肠道微生物多样性与结直肠癌相关研究总结篇

发稿时间：2016-06-21来源：天昊生物

关于结直肠癌

• 结直肠癌（CRC），是发生在人和动物大肠部位的恶性肿瘤，是世界第大三高发癌症，因结肠癌死亡的患者每年可达 60 万。早期结直肠癌患者（1-2 期）的 5 年生存率约为 80%，由于结直肠癌早期往往无特殊临床症状，容易延误治疗时机，至晚期时生存率仅为 10% 左右。因此，结直肠癌的早期发现和确诊对于治疗疾病，延长患者寿命和提高患者生活质量等方面具有非常重要的积极意义。
• 按照发病部位，结直肠癌一般分为右侧结肠（盲肠、升结肠、横结肠）癌、左侧结肠（降结肠、乙状结肠）癌和直肠癌三大类型，右侧结肠癌又称近端结肠癌，左侧结肠癌又称远端结肠癌。
• 大部分结直肠癌为散发性腺癌，也有一部分由遗传性息肉病或炎症性肠炎（IBD）发展而来。

结直肠癌发病相关的因素
家族遗传因素
       每年的结直肠癌发病者中，约有 5-10%是由常染色体显性遗传缺陷导致的。遗传性结直肠癌主要分为两大类：家族性腺瘤性息肉病和家族性非息肉病性结直肠癌。
年龄、性别、种族等因素
       世界范围内结直肠癌发病率随着年龄的增加而逐步上升，约有38%的结直肠癌患者年龄在75岁以上；数据表明男性结直肠癌的发病率高于女性；在美国生活的非洲裔黑人及西班牙裔男性的结直肠癌死亡率均高于美国白人。
饮食因素
       被认为是与结直肠癌发病最为密切相关的生活方式就是饮食因素。例如在印度孟买，肉食为主的袄教徒的结直肠癌发病率高于素食的印度教徒。高结直肠癌发病风险食谱包括：红肉、腌制肉类、精制谷物、精制糖类的高量摄入； 低结直肠癌发病风险食谱包括：鱼类和植物性食物为主的蛋白摄入、不饱和脂肪酸、食物纤维、糙米、豆类、蔬菜水果等。
肥胖
       研究发现体重指数增长与结肠癌风险性的增加显著相关，其中男性相关性更为突出。研究发现糖尿病的女性患近端结肠癌的风险高于非糖尿病女性，而远端结肠与直肠癌的风险则没有明显升高。
其它不良生活方式
       结直肠癌的高发病率还与过量饮酒、抽烟、缺乏运动等其他不良生活方式有关。
 
肠道菌群与结直肠癌的关系
1. 人体肠道内的一些共生菌的代谢产物具有遗传毒性，从而促进结直肠癌的发生
        例如，硫酸盐还原菌是一类常见的通过还原硫酸根离子的途径降解食物中的有机物，并产生硫化氢气体的肠道细菌，主要属于 δ-变形菌纲或革兰氏阳性菌中的梭菌类群。研究表明，硫化氢对肠壁细胞有一定的毒性，肠道内较高浓度的硫化氢会促进肠道炎症和癌症的发生发展。
2. 肠道微生物产生的多种具有代谢活性的酶类可将前致癌物质转化为致癌物
       例如，杂环胺类物质是食物在烹饪过程中产生的致癌物，β-葡萄糖醛酸酶会对其葡萄糖醛酸轭合物进行水解，并生成可能对结肠粘膜造成损伤的活性物质。
3. 肠道菌群参与一些化学致癌剂和诱变剂在人体内的代谢，引起DNA损伤，导致肿瘤的产生
       如乙醛、偶氮氧化甲烷、多胺类物质、酚类，以及烷基化合物等等。研究发现粪肠球菌在人体肠道内产生大量细胞外过氧化物和氧化自由基，引起肠道细胞的 DNA 损伤和染色体不稳定性增加，并导致腺瘤乃至恶性肿瘤的产生。
4. 肠壁通透性增加，细菌易位引发慢性炎症，促使细胞因子和趋化因子释放，影响细胞内信号转导通路从而促进结直肠癌的发生
       例如，一种能产肠毒素的脆弱拟杆菌在小鼠肠道内的定植能够导致肠道内组织损伤，进而激活小鼠体内转录因子3（STAT3），诱导白介素 17（IL-17）的产生，促进结肠肿瘤的形成。
 
肠道菌群与结直肠癌发生的模式---Driver-passenger模型
     某些特定的肠道细菌诱发了上皮细胞DNA损伤，这些肠道固有细菌被定义“drivers”；其次，结直肠癌发生后，原发致病菌会被一些更适宜在肠道肿瘤微环境中生存的机会性致病菌甚至益生菌所替代，这些替代者被定义为“passengers”。 passengers既对肿瘤的进展有促进作用又不排除其具保护肠道内环境的益生菌效应。
该模型将结直肠癌划分为四个发展阶段：正常一增生一腺瘤一肿瘤，在这四个阶段发展过程中，“drivers”细菌主要存在于结直肠癌发生发展初期，起到改变肠道微环境、促进“passengers”细菌定植的细菌类群。 “passengers”细菌存在于结直肠癌发生发展的后期，包括一些机会性致病菌甚至一些益生菌。
 
