摘要人类依赖于我们的共生细菌来提供营养、免疫调节和代谢来维持健康。然而，这个共生群落存在于小心翼翼的平衡中，如果被破坏，就会进入生态失调状态;这已被证明有助于病因结肠，胃，食道，胰腺，喉部，乳腺癌和胆囊癌。这一病因与宿主炎症密切相关，而宿主炎症由微生物失调引起，并因微生物失调而加重，同时增加了对病原体的脆弱性。测序技术的进步提高了我们对与全身各种癌症类型相关的微生物物种进行分类的能力。然而，将微生物生物标记物定义为癌症预测因子存在多重挑战，而现有的识别癌症相关细菌的研究报告的结果并不一致。结合代谢物和微生物组分析可以帮助阐明肠道微生物群、代谢和宿主之间的相互作用。最终，了解肠道菌群失调如何影响宿主反应和炎症，对于准确了解微生物群在癌症中的作用至关重要。
关键词：微生物，癌症，微生物代谢物，失调，炎症，基因毒素
导言特定致病菌与人类致癌性之间的关系一直是广泛研究的课题。历史上，大多数的研究都集中在单个的病原体上，如幽门螺杆菌，以及它们引发和延续疾病的潜力。以前的研究重点是疾病过程，而不是有益的肠道微生物相互作用。最近，大量的研究支持共生细菌通过营养、免疫调节和代谢过程在保护宿主健康方面发挥作用。此外，通过使用高通量DNA测序技术，现在可以更全面地描述整个肠道细菌群落及其相互作用。肠道微生物群落作为一个整体的特征进一步加深了我们对肠道微生物生态学的理解，包括了社区层面的功能和变化。在健康的个体中，肠道微生物群作为一个共生体，可以提供保护免受入侵的病原体和防止肿瘤生成的。然而，这种共生群落存在于仔细的平衡中，如果被破坏，就会进入失调状态，并促进宿主疾病的进程，包括癌症。虽然最近的研究结果仍然支持个体微生物影响癌症发生，但更强调的是微生物失调及其在癌症发生和发展中的更大作用。这篇综述的重点是肠道微生物群落动力学，从共生状态转变为失调状态，以及随后的宿主免疫和病原体反应，这极大地改变了多种类型癌症的发生和发展。
大肠癌微生物群参与机制的研究进展
多项研究报告了结肠直肠癌(CRC)患者与健康人肠道微生物组组成的差异。事实上，肠道微生物群可以在促进或预防CRC中发挥作用，通常是通过调节与宿主结肠粘膜的密切接触而引起的炎症过程。例如，氮氧甲烷(AOM)和硫酸葡聚糖钠(DSS)对无菌小鼠的化学诱导损伤和增殖作用增强，而无菌小鼠缺乏保护共生物。此外，与特定的无病原体小鼠相比，无菌小鼠的肿瘤生长导致肿瘤明显更多更大。肠道微生物群落的平衡，或称优生，可被宿主体内的炎症环境破坏。例如，宿主炎症可能通过产生特定的代谢物如一氧化氮合酶(NOS2)来影响微生物群的组成。硝酸盐为兼性厌氧细菌提供了一种独特的能量来源，使它们能够战胜不能利用硝酸盐的细菌，破坏肠道微生物群的平衡，导致生态失调。促炎反应也可以破坏屏障和免疫功能，允许细菌通过肠道紧密连接转移，并强化炎症反应。
