生物，是人类肠道微生物群的主要储存库。肠道微生物组在控制宿主免疫系统中起着关键作用，无论是在肠道还是全身。它包含重要的乳酸杆菌属，其中一些物种用于治疗多种消化系统疾病。该细菌产生的乳酸导致许多重要生物学过程的改变，包括免疫系统调节、抗炎因子和抗癌途径。在一项病例对照研究中，胃癌患者胃中的普雷沃氏菌和痤疮丙酸杆菌水平高于对照组。这些发现表明这些物种增加了胃癌的风险。人类肠道微生物组中最常见的细菌属之一是普雷沃氏菌属，它对宿主来源的活性氧具有抵抗力。该细菌产生氧化还原蛋白硫氧还蛋白，作为其在多种疾病中炎症活性的一部分。
2.3 肠道微生物群与癌症中的免疫失衡
肠道微生物组的稳态受宿主免疫的调节，反之，微生物组塑造了肠道免疫系统的行为。肠道微生物群不仅会影响肠道免疫力，还会通过循环影响其他黏膜部位的免疫反应。鉴于胃肠道经常暴露于外部病原体，黏膜免疫系统是抵御入侵的第一道防线。充当免疫屏障的肠上皮细胞通常展示模式识别受体，如结节样受体和TLRs。在与微生物接触后，这些受体识别鞭毛蛋白、肽聚糖、脂多糖和细胞壁脂蛋白。
癌症免疫编辑通常被描述为一个动态过程，包含三个阶段：清除、平衡和免疫逃逸。清除是宿主免疫系统识别并摧毁肿瘤细胞的过程。平衡是一种动态状态，其中癌细胞无法被完全根除或快速分裂，因为它们仍处于免疫系统的控制之下。最后阶段涉及免疫逃逸，即尽管有宿主免疫系统的监视，肿瘤细胞仍然生长。
最近的发现表明，肠道微生物群对结直肠癌的影响不仅限于调节免疫反应，还通过重编程代谢、神经和内分泌轴来影响肿瘤行为。微生物代谢物能够同时调节与细胞增殖、血管生成、炎症和免疫细胞功能相关的信号通路。这些多轴相互作用表明，微生物组作为一个系统性调节器，可以影响胃肠道癌症的发生、进展甚至对治疗的反应。
2.4 血液微生物组与胃肠道癌症
在非感染性疾病中，血液被认为是无菌的。尽管使用不依赖培养的测序方法已在血液中鉴定出微生物DNA，但对于血液中存在稳定微生物组的说法仍存在争议。因为血液是一个低生物量的环境，来自试剂、实验室环境和其他身体部位的污染构成了主要的方法学问题。一项研究表明，血培养中不生长的微生物通常来源于口腔或肠道，并且通常处于非活跃状态。研究还发现，血液微生物群的改变与几种非致病性疾病相关。先前的研究表明，胃癌患者的血液微生物组组成与健康组显著不同。这些研究还显示，血液微生物组与胃癌的肿瘤大小、浸润强度和转移之间存在显著相关性。在该研究中，胃癌患者体内三种细菌物种——拟杆菌属、副流感嗜血杆菌和不动杆菌属的浓度较高。此外，胃癌的淋巴和非淋巴转移具有不同的血清微生物群组成。另一项研究表明，对免疫化学疗法有反应的晚期结直肠癌患者的基线血液微生物群组成与无反应者相比存在显著差异。他们的结果显示，有反应的患者体内双歧杆菌属、乳酸杆菌属和肠球菌属的浓度更高。
2.5 胃肠道癌症中的微生物组失调
在胃癌早期阶段，罗尔斯通菌属、鞘氨醇菌属、苍白杆菌属、厌氧芽孢杆菌属和假黄单胞菌属往往含量丰富。随着病程进展，冢村菌属、伯克霍尔德菌属和盐弧菌属变得更加普遍。最近的一项研究阐明了不同胃癌亚型的微生物组成。他们的结果表明，变形菌门和酸杆菌门在腺癌样本中普遍存在，而梭杆菌门和拟杆菌门在印戒细胞癌中普遍存在。
