编者按：国内著名英文学术期刊ProteinCell与热心肠研究院于去年再次合作，推出以“微生物组：迈向转化”为主题的人类微生物组专刊，邀请国内外有突出学术贡献的微生物组研究者和团队撰写综述文章，围绕微生物组分析方法、心血管疾病、代谢疾病、炎症性肠病、癌症和中医药等微生物组研究的热点领域展开探讨，共话人类微生物组研究的前沿进展。今天我们发出来医院转化医学中心贾伟、郑晓皎与团队的综述的翻译稿，以飨读者。（点击文末的“阅读原文”可获取综述原文）原发性结直肠癌和肝细胞癌的肠道菌群改变存在差异Gutmicrobiotaalterationsaredistinctforprimarycolorectalcancerandhepatocellularcarcinoma
作者：贾伟1,2，CynthiaRajani3，徐宏喜4，郑晓皎1
通讯作者：贾伟1,2，郑晓皎1
机构：
1.上海交通医院转化医学中心
2.香港浸会大学中医药学院3.美国夏威夷大学癌症研究中心4.上海中医药大学中药学院翻译：郑晓皎、况俊良
校对：李金阳
摘要
结直肠癌（colorectalcancer，CRC）和肝细胞癌（hepatocellularcarcinoma，HCC）是两种最常见且致死率高的恶性肿瘤，引发这两种癌症的危险因素有病毒感染、长期饮酒、吸烟、高脂饮食等不健康生活方式，以及肥胖和糖尿病等慢性疾病。近些年很多研究都聚焦在了肠道菌群在肿瘤发生发展中所扮演的角色上，发现肠道菌群结构的病理性变化所导致的慢性肠道炎症是HCC和CRC的共同“幕后推手”。受病因和环境等因素的影响，癌症患者的肠道菌群结构也随着疾病的发生以独特的方式演进。本文综述了HCC和CRC演变的各个阶段肠道菌群组成变化，而菌群的差异性变化也表明二者的肿瘤微环境（tumormicroenvironment，TME）存在显著差异，因此提出肿瘤发生发展可能部分取决于促炎性肿瘤微环境的观点。
简介
肝细胞癌（HCC）是导致高癌症死亡率的第三大主要原因。大约50%的肝细胞癌是由乙型肝炎病毒（HBV）感染引起的，20%是由丙型肝炎病毒（HCV）感染引起的。病毒感染是导致肝脏炎症的第一诱因，随着时间的推移，肝脏炎症可发展为肝硬化，约70%~90%的HCC病例伴随着肝硬化同时发生。结直肠癌（CRC）是第二大常见的癌症死亡原因，在西方国家发病率很高。亚洲国家的发病率目前正在上升，饮食等环境因素也有很大影响。过量食用红肉和高脂肪会影响肠道菌群的组成，进而产生导致肠道炎症的代谢物，从而导致结直肠癌的初始致癌环境。导致肠道炎症的肠道菌群的病理变化，亦被称为“肠道菌群失调”，是CRC和HCC的共同特征。然而，原发性结直肠癌和HCC分别在肠和肝中发展为独特的肿瘤。在动物模型中已经很好地研究了肠道菌群组成与CRC和HCC之间的联系。有三种类型的肠道菌群失调：1）有益共生细菌的丧失；2）致病菌风度的增加以及；3）整体微生物多样性的丧失。这些类别通常同时出现。
HCC和CRC进展
肿瘤由成纤维细胞、白细胞、内皮细胞和癌细胞等多种细胞组成，这些细胞共同构成肿瘤微环境（TME）。在这种TME中，不同类型的细胞可以相互发出信号。最近的研究表明，癌细胞是TME的“组织者”，是细胞信号的主要来源，负责TME的诱导和最终形成。在肝脏中，肝星状细胞（HSC）、Kupffer细胞（肝巨噬细胞，KC）、隐窝细胞、树突状细胞、自然杀伤T细胞（NKT）以及肝窦内皮细胞（LSEC）等细胞形成肝细胞/肝癌肿瘤细胞的周围环境或基质。
肝癌发生发展涉及慢性肝细胞死亡、炎症和肝组织修复等多个阶段。非病毒性肝癌发生发展过程中，由于高脂饮食、酒精摄入和/或次级胆汁酸（如脱氧胆酸）加，会诱发慢性肝病（chronicliverdisease，CLD）相关的肠黏膜屏障功能障碍，使得肠道细菌有机会进入肝脏。与此同时，肠道细菌来源的成分，包括革兰氏阴性菌产生的脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）和革兰氏阳性菌产生的脂磷壁酸（lipoteichoicacid，LTA），会通过通透性增加的肠壁进入循环系统从而发生易位，此外，它们会结合并激活肝脏Toll样受体（toll-likereceptor-4，TLR-4）。