炎症如何与肠道微生物群相互作用以影响结直肠癌最近已在几个假设中合成，这些假设总结了我们对迄今为止相互作用的理解(图1)。alpha-bug假说表明,梯形病原体的物种,如产肠毒素的bfragilis(ETBF),促进CRC整编了结肠微生物群,可能通过IL-17和TH17细胞介导的炎症反应。这一过程也可以由微生物独立的宿主介导的炎症启动，并可能被有益的共生微生物群阻断。类似地，细菌驱动-乘客模型表明，驱动细菌，如ETBF，会引起或加剧炎症，并产生导致细胞增殖和突变的基因毒素。随后，腺瘤形成，并被乘客细菌，如梭菌属，鼓励肿瘤进展。在肿瘤形成后，肠道屏障被持续的炎症破坏，允许细菌进入肿瘤组织。这些细菌及其代谢物刺激额外的炎症信号，包括IL-17细胞因子，促进癌症进展。炎症信号也可以刺激巨噬细胞，通过诱导M1表型，通过旁观者效应产生染色体断裂因子，破坏DNA并诱导邻近细胞的染色体不稳定性。可能CRC的启动和进展是由这些模型的各个方面引起的。
肠道微生物群落从平衡状态(共生状态)到不平衡状态(失调状态)的进展与调节癌症风险的宿主的生理、代谢和细胞反应有关。
一旦细菌在受损的肠道上皮细胞外转移，宿主免疫系统就会激活多种模式识别受体(PRRs)，这些受体对CRC过程非常重要，包括膜结合toll样受体(TLRs)和细胞质节点样受体(NLRs)。特别是，TLR2和TLR4已被证明对小鼠模型中肿瘤的形成非常重要，并且最近在TLR2和TLR4中的人类遗传多态性与CRC风险支持在人类中的作用之间的关联也得到了证实。此外,活化的核因子(NF)-κB在CRC肿瘤发生过程中发挥作用通过提高细胞因子和wnt信号,可肠上皮nonstem细胞转化为肿瘤起源细胞。NF-κB在CRC的作用是复杂的,涉及到额外的信号通路,最近被广泛地查阅。另外,在colitis-associatedCRC,TLR信号在肿瘤相关成纤维细胞启动炎症级联通过epiregulinNF-κB独立的(EREG)。EREG刺激细胞外信号调节激酶(extracellularsignal-regulatedkinase,ERK)通路，促进肿瘤增殖。两个NLRs与CRC风险相关:NOD2，它被细菌肽肽聚糖、胞外二肽激活;以及含有NOD-、LRR-和pyrin域的6(NLRP6)。当存在NOD2缺陷时，单是生物失调就足以使小鼠的CRC发生。然而，Shanahan等人最近的研究表明，NOD2相关的失调可以通过将NOD2突变体与野生型小鼠共同培养来克服。未来的研究需要阐明NOD2和NLRP6在肠道微生物调节中的作用。然而，细菌跨肠上皮转运在激活TLR和NLR以及促进炎症中的作用得到了强有力的支持。
驱动癌症启动过程的还有已被证明通过基因毒性作用促进肿瘤发生的病原体，包括大肠杆菌、粪肠球菌和脆弱拟杆菌。大肠杆菌的致病性菌株一般属于B2和D组，产生基因毒性的毒力因子，称为环调蛋白。细胞周期调节素可调节细胞分化、凋亡和增殖，包括可溶性肌动蛋白、细胞毒坏死性因子(CNF)和细胞乙醛膨胀毒素(CDT)。B2大肠杆菌组产生环调素在结直肠癌患者的结肠黏膜中非常普遍。E.faecalis通过诱导宿主巨噬细胞中的M1表型，以DNA损伤活性氧(ROS)和活性氮(RNS)的形式间接增加基因毒素的产生。ETBF释放脆弱素(也称为BST)，一种诱导体内DNA损伤的毒性因子。所有这些生物也被证明通过炎症途径在致癌中发挥作用。此外,梭菌属最近相关的upregulationNF-κB驱动的炎症基因和被确认为被浓缩在结肠肿瘤。虽然特定的生物体发挥这些基因毒性效应，但这些效应是可能的，并通过先前的失调状态得到加强。
结直肠癌中与肿瘤发生和形成有关的微生物