2.6 肠道屏障功能障碍与微生物移位
肠黏膜屏障是防止微生物及其产物进入血液的最重要防御之一。该屏障由上皮细胞、紧密连接、黏膜层和黏膜免疫系统组成，在维持肠道稳态中发挥着基本作用。最近的证据表明，微生物失调，尤其是在衰老过程中，可以通过降低微生物多样性、削弱细胞间连接和增加上皮通透性来破坏这一屏障的功能。结果，脂多糖、肽聚糖和其他细菌产物被转运到固有层和血液中，并通过激活TLRs和NLRs等模式识别受体，诱导炎症细胞因子的产生和慢性全身性炎症。这种持续的炎症，连同增加的氧化应激、DNA损伤和改变的肿瘤微环境，为胃肠道癌症的发生、进展和转移提供了有利条件。另一方面，肠道屏障功能障碍也会损害抗肿瘤免疫反应并降低抗癌疗法的疗效，尤其是免疫疗法。因此，维持黏膜屏障的完整性和恢复微生物群的平衡已被视为预防和治疗胃肠道癌症的一种新兴策略。
3 微生物组致癌机制
微生物组失调同时利用多种机制加速宿主的肿瘤生长。在肿瘤环境中繁盛的菌株可能利用这些机制在化疗期间促进癌症转移和复发。细菌感染是失调导致肿瘤发展的主要机制之一。细菌产生大量的ROS和毒素，破坏细胞调控过程、细胞周期和炎症介质的产生，从而导致肿瘤形成。这些细菌毒素可以通过靶向关键的细胞通路来诱导突变和基因毒性应激。细胞周期调节毒素是改变细胞周期的细菌毒素，并使表达它们的菌株具有高度致癌性。一些人类癌症与产生细胞周期调节毒素的菌株有关，例如产生大肠杆菌素的大肠杆菌和产生细胞毒素相关基因A的幽门螺杆菌菌株。细菌致癌的另一种机制是通过易位激活微生物相关分子模式。这些因子激活TLRs，随后激活细胞因子和转录因子，导致免疫失衡。这种免疫失衡激活了由NLRs介导的多种信号通路，这些通路诱导炎症或激活NF-κB、应激激酶、干扰素调节因子和炎症性半胱天冬酶，最终通过自噬清除基因毒素或受损细胞。细菌代谢活动的输出也可导致有毒物质的激活，如亚硝胺和乙醛，它们具有基因毒性效应并导致癌变。此外，某些细菌释放的活性氮物种、ROS和硫化氢会对抗肿瘤控制通路产生负面影响。
最近的综述表明，微生物组失调引起的癌变并非单一机制的结果，而是炎症、免疫、代谢和基因毒性通路同时相互作用的结果。其中，细菌代谢物、胆汁酸代谢的改变、黏膜屏障功能的破坏、先天性和适应性免疫反应的调节，以及NF-κB、STAT3和Wnt/β-catenin等信号通路的激活，以网络化方式共同创造了一个有利于肿瘤起始、进展和转移的微环境。这一观点表明，除了检查微生物组成外，对微生物组进行功能评估对于全面理解癌变至关重要。
最近的研究表明，除了产生致癌代谢物外，肠道微生物群还在许多环境化学品和食品化合物的代谢中发挥作用，并且可以增加或减少这些化合物的毒性或致癌性。细菌酶改变致癌物的代谢途径，改变上皮细胞与活性代谢物接触的程度，从而影响DNA损伤、氧化应激和炎症反应的严重程度。这突显了微生物组代谢功能的重要性，而不仅仅是其细菌组成。
微生物多样性可以通过引起全身性疾病或黏膜炎症而在癌症发展中发挥间接作用。该领域的大多数研究与口腔和肠道微生物组有关。幽门螺杆菌通过Janus激酶-信号转导及转录激活因子信号通路增加胃癌中肿瘤相关成纤维细胞的血管细胞黏附蛋白1的表达。支持这些结果的是，一些研究表明VCAM1水平与胃癌患者的肿瘤进展和不良预后呈正相关。此外，癌症相关成纤维细胞来源的VCAM1与整合素αvβ1/5的相互作用导致胃癌细胞的侵袭性增强。
