腸道微生物多樣性與結(jié)直腸癌相關(guān)研究總結(jié)篇

發(fā)稿時(shí)間：2016-06-21來(lái)源：天昊生物

關(guān)于結(jié)直腸癌

• 結(jié)直腸癌（CRC），是發(fā)生在人和動(dòng)物大腸部位的惡性腫瘤，是世界第大三高發(fā)癌癥，因結(jié)腸癌死亡的患者每年可達(dá) 60 萬(wàn)。早期結(jié)直腸癌患者（1-2 期）的 5 年生存率約為 80%，由于結(jié)直腸癌早期往往無(wú)特殊臨床癥狀，容易延誤治療時(shí)機(jī)，至晚期時(shí)生存率僅為 10% 左右。因此，結(jié)直腸癌的早期發(fā)現(xiàn)和確診對(duì)于治療疾病，延長(zhǎng)患者壽命和提高患者生活質(zhì)量等方面具有非常重要的積極意義。
• 按照發(fā)病部位，結(jié)直腸癌一般分為右側(cè)結(jié)腸（盲腸、升結(jié)腸、橫結(jié)腸）癌、左側(cè)結(jié)腸（降結(jié)腸、乙狀結(jié)腸）癌和直腸癌三大類型，右側(cè)結(jié)腸癌又稱近端結(jié)腸癌，左側(cè)結(jié)腸癌又稱遠(yuǎn)端結(jié)腸癌。
• 大部分結(jié)直腸癌為散發(fā)性腺癌，也有一部分由遺傳性息肉病或炎癥性腸炎（IBD）發(fā)展而來(lái)。

結(jié)直腸癌發(fā)病相關(guān)的因素
家族遺傳因素
       每年的結(jié)直腸癌發(fā)病者中，約有 5-10%是由常染色體顯性遺傳缺陷導(dǎo)致的。遺傳性結(jié)直腸癌主要分為兩大類：家族性腺瘤性息肉病和家族性非息肉病性結(jié)直腸癌。
年齡、性別、種族等因素
       世界范圍內(nèi)結(jié)直腸癌發(fā)病率隨著年齡的增加而逐步上升，約有38%的結(jié)直腸癌患者年齡在75歲以上；數(shù)據(jù)表明男性結(jié)直腸癌的發(fā)病率高于女性；在美國(guó)生活的非洲裔黑人及西班牙裔男性的結(jié)直腸癌死亡率均高于美國(guó)白人。
飲食因素
       被認(rèn)為是與結(jié)直腸癌發(fā)病最為密切相關(guān)的生活方式就是飲食因素。例如在印度孟買，肉食為主的襖教徒的結(jié)直腸癌發(fā)病率高于素食的印度教徒。高結(jié)直腸癌發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)食譜包括：紅肉、腌制肉類、精制谷物、精制糖類的高量攝入； 低結(jié)直腸癌發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)食譜包括：魚類和植物性食物為主的蛋白攝入、不飽和脂肪酸、食物纖維、糙米、豆類、蔬菜水果等。
肥胖
       研究發(fā)現(xiàn)體重指數(shù)增長(zhǎng)與結(jié)腸癌風(fēng)險(xiǎn)性的增加顯著相關(guān)，其中男性相關(guān)性更為突出。研究發(fā)現(xiàn)糖尿病的女性患近端結(jié)腸癌的風(fēng)險(xiǎn)高于非糖尿病女性，而遠(yuǎn)端結(jié)腸與直腸癌的風(fēng)險(xiǎn)則沒有明顯升高。
其它不良生活方式
       結(jié)直腸癌的高發(fā)病率還與過(guò)量飲酒、抽煙、缺乏運(yùn)動(dòng)等其他不良生活方式有關(guān)。
 