     肠道微生物多样性与结直肠癌研究相关案例
案例1：比较结直肠癌患者与健康人群肠道菌群结构组成的区别
       相关文献：Wang T., et al., Structural segregation of gut microbiota between colorectal cancer patients and healthy volunteers. The ISME Journal, 2012. 6(2):320-9. 影响因子：9.302
研究思路

• 研究目的：确定结直肠癌（CRC）患者与正常人群肠道微生物的菌落组成差异；
• 研究对象：46例结直肠癌患者和56例健康对照志愿者的粪便样品；
• 技术方法：细菌16S rDNA扩增子测序；
• 研究区域： V3区；

样本信息

• 正常组：56 名健康志愿者经常规体检证明为体重正常、无慢性肠道疾病史、研究期间无严重疾病发生的健康人。全部健康志愿者在采样前三个月内均未经过抗生素治疗；
• 病例组：每位病人经组织病理学切片检查进行癌症病理诊断，并按照恶性肿瘤的TNM分期法进行分期。结直肠癌病人采样时间均在干预治疗（包括药物和手术）之前；

研究结果

• 结直肠癌患者的肠道菌群整体结构与健康对照人群具有显著的差异，其中拟杆菌门细菌在结直肠癌患者肠道中的数量显著偏低，而变形菌门细菌则显著偏高。
• 一些可能是条件致病菌的细菌在结直肠癌患者的肠道中丰度更高。另一方面，产丁酸盐的罗氏菌属，以及毛螺菌科的其他丁酸盐产生菌在健康个体肠道中丰度更高。
•  以人体内绝大部分丁酸盐产生菌的丁酸盐产生途径必需基因：丁酰-辅酶A转移酶基因为分子标签，通过实时定量PCR的方法验证了结直肠癌患者肠道中丁酸盐产生菌数量的显著减少，这表明结直肠癌患者的肠道菌群相比于健康人出现了整体失调的现象，而这一现象的主要特征就是对肠道健康有益的丁酸盐产生菌的减少，以及对健康有害的条件致病菌的增加。

 
案例2：比较结直肠癌和和癌旁粘膜微生物组成的区别
       相关文献：Julian R. Marchesi, et al., Towards the Human Colorectal Cancer Microbiome. Plos One, 2011. 6(5):e20447.影响因子：3.324
研究思路

• 研究目的：比较结直肠癌组织和和癌旁粘膜微生物组成的区别；
• 研究对象：结直肠癌和和癌旁粘膜样品来自6个接受了切除手术的原发性结肠腺癌患者；
• 技术方法：细菌16S rDNA扩增子测序；
• 研究区域： V1-V3；

样本信息

• 6个病人中有5个男性和1个女性，年龄在61-71岁范围内，所取样本有3个位于直肠，2个位于乙状结肠。1个位于盲肠。
• 切除后，标本由肿瘤病理学分析，然后结肠标本用灭菌水冲洗，并按照恶性肿瘤的 TNM 分期法进行分期。每个结肠标本，活检取自肿瘤部位和位于结肠壁的腔侧（距离约5，10厘米）的癌旁组织。

研究结果

• 发现结直肠癌和癌旁粘膜的微生物定植模式差异显著，相对于癌旁粘膜，癌组织拟杆菌门多而厚壁菌门少。
• 虽然结直肠癌者个体之间存在一定的差异，但是红蝽杆菌目，尤其是斯莱克氏菌和产气柯林斯菌在结直肠癌组织具有高代表性，这表明结直肠癌组织总是为这些菌形成微生态环境，而潜在的致病性肠杆菌，如肠杆菌科在结直肠癌组织中确不具代表性。
• 研究还发现结直肠癌相关的生理和代谢改变招来了觅食肿瘤的共生细菌，它们在肿瘤微环境中有明显的竞争优势，可能取代了致病菌而牵涉到结肠癌的病因中。

 
案例3：比较结直肠癌患者与健康人群肠腔，肠黏膜，癌组织，癌旁组织中微生物组成的区别
       相关文献：Chen W, et al., Human Intestinal Lumen and Mucosa-Associated Microbiota in Patients with Colorectal Cancer . Plos One, 2012. 7(6):e39743.   影响因子：3.324
研究思路