具核梭杆菌是人类口腔中的一种共生细菌。先前已证明，来自具核梭杆菌的FadA黏附复合物与结直肠癌细胞系中促进癌症的转录变化有关。实验研究表明，具核梭杆菌可能通过TLR4/MyD88/NF-κB相关信号传导促进结直肠癌细胞增殖和迁移，包括调节miR-21的表达。在小鼠模型中，产肠毒素脆弱拟杆菌的定植已被证明可通过炎症和STAT3/Th17相关机制促进肠道肿瘤发生。微生物组致癌性的另一个原因可能是，与健康人群相比，结直肠癌患者粪便样本中厌氧消化链球菌的丰度更高。这种细菌可以通过其表面蛋白——推定的细胞壁结合重复序列2——与α2/β1整合素结合。这种结合导致黏着斑激酶磷酸化的刺激和结直肠癌细胞中PI3K/AKT通路的激活。此外，该细菌的活性导致细胞增殖增加和NF-κB信号通路的激活，最终导致炎症加剧和肿瘤进展。
4 幽门螺杆菌诱导胃癌的发展
幽门螺杆菌感染已被证明通过多种机制激活STAT3信号传导。它可以通过增加白细胞介素6的表达来持续激活STAT3。此外，幽门螺杆菌的致病因子CagA被递送到宿主上皮细胞后，通过SHP-2通路导致STAT3的激活并诱导STAT3靶基因的转录。幽门螺杆菌还与TLR2相互作用，增加炎症反应和STAT3的激活。Duan等人表明，幽门螺杆菌通过SRC-YAP1通路，在STAT3的诱导下导致DAB2的过表达，并增强胃癌的发生。值得注意的是，幽门螺杆菌感染可以通过STAT3信号通路激活成纤维细胞生长因子受体4，这一过程与胃癌的发展有关。也有研究表明，幽门螺杆菌可以下调JAK-STAT通路的其他组分。这很可能是其用来逃避免疫系统的策略。
幽门螺杆菌通过多种机制触发NF-κB信号通路。具体来说，CagA直接刺激NF-κB并增加其在细胞核和细胞质之间的易位。幽门螺杆菌激活IkappaB激酶复合物，然后通过提高炎症介质如肿瘤坏死因子-α和IL-1β的产生来激活NF-κB通路。Chen等人表明，幽门螺杆菌可以通过NF-κB信号诱导PIEZO1/YAP1/CTGF通路，并引起胃癌微环境的转化以诱发胃癌。幽门螺杆菌感染还可以通过NF-κB通路刺激RAS样激活蛋白2的表达，并通过β-catenin通路增加胃癌的发生。多项证据表明，Wnt/β-catenin通路的持续活性与胃癌的发生率、进展和侵袭显著相关。Wnt/β-catenin通路在幽门螺杆菌引起的早期胃癌发展中起关键作用。研究表明，该细菌可以破坏Wnt依赖的细胞极性机制，导致肠内分泌分化和干细胞增殖。CagA激活该通路并增加β-catenin的积累和核转位。最近的证据表明，幽门螺杆菌诱导的LRP8表达促进了β-catenin的核积累，并可能在胃癌进展中发挥作用。β-catenin的核积累刺激上皮-间充质转化转录因子的表达，并赋予肿瘤细胞干细胞样能力。该通路的激活也刺激肿瘤细胞侵袭，是胃癌发展的标志之一。三种主要的MAPK通路，包括JNK、ERK和p38通路，均受幽门螺杆菌感染的调节，并在胃癌的发展中发挥关键作用。
5 微生物群作为胃肠道癌症的生物标志物