腸道菌群與結(jié)直腸癌的關(guān)系
1. 人體腸道內(nèi)的一些共生菌的代謝產(chǎn)物具有遺傳毒性，從而促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生
        例如，硫酸鹽還原菌是一類常見的通過(guò)還原硫酸根離子的途徑降解食物中的有機(jī)物，并產(chǎn)生硫化氫氣體的腸道細(xì)菌，主要屬于 δ-變形菌綱或革蘭氏陽(yáng)性菌中的梭菌類群。研究表明，硫化氫對(duì)腸壁細(xì)胞有一定的毒性，腸道內(nèi)較高濃度的硫化氫會(huì)促進(jìn)腸道炎癥和癌癥的發(fā)生發(fā)展。
2. 腸道微生物產(chǎn)生的多種具有代謝活性的酶類可將前致癌物質(zhì)轉(zhuǎn)化為致癌物
       例如，雜環(huán)胺類物質(zhì)是食物在烹飪過(guò)程中產(chǎn)生的致癌物，β-葡萄糖醛酸酶會(huì)對(duì)其葡萄糖醛酸軛合物進(jìn)行水解，并生成可能對(duì)結(jié)腸粘膜造成損傷的活性物質(zhì)。
3. 腸道菌群參與一些化學(xué)致癌劑和誘變劑在人體內(nèi)的代謝，引起DNA損傷，導(dǎo)致腫瘤的產(chǎn)生
       如乙醛、偶氮氧化甲烷、多胺類物質(zhì)、酚類，以及烷基化合物等等。研究發(fā)現(xiàn)糞腸球菌在人體腸道內(nèi)產(chǎn)生大量細(xì)胞外過(guò)氧化物和氧化自由基，引起腸道細(xì)胞的 DNA 損傷和染色體不穩(wěn)定性增加，并導(dǎo)致腺瘤乃至惡性腫瘤的產(chǎn)生。
4. 腸壁通透性增加，細(xì)菌易位引發(fā)慢性炎癥，促使細(xì)胞因子和趨化因子釋放，影響細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路從而促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)生
       例如，一種能產(chǎn)腸毒素的脆弱擬桿菌在小鼠腸道內(nèi)的定植能夠?qū)е履c道內(nèi)組織損傷，進(jìn)而激活小鼠體內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子3（STAT3），誘導(dǎo)白介素 17（IL-17）的產(chǎn)生，促進(jìn)結(jié)腸腫瘤的形成。
 
腸道菌群與結(jié)直腸癌發(fā)生的模式---Driver-passenger模型
     某些特定的腸道細(xì)菌誘發(fā)了上皮細(xì)胞DNA損傷，這些腸道固有細(xì)菌被定義“drivers”；其次，結(jié)直腸癌發(fā)生后，原發(fā)致病菌會(huì)被一些更適宜在腸道腫瘤微環(huán)境中生存的機(jī)會(huì)性致病菌甚至益生菌所替代，這些替代者被定義為“passengers”。 passengers既對(duì)腫瘤的進(jìn)展有促進(jìn)作用又不排除其具保護(hù)腸道內(nèi)環(huán)境的益生菌效應(yīng)。
該模型將結(jié)直腸癌劃分為四個(gè)發(fā)展階段：正常一增生一腺瘤一腫瘤，在這四個(gè)階段發(fā)展過(guò)程中，“drivers”細(xì)菌主要存在于結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展初期，起到改變腸道微環(huán)境、促進(jìn)“passengers”細(xì)菌定植的細(xì)菌類群。 “passengers”細(xì)菌存在于結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展的后期，包括一些機(jī)會(huì)性致病菌甚至一些益生菌。
 
     腸道微生物多樣性與結(jié)直腸癌研究相關(guān)案例
案例1：比較結(jié)直腸癌患者與健康人群腸道菌群結(jié)構(gòu)組成的區(qū)別
       相關(guān)文獻(xiàn)：Wang T., et al., Structural segregation of gut microbiota between colorectal cancer patients and healthy volunteers. The ISME Journal, 2012. 6(2):320-9. 影響因子：9.302
研究思路