人类微生物组计划的一个主要目标是定义一个核心微生物组，它可以用于识别正常健康状态的偏差。虽然确定健康的核心肠道微生物组仍然是难以捉摸的，大量的比较研究已经开始揭示微生物群落与结直肠癌的关系。微生物组在肿瘤发生和发展中的重要性已经在小鼠模型中得到了很好的证明。从荷瘤小鼠体内转移的微生物群可在健康动物中诱导肿瘤形成，而具有遗传易感的小鼠在使用抗生素治疗时可避免CRC。回顾性人类队列研究涵盖了一系列样本类型和人群，解决了健康个体与CRC或腺瘤性息肉患者的微生物组总体差异，以及受影响个体的健康组织和肿瘤组织之间的肠道微气候差异等问题。综上所述，这些研究正开始定义一个与crc相关的微生物组。
虽然在所有研究中，没有一种细菌始终与CRC相关，但革兰氏阴性口腔共菌核梭菌与CRC的关系最为密切。几项通过比较肿瘤组织与相邻健康组织来检查结肠肿瘤微环境的研究报告了与肿瘤相关的梭菌的过度富集。中国的一项研究报道了肿瘤组织中梭菌数量相对于对照组有增加的趋势，但未达到显著性，这可能是研究规模较小的结果(n=8)，但也可能表明不同种族的中梭菌与CRC的相关性并不一致。其他研究证实，梭杆菌在癌前腺瘤中富集，特别是在高级别发育不良的腺瘤中。Kostic等人也报道了腺瘤和结直肠癌患者粪便中梭杆菌的含量高于健康对照者。他们还观察到，感染F.nucleatum的ApcMin/+小鼠的肿瘤多样性和肿瘤促进骨髓细胞的选择性募集增加。β-catenin信号传导的激活，通过核蛋白产生的FadA粘附素与宿主膜中的E-cadherin的结合，调节炎症和致癌反应，为梭菌属作为CRC起始和进展的驱动器的作用提供了进一步的证据。
虽然我们知道粘膜粘附细菌与肠腔内发现的细菌有显著差异，但鉴别一种与crc相关的粪便微生物群对诊断和预后很有吸引力。不幸的是，在现有出版的关于特定细菌关联的文献中似乎没有达成共识，甚至更一般的测量，如细菌群落多样性，似乎也不能一致预测CRC。Sobhani等报道了病例和对照粪便样本之间的细菌群落多样性没有差异，但在CRC粪便样本中发现了Bacteroides/Prevotella的富集，这在组织活检的粘膜样本中得到了证实。他们还报告了龙眼双歧杆菌、梭状芽胞杆菌和瘤胃球菌的种类。另一项研究报告称，在CRC病例中，Akkermansiamuciniphila和Citrobacterfarmeri的水平较高，与对照组相比，产生丁酸盐的物种如瘤胃球菌和Roseburia的数量减少。Akkermansia是人类肠道内的一种常见共患病，其衰竭曾与克罗恩病和IBD有关;然而，在小鼠模型中，它被证明在CRC肿瘤发展中是重要的。在迄今为止最大规模的粪便微生物研究中，CRC病例的微生物多样性下降，梭菌物种减少。本研究还报道了CRC患者粪便样本中存在较高的梭杆菌，提示粪便可能用于反映这种肿瘤相关细菌的粘膜水平。然而，基于现有的知识，粪便微生物群落的组成似乎不能很好地预测CRC的存在，在利用粪便样本中的细菌生物标志物开发有效的诊断或预后测试之前，还需要进行更多的队列研究。
胃癌和食道癌中微生物群的参与