• 研究目的：分析确定结直肠癌患者和健康对照组患者肠道菌群的整体结构；
• 研究对象：46个CRC患者：分别收集他们的粪便（肠腔）、肠拭子（肠粘膜）、癌组织、癌旁组织样品；          56    个健康人：分别收集他们的粪便（肠腔）、肠拭子（肠粘膜）样品；
• 技术方法：细菌16S rDNA扩增子测序；
• 研究区域： V1-V3；

样本信息

• 受试者筛选标准：无糖尿病等代谢性疾病史，无感染病，无特殊饮食（素食等），正常体型，样品采集之前3个月所有受试者均未服用抗生素药物 ；结直肠癌患者无家族遗传性；健康人性别和年龄与CRC患者相仿，并且没有表现出结肠腺瘤；
• 肠拭子和粪便样品均在肠道灌洗前采集，癌组织和癌旁组织在手术期间釆集。所有采集到的样品迅速放入冰盒中，并于10分钟内放入冰箱（拭子、粪便和组织样品）或者液氮冻存（组织样品）。

研究结果

• CRC患者癌组织VS CRC患者癌旁组织：癌组织和癌旁组织中的微生物结构是相似的。
• CRC患者癌组织VS CRC患者肠腔：两者微生态菌群结构存在显著差异。其中肠腔微生物群落中硬壁菌门占绝对优势，硬壁菌门的细菌能促进对来自食物的能量的捕获，因此在肠腔中与能量代谢相关的菌群具有很大的比重；而在癌组织上能够与宿主发生直接相互作用的菌群占有比较大的比重，因此肠腔优势菌群可能通过对外源物质的代谢或者以其代谢产物影响宿主等间接作用的方式来影响宿主的生理功能，而粘膜相关微生物优势菌群则可能主要通过感染等与宿主发生直接相互作用的方式来影响宿主的生理功能。
• CRC患者肠腔、肠粘膜VS健康人肠腔、肠粘膜：两者微生物菌群结构不同，与健康人相比CRC患者肠腔的核心菌群都与肥胖等代谢紊乱或者代谢性疾病相关。而其粘膜核心菌群则能通过感染等方式与宿主发生直接作用。因此，肠腔菌群可能通过微生物共代谢或者与宿主产生代谢物交换的间接作用方式而影响结直肠癌的发生发展，而粘膜菌群则可能主要通过感染等与宿主发生直接相互作用的方式来影响结直肠癌的发生发展。

 
案例4：鉴定与结直肠癌发生发展相关的肠道核心菌群
      相关文献：Jiawei Geng, et al., Co-occurrence of driver and passenger bacteria in human colorectal cancer. Gut Pathogens 2014, 6:26.    影响因子： 2.281
研究思路

• 研究目的：分析确定对结直肠癌发生和发展密切相关的Driver和Passenger细菌；
• 研究对象：收集了28份位置匹配的活检标本，其中包括10例正常肠道组织样本，10例腺瘤性息肉组织样本，10例肿瘤组织样本；
• 技术方法：细菌16S rDNA扩增子测序；
• 研究区域： V1-V2；

样本信息

• 正常组：所有志愿者无特殊饮食习惯，年龄在20-60岁之间；志愿者的健康状况由自我报告和结肠镜检查来判断；志愿者均无胃肠道疾病史，无肝、胆、膜腺等消化系统疾病史；无手术史；在样本采集3个月前没有服用抗生素。
• 病例组：志愿者要接受问卷调查，在采样前三个月内均未经过抗生素或益生菌；无２年以上醜酒史；无代谢性疾病，如肥胖症、糖尿病、结石、各种肝病等；无具有家族聚集性；性别比例均衡；年龄阶段尽可能一致，没有吸烟、饮食不均衡等不良习惯；
• 所有的研究样本均在结肠镜下取自志愿者肠道黏膜活检样本。正常组在每个肠道部位均取得研究样本，病例组尽量采集不同肠道部位的病变位置黏膜。

研究结果

• 在结直肠癌的不同发展阶段（正常一腺瘤一肿瘤）肠道菌群组分具有明显差异。
• 鉴定了7个细菌类群为潜在Driver细菌，12个细菌类群为潜在Passenger细菌，其中7个细菌类群具有潜在的促炎作用，5个细菌类群具有潜在的抗炎作用，其可能作为益生菌存在于肠道中。
• 通过共发生网络分析3个细菌类群分别聚类，发现Driver细菌与促炎的Passenger细菌呈正相关，这表明Driver细菌可能促进肿瘤机会性致癌细菌的定植。相反，Driver细菌与抗炎的Passenger细菌呈负相关，这表明抗炎Passenger细菌可能主要在癌变的早期阶段发挥作用并且能够与Driver细菌竞争生态位，抑制肿瘤的发生。

 
肠道微生物与结直肠癌其它研究案例

• 不同术前肠道准备（是否机械性肠道灌洗或口服缓泻剂）对结直肠癌术后肠道菌群变化的影响；
• 结直肠癌患者膳食纤维摄入情况对肠道菌群变化的影响；