• 研究目的：確定結(jié)直腸癌（CRC）患者與正常人群腸道微生物的菌落組成差異；
• 研究對(duì)象：46例結(jié)直腸癌患者和56例健康對(duì)照志愿者的糞便樣品；
• 技術(shù)方法：細(xì)菌16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序；
• 研究區(qū)域： V3區(qū)；

樣本信息

• 正常組：56 名健康志愿者經(jīng)常規(guī)體檢證明為體重正常、無(wú)慢性腸道疾病史、研究期間無(wú)嚴(yán)重疾病發(fā)生的健康人。全部健康志愿者在采樣前三個(gè)月內(nèi)均未經(jīng)過(guò)抗生素治療；
• 病例組：每位病人經(jīng)組織病理學(xué)切片檢查進(jìn)行癌癥病理診斷，并按照惡性腫瘤的TNM分期法進(jìn)行分期。結(jié)直腸癌病人采樣時(shí)間均在干預(yù)治療（包括藥物和手術(shù)）之前；

研究結(jié)果

• 結(jié)直腸癌患者的腸道菌群整體結(jié)構(gòu)與健康對(duì)照人群具有顯著的差異，其中擬桿菌門細(xì)菌在結(jié)直腸癌患者腸道中的數(shù)量顯著偏低，而變形菌門細(xì)菌則顯著偏高。
• 一些可能是條件致病菌的細(xì)菌在結(jié)直腸癌患者的腸道中豐度更高。另一方面，產(chǎn)丁酸鹽的羅氏菌屬，以及毛螺菌科的其他丁酸鹽產(chǎn)生菌在健康個(gè)體腸道中豐度更高。
•  以人體內(nèi)絕大部分丁酸鹽產(chǎn)生菌的丁酸鹽產(chǎn)生途徑必需基因：丁酰-輔酶A轉(zhuǎn)移酶基因?yàn)榉肿訕?biāo)簽，通過(guò)實(shí)時(shí)定量PCR的方法驗(yàn)證了結(jié)直腸癌患者腸道中丁酸鹽產(chǎn)生菌數(shù)量的顯著減少，這表明結(jié)直腸癌患者的腸道菌群相比于健康人出現(xiàn)了整體失調(diào)的現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象的主要特征就是對(duì)腸道健康有益的丁酸鹽產(chǎn)生菌的減少，以及對(duì)健康有害的條件致病菌的增加。

 
案例2：比較結(jié)直腸癌和和癌旁粘膜微生物組成的區(qū)別
       相關(guān)文獻(xiàn)：Julian R. Marchesi, et al., Towards the Human Colorectal Cancer Microbiome. Plos One, 2011. 6(5):e20447.影響因子：3.324
研究思路

• 研究目的：比較結(jié)直腸癌組織和和癌旁粘膜微生物組成的區(qū)別；
• 研究對(duì)象：結(jié)直腸癌和和癌旁粘膜樣品來(lái)自6個(gè)接受了切除手術(shù)的原發(fā)性結(jié)腸腺癌患者；
• 技術(shù)方法：細(xì)菌16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序；
• 研究區(qū)域： V1-V3；

樣本信息

• 6個(gè)病人中有5個(gè)男性和1個(gè)女性，年齡在61-71歲范圍內(nèi)，所取樣本有3個(gè)位于直腸，2個(gè)位于乙狀結(jié)腸。1個(gè)位于盲腸。
• 切除后，標(biāo)本由腫瘤病理學(xué)分析，然后結(jié)腸標(biāo)本用滅菌水沖洗，并按照惡性腫瘤的 TNM 分期法進(jìn)行分期。每個(gè)結(jié)腸標(biāo)本，活檢取自腫瘤部位和位于結(jié)腸壁的腔側(cè)（距離約5，10厘米）的癌旁組織。