胃和食道内壁与微生物群密切接触，最近的证据支持微生物群也影响这些癌症。这些癌症和肠道微生物之间已知时间最长、特征最广泛的关联是幽门螺杆菌感染。与广泛应用的小鼠模型相比，蒙古沙鼠的胃系统更接近于人类。蒙古沙鼠显示，感染幽门螺旋杆菌的动物中有37%发生了腺癌，而未感染的对照组中没有发生肿瘤。最近对这个动物模型的研究表明，长期的幽门螺杆菌感染会破坏肠道微生物群落。幽门螺杆菌阴性沙鼠的双歧杆菌、C.coccoides组和C.leptum亚组的丰度降低，而Atopobium簇的丰度较高。另外，罗伊氏乳杆菌、庄氏乳杆菌和鼠李乳杆菌三种乳酸菌在体外抑制幽门螺旋杆菌的生长，提示某些肠道微生物可能有助于预防幽门螺旋杆菌感染。
人类对癌症患者和健康对照者胃微生物群的比较研究表明，必须存在幽门螺旋杆菌以外的微生物，以促进胃粘膜运动，促进胃癌的发展。事实上，许多感染幽门螺杆菌的人并不会患上胃癌。Aviles-Jimenez等人注意到在胃癌患者中，卟啉单胞菌、Meisseria和链球菌的减少以及乳酸菌属、假单胞菌属和Lachnospiraceae的增加。coleohominis是一种以前被认为是有益的物种，其显著增加得到了Dicksved等人的支持，他们测量了胃癌患者样本中对应于乳酸菌的末端限制片段(TRFs)的增加。进一步研究这一现象以及幽门螺杆菌与肠道微生物的相互作用需要更好地了解其在疾病过程中的作用。
幽门螺杆菌的根除已被证明与胃癌发病率的降低有关。Shin等人发现LOX抑癌基因的甲基化水平随着猫科幽门螺杆菌(相当于小鼠的幽门螺杆菌)的根除而降低。Cai等的一项研究表明，当H.felis感染持续时间小于6个月时，根除治疗对恢复壁细胞和减少发育不良最为有效。当发育不良和化生更严重时，感染持续时间比这个时间长，只导致这些病变的部分逆转。关于根除幽门螺旋杆菌预防胃癌的人类研究结果是相互矛盾的，需要在随访时间较长的大样本人群中进行，以评估这种化学预防策略的有效性。
幽门螺杆菌诱导胃癌发生的机制已被提出。幽门螺杆菌感染增加了细胞增殖，导致胃粘膜的周转率增加，导致突变发生率增加，DNA修复的时间缩短。缺乏分泌型磷脂酶A2(sPLA2)的小鼠，如C57BL/6，经口腔感染felis后细胞凋亡水平升高，胃黏膜细胞谱系异常扩张;说明sPLA2影响胃粘膜对H.felis感染的反应。rafk-kinaseinhibitorprotein(RKIP)调节胃粘膜细胞周期和凋亡。在感染的粘膜中，幽门螺杆菌使RKIP磷酸化，去除凋亡控制，通过去除细胞周期的控制而诱导增殖。Shin等人发现，在感染了H.felis的转基因小鼠体内，另一个抑癌基因LOX被甲基化。这些抑癌蛋白的下调使胃腺癌在幽门螺杆菌感染的情况下发生。
幽门螺杆菌感染也与食管癌的发生有关，但其作用尚不清楚。Anderson等人发现交界性肿瘤(包括食管和贲门)中幽门螺杆菌的血清阳性反应增加。然而，在不涉及贲门的肿瘤中，幽门螺杆菌与较低的肿瘤发生风险相关。反流性食管炎和巴雷特上皮化生是食管癌的前体状态，目前对这两种疾病的微生物组研究较多。在这些条件下，优势从革兰氏阳性菌转移到大多数革兰氏阴性菌，这表明在疾病过程中，失调发挥了作用。很可能其他微生物也参与了食道肿瘤的形成。与正常组织相比，癌性食管组织中存在较多的密螺旋体、链球菌和血管狭窄链球菌。这些病原体通过细胞因子诱导炎症反应，可能支持肿瘤的发展。
微生物群与其他癌症的关系