胃肠道癌症包括食管、胃、结肠和直肠的恶性肿瘤，但全球最常见的胃肠道癌症类型是结直肠癌、胰腺癌和胃癌。尽管技术迅速进步，但胃癌的诊断和预后仍处于初级阶段。胃肠道恶性肿瘤的一个常见挑战是与晚期诊断相关的高发病率和死亡率。胃肠道癌症通常在影响患者消化健康之前缓慢进展。因此，早期检测是管理疾病和防止恶化的关键。发现和开发用于早期检测的非侵入性生物标志物可能会带来真正的帮助。
通过层次聚类分析的16S rDNA表明，食道内存在两个不同的微生物群。第一种主要由链球菌组成。第二种包括放线菌、普雷沃氏菌、韦荣球菌、奈瑟菌、梭杆菌、嗜血杆菌、弯曲杆菌、Rutia和卟啉单胞菌。这种类型称为睑板腺型，在健康食道中不存在。此外，基于研究，推测微生物群从正常状态转变为梭菌目、具核梭杆菌、丹毒丝菌目或牙龈卟啉单胞菌浓度增加数倍，可作为食管鳞状细胞癌的预后因素。
此外，由于幽门螺杆菌破坏了胃酸分泌，其他细菌也在胃中积聚。先前的研究表明，胃癌患者体内乳酸杆菌属、乳球菌属和毛螺菌科的水平较高。胃癌患者具有高密度的特定口腔微生物群，如嗜血杆菌、韦荣球菌、梭杆菌、纤毛菌和弯曲杆菌。这表明失调可以作为胃癌的有用诊断工具。研究表明，除了幽门螺杆菌外，其他细菌物种如厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和梭杆菌门也具有作为胃癌生物标志物的潜力。
几项研究表明，结直肠癌患者体内微生物群的缺失会增加此类癌症的发生率。他们还报告称，具核梭杆菌、Solubacterium morei、微小微单胞菌和口炎消化链球菌与结直肠癌相关。多项发现还表明，共生的口腔厌氧菌具核梭杆菌与结直肠癌的进展和转移相关。这些结果表明，具核梭杆菌有潜力成为早期检测结直肠癌的新型非侵入性粪便生物标志物。胰腺癌患者唾液微生物组中轻型链球菌和长奈瑟菌的丰度显著低于健康人群。研究人员还观察到，与健康人群或其他疾病患者相比，胰腺癌患者唾液中纤毛菌与卟啉单胞菌的比例显著升高。一项研究发现，具核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌与胰腺癌风险增加相关。
6 结论
现有证据表明，胃肠道微生物组的失调可能在胃肠道癌症的发展和进展中发挥作用。微生物群落组成和功能的改变可能通过诱导慢性炎症、产生代谢物和基因毒性物质、破坏上皮屏障、调节免疫反应以及激活致癌信号通路来影响肿瘤发生。在微生物因子中，幽门螺杆菌和具核梭杆菌是具有更多实验证据表明其与致癌过程相关的重要例子。另一方面，口腔、胃和肠道微生物组的变化，甚至在血液中可检测到的微生物DNA模式，都具有用作诊断或预后生物标志物的潜力；然而，现有证据仍不足以将这些标志物常规应用于临床。
个体差异、饮食、药物、地理、采样方法和测序是当前研究最重要的局限性。总体而言，详细了解微生物组、上皮细胞、免疫系统和肿瘤微环境之间的相互作用，可以为预防、早期检测和治疗胃肠道癌症确定新的靶点。尽管取得了重大进展，未来的研究应使用纵向和多中心研究、标准化采样和分析方法以及多组学方法，独立地和组合地验证微生物标志物。这种方法可以促进基于微生物组的生物标志物和基于其调节的治疗策略的开发。