研究結(jié)果

• 發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌和癌旁粘膜的微生物定植模式差異顯著，相對(duì)于癌旁粘膜，癌組織擬桿菌門多而厚壁菌門少。
• 雖然結(jié)直腸癌者個(gè)體之間存在一定的差異，但是紅蝽?xiàng)U菌目，尤其是斯萊克氏菌和產(chǎn)氣柯林斯菌在結(jié)直腸癌組織具有高代表性，這表明結(jié)直腸癌組織總是為這些菌形成微生態(tài)環(huán)境，而潛在的致病性腸桿菌，如腸桿菌科在結(jié)直腸癌組織中確不具代表性。
• 研究還發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌相關(guān)的生理和代謝改變招來(lái)了覓食腫瘤的共生細(xì)菌，它們?cè)谀[瘤微環(huán)境中有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，可能取代了致病菌而牽涉到結(jié)腸癌的病因中。

 
案例3：比較結(jié)直腸癌患者與健康人群腸腔，腸黏膜，癌組織，癌旁組織中微生物組成的區(qū)別
       相關(guān)文獻(xiàn)：Chen W, et al., Human Intestinal Lumen and Mucosa-Associated Microbiota in Patients with Colorectal Cancer . Plos One, 2012. 7(6):e39743.   影響因子：3.324
研究思路

• 研究目的：分析確定結(jié)直腸癌患者和健康對(duì)照組患者腸道菌群的整體結(jié)構(gòu)；
• 研究對(duì)象：46個(gè)CRC患者：分別收集他們的糞便（腸腔）、腸拭子（腸粘膜）、癌組織、癌旁組織樣品；          56    個(gè)健康人：分別收集他們的糞便（腸腔）、腸拭子（腸粘膜）樣品；
• 技術(shù)方法：細(xì)菌16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序；
• 研究區(qū)域： V1-V3；

樣本信息

• 受試者篩選標(biāo)準(zhǔn)：無(wú)糖尿病等代謝性疾病史，無(wú)感染病，無(wú)特殊飲食（素食等），正常體型，樣品采集之前3個(gè)月所有受試者均未服用抗生素藥物 ；結(jié)直腸癌患者無(wú)家族遺傳性；健康人性別和年齡與CRC患者相仿，并且沒有表現(xiàn)出結(jié)腸腺瘤；
• 腸拭子和糞便樣品均在腸道灌洗前采集，癌組織和癌旁組織在手術(shù)期間釆集。所有采集到的樣品迅速放入冰盒中，并于10分鐘內(nèi)放入冰箱（拭子、糞便和組織樣品）或者液氮凍存（組織樣品）。

研究結(jié)果

• CRC患者癌組織VS CRC患者癌旁組織：癌組織和癌旁組織中的微生物結(jié)構(gòu)是相似的。
• CRC患者癌組織VS CRC患者腸腔：兩者微生態(tài)菌群結(jié)構(gòu)存在顯著差異。其中腸腔微生物群落中硬壁菌門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，硬壁菌門的細(xì)菌能促進(jìn)對(duì)來(lái)自食物的能量的捕獲，因此在腸腔中與能量代謝相關(guān)的菌群具有很大的比重；而在癌組織上能夠與宿主發(fā)生直接相互作用的菌群占有比較大的比重，因此腸腔優(yōu)勢(shì)菌群可能通過(guò)對(duì)外源物質(zhì)的代謝或者以其代謝產(chǎn)物影響宿主等間接作用的方式來(lái)影響宿主的生理功能，而粘膜相關(guān)微生物優(yōu)勢(shì)菌群則可能主要通過(guò)感染等與宿主發(fā)生直接相互作用的方式來(lái)影響宿主的生理功能。
• CRC患者腸腔、腸粘膜VS健康人腸腔、腸粘膜：兩者微生物菌群結(jié)構(gòu)不同，與健康人相比CRC患者腸腔的核心菌群都與肥胖等代謝紊亂或者代謝性疾病相關(guān)。而其粘膜核心菌群則能通過(guò)感染等方式與宿主發(fā)生直接作用。因此，腸腔菌群可能通過(guò)微生物共代謝或者與宿主產(chǎn)生代謝物交換的間接作用方式而影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展，而粘膜菌群則可能主要通過(guò)感染等與宿主發(fā)生直接相互作用的方式來(lái)影響結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展。