微生物组还涉及到胰腺癌、喉癌和胆囊癌的病因学。Farrell等人注意到健康组和胰腺癌组之间口腔微生物组成的显著变化。在癌症组中，延长型奈瑟菌和微链球菌(一种与食管癌有关的病原体)显著减少。随着胰腺癌的发展，口腔微生物群的这些显著变化提示口腔N.elongate和S.mitis作为胰腺癌发生的生物标志物的潜力。
在胆囊癌中，沙门氏菌感染被证明是特别重要的。胆囊是已知的沙门氏菌的储藏库，导致次级胆汁酸浓度的增加，而次级胆汁酸浓度与促进肿瘤生长有关。Sharma等人证明了伤寒带菌者状态和胆囊癌之间的联系。此外，胆汁培养阳性与胆囊癌变的增加有关，尤其是Vi抗原(一种与沙门氏菌相关的荚膜抗原)的阳性。这些关联表明微生物组在多种癌症病因学中的相关性。
病毒也是肠道微生物组的组成部分，可以影响癌症风险。例如，人类乳头瘤病毒(HPV)的DNA在几乎所有宫颈癌中都能检测到。大量研究表明，病毒抗原E6和E7对hpv诱导的宫颈癌的恶性程度有贡献。然而，从HPV感染发展为宫颈癌需要雌激素。在小鼠和大鼠中，83%受HPV感染的动物在雌激素治疗后发生宫颈癌。雌激素治疗导致病毒抗原E6和E7转录增加，导致宫颈癌。此外,存在雌激素受体α(ERα)在宫颈癌的发展是必要的HPV感染,作为ERα基因敲除小鼠不开发宫颈癌时感染了人乳头状瘤病毒。由于肠道微生物影响循环雌激素水平，这些共生微生物可能参与宫颈癌的发展HPV感染;然而，还需要进一步的研究来支持这一联系。
HPV和幽门螺旋杆菌也与喉癌有关。Gong等人共发现了15个与喉癌组织相关的额外属，其中梭菌属、普氏菌属和双生菌属的数量显著增加。梭杆菌和普氏菌被认为与生物膜的形成有关，生物膜可以刺激炎症反应，从而导致喉癌的发生。虽然HPV和幽门螺杆菌都参与了喉癌的发生发展，但是目前对于微生物群中的病毒和细菌是如何相互作用的还知之甚少，这是未来研究的一个有趣的话题。
微生物代谢产物在肿瘤发生发展中的作用
细菌代谢的变化可以调节癌症的风险，并往往伴随着肠道微生物群的失调。与CRC风险增加相关的特定细菌代谢物包括:前列腺素E2和多种次级胆汁酸(SBAs)。相反，CRC风险的降低与吲哚、抗氧化剂和抗增生性代谢物丁酸和熊去氧胆酸有关。吲哚是一种由色氨酸分解代谢产生的细菌群体感应分子，能在体外增强结肠上皮细胞的屏障功能。体内实验表明吲哚是肠道微生物代谢的副产物，与特定的无病原体小鼠相比，吲哚在无菌小鼠体内的含量明显降低。体内实验也表明，吲哚在无菌和特定病原体自由小鼠中均能增强紧密连接和粘附连接的功能。丁酸盐通过抑制组蛋白去乙酰化酶(histonedeacetylase,HDAC)，调节抑制细胞增殖和诱导细胞凋亡的基因，具有抗肿瘤和抗增殖的作用。熊去氧胆酸(Ursodeoxycholicacid,UDCA)是一种原代胆汁酸的微生物代谢物，在动物和临床前模型中已被证明可预防结直肠肿瘤的发生。UDCA作为一种化学预防剂已在临床试验中使用，目前正在对UDCA对CRC发病率或复发的影响进行系统回顾。然而，也有一些证据表明，在较高的剂量下，UDCA可能具有致癌作用。