 
案例4：鑒定與結(jié)直腸癌發(fā)生發(fā)展相關(guān)的腸道核心菌群
      相關(guān)文獻(xiàn)：Jiawei Geng, et al., Co-occurrence of driver and passenger bacteria in human colorectal cancer. Gut Pathogens 2014, 6:26.    影響因子： 2.281
研究思路

• 研究目的：分析確定對(duì)結(jié)直腸癌發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)的Driver和Passenger細(xì)菌；
• 研究對(duì)象：收集了28份位置匹配的活檢標(biāo)本，其中包括10例正常腸道組織樣本，10例腺瘤性息肉組織樣本，10例腫瘤組織樣本；
• 技術(shù)方法：細(xì)菌16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序；
• 研究區(qū)域： V1-V2；

樣本信息

• 正常組：所有志愿者無(wú)特殊飲食習(xí)慣，年齡在20-60歲之間；志愿者的健康狀況由自我報(bào)告和結(jié)腸鏡檢查來(lái)判斷；志愿者均無(wú)胃腸道疾病史，無(wú)肝、膽、膜腺等消化系統(tǒng)疾病史；無(wú)手術(shù)史；在樣本采集3個(gè)月前沒有服用抗生素。
• 病例組：志愿者要接受問卷調(diào)查，在采樣前三個(gè)月內(nèi)均未經(jīng)過(guò)抗生素或益生菌；無(wú)２年以上醜酒史；無(wú)代謝性疾病，如肥胖癥、糖尿病、結(jié)石、各種肝病等；無(wú)具有家族聚集性；性別比例均衡；年齡階段盡可能一致，沒有吸煙、飲食不均衡等不良習(xí)慣；
• 所有的研究樣本均在結(jié)腸鏡下取自志愿者腸道黏膜活檢樣本。正常組在每個(gè)腸道部位均取得研究樣本，病例組盡量采集不同腸道部位的病變位置黏膜。

研究結(jié)果

• 在結(jié)直腸癌的不同發(fā)展階段（正常一腺瘤一腫瘤）腸道菌群組分具有明顯差異。
• 鑒定了7個(gè)細(xì)菌類群為潛在Driver細(xì)菌，12個(gè)細(xì)菌類群為潛在Passenger細(xì)菌，其中7個(gè)細(xì)菌類群具有潛在的促炎作用，5個(gè)細(xì)菌類群具有潛在的抗炎作用，其可能作為益生菌存在于腸道中。
• 通過(guò)共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析3個(gè)細(xì)菌類群分別聚類，發(fā)現(xiàn)Driver細(xì)菌與促炎的Passenger細(xì)菌呈正相關(guān)，這表明Driver細(xì)菌可能促進(jìn)腫瘤機(jī)會(huì)性致癌細(xì)菌的定植。相反，Driver細(xì)菌與抗炎的Passenger細(xì)菌呈負(fù)相關(guān)，這表明抗炎Passenger細(xì)菌可能主要在癌變的早期階段發(fā)揮作用并且能夠與Driver細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)生態(tài)位，抑制腫瘤的發(fā)生。

 
腸道微生物與結(jié)直腸癌其它研究案例

• 不同術(shù)前腸道準(zhǔn)備（是否機(jī)械性腸道灌洗或口服緩瀉劑）對(duì)結(jié)直腸癌術(shù)后腸道菌群變化的影響；
• 結(jié)直腸癌患者膳食纖維攝入情況對(duì)腸道菌群變化的影響；