次级胆汁酸(SBAs)如脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)是宿主产生的初级胆汁酸的微生物代谢产物。最近，DCA和LCA以及其他SBAs对CRC的推广进行了广泛的综述。最近的证据表明，IX群梭状芽胞杆菌中的细菌可能是增加肥胖小鼠DCA和癌症风险的来源。研究发现，在动物基础饮食的情况下，DCA在24小时内迅速增加，并与炎症的过度生长有关，引起与炎症性肠病相关的微生物。然而，DCA也作为FXR受体的配体，已被证明可降低肝脏和肠道肿瘤的生长和转移。同样，LCA可以通过刺激异种代谢和排泄来防止DNA损伤，从而防止肿瘤的发生。虽然LCA和DCA的主要特征是促进CRC，但该领域未来的研究可能会揭示这些代谢物在CRC过程中发挥更复杂的作用。
大量研究表明，肠道微生物在膳食雌激素代谢中的作用。在氨苄西林治疗的患者中，雌激素代谢物的粪便排泄增加，提示随着肠道菌群的减少，血液的再吸收减少。粪便微生物对雌激素进行氧化和还原反应，可以改变肠道中雌二醇和雌二醇的浓度，这进一步支持了肠道微生物对雌激素代谢的参与。虽然尚未观察到肠道微生物群雌激素代谢与癌症发生之间存在明确的联系，但我们有理由预期这一机制的存在。
雌激素水平与乳腺癌发展之间的明确联系已经被证明。在大鼠模型中，植入雌激素导致乳腺组织囊肿形成。此外，抗雌激素抗体的存在——降低雌激素浓度——延缓了大鼠和小鼠乳腺肿瘤的发生和生长。雌激素的具体来说,16α羟基化反应是由肠道微生物区系与增加患乳腺癌的发展。考虑到这些结果以及大肠癌与乳腺癌的病因学的相似性，Hill等人通过肠道菌群推测乳腺癌的发生与雌激素代谢之间存在联系。
最近的技术结合了变化的代谢物和微生物的分析，试图了解肠道微生物群、代谢和宿主之间的相互作用。该领域的进一步研究将加深对微生物在癌症发病过程中的代谢机制的理解。
结论
微生物在癌症发生和发展中的作用已不能再简单地描述为一种病原-疾病关系。越来越多的证据表明，我们的微生物组也能通过促进细胞凋亡、限制增殖和炎症来促进健康和预防疾病。处于平衡状态的微生物群有助于维持人类健康，但当这种平衡被炎症过程破坏时，微生物群就会发生变化，容易受到病原微生物的侵袭。如果这些病原体成功地建立起来，那么就会出现一种失调的紊乱状态，允许进一步的炎症和产生基因毒素和其他致癌微生物代谢物。此外，最近有一种假说认为，失调可能导致病原体的进化，从而可能增加癌症风险。
然而，随着我们开始更好地理解从共生到失调的梯度(图1)，我们可以开发出操纵肠道微生物组以促进健康的方法。例如，我们已经知道，饮食在微生物组的细菌种类、它们的代谢物和癌症风险中起着很大的作用。最近一项针对非洲农村地区的研究发现，与非裔美国人相比，他们患CRC的风险明显较低。与非裔美国人相比，非洲农村地区的Prevotella和butyrate有更高的Bacteroides和SBAs。这些差异可能是非洲农村居民有较高的抗性淀粉摄入量和非洲裔美国人有较高的肉类和脂肪摄入量的结果。饮食选择可以影响癌症风险，而改变饮食以潜在地降低风险是当前许多研究的令人兴奋的主题。饮食只是一个例子，说明如何应用我们对肠道微生物动态的不断增长的知识来促进健康和预防疾病。调节肠道微生物的其他潜在疗法包括粪便移植、益生菌、运动以及更多我们可能没有提到的疗法。未来的研究应该集中在这些治疗和他们的机制，以改善应用在临床设置。