被激活的TLR-4会进一步触发核因子（nuclearfactor-kappa-B，NF-κB）炎性信号通路，诱导炎性细胞因子IL-1β和IL-18产生与释放。合并有肝硬化或非酒精性脂肪肝性肝炎（non-alcoholicsteatohepatitis，NASH）的HCC通常与LPS/LTA-TLR-4信号通路持续性激活有关。除了肠道菌本身的成分外，其通过7α-脱羟基酶转化肠道内初级胆汁酸产生的次级胆汁酸脱氧胆酸（DCA）水平升高也与NASH型HCC高度相关。此外，炎症相关信号通路JNK/p38→NF-κB→IL-18/1β→肝星状细胞（HSC）的激活会导致ROS升高，诱发肝脏细胞纤维化，该通路不仅可以被过量的肝脏脂质蓄积引起的脂质毒性激活，在NASH中还能被DCA介导的DNA损伤激活。据文献报道，NASH与线粒体功能障碍密切相关，肝细胞中脂质过度蓄积会过度激活过氧化物酶体增殖物激活受体（peroxisomeproliferatoractivatedreceptors，PPARs），从而引起ROS水平升高，并伴随氧化应激增加、细胞死亡和HSC纤维化。与此同时，线粒体来源的ROS也可以诱导炎性细胞因子如TGF-β、TNF-α和IL-6的产生。另外一种与NASH和肝脏炎症相关的肠道菌群代谢物-三甲胺（trimethylamine，TMA），随血液循环进入肝脏后转化为氧化三甲胺（trimethylamineoxide，TMAO），后者具有促炎特性，可以致肝细胞损伤与肝脏脂肪变性，从而增加患肝癌风险。
病毒相关肝癌始于乙型（hepatitisB，HBV）或丙型（hepatitisC，HCV）肝炎病毒感染引起的急性免疫反应介导的肝细胞损伤。首先，病毒感染引起肝细胞坏死并释放相关细胞因子进而通过旁分泌激活HSC。其次，活化Kupffer细胞（KC）和白细胞弥漫性浸润进一步刺激HSC转变为纤维原性成纤维细胞，后者释放细胞因子以刺激包括胶原蛋白I、III、层粘连蛋白和纤维连接蛋白在内的细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）大量产生，从而打破ECM代谢平衡，发生纤维化。有文献报道，HSC也有助于TME的形成。活化的HSC进入衰老阶段后成为衰老相关的分泌表型（senescence-associatedsecretoryphenotype，SASP），分泌促肿瘤细胞因子（IL-6，IL-8）、趋化因子和蛋白酶（基质金属蛋白酶，MMPs），进一步重塑ECM并诱导炎症的发生。
Kuppffer细胞（KC）是肝血窦内的星状巨噬细胞，可通过吞噬作用以损伤相关分子模式（damage-associatedmolecularpatterns，DAMPs）的形式去除微生物碎片，这些微生物碎片主要来源于受损的肝细胞和微生物相关模式（microbialassociatedpatterns，MAMPs），例如LPS和血液中的细菌。当KC被炎性细胞因子激活时，会进一步分泌大量的炎性细胞因子和趋化因子，影响HSC的激活并通过招募其他类型白细胞共同调控免疫反应。此外，KC可通过对T细胞、B细胞和NK-T细胞的免疫调节作用进行炎症的修复。因此，纤维化发生与炎症消退之间的失衡会导致愈发加重的纤维化甚至肝硬化，最终诱发肝癌。图1总结了从炎症到慢性肝病到肝癌的发生发展背后涉及的分子机制。
图1：肝细胞肿瘤形成分子机制
慢性肝病向肝癌的转化始于HBV、HCV感染或者TMAO、次级胆汁酸（如脱氧胆酸）等毒性分子所致的肝脏损伤。最初的损伤会诱发肝细胞死亡，并伴随KC和HSC的大量激活，释放促炎症细胞因子，最终导致肝脏损伤-修复失衡。肠道菌群代谢产物如LPS、LTA随着血液循环进入肝脏后，可以激活TLR4相关炎症通路。此外，KC和HSC的激活还会促使生长因子如PDGF、VEGF、FGF2大量产生，进一步启动肝细胞增殖与血管生成过程。TGFβ和MMPs的增加共同作用于增加ECM的产生，而COX2和PGE2水平的增加调节免疫系统，从而创造免疫抑制环境来保护HCC肿瘤。图右上角列出了导致纤维化/肝硬化增加的主要炎症途径。
CRC的发生发展与HCC相类似，往往是多病因、多阶段、多环节参与的复杂过程。结肠黏膜在慢性炎症和修复循环往复的过程中从正常上皮到腺瘤及癌变需要经历数年时间。CRC有两种主要类型-散发型（sporadiccolorectalcancer，SCRC）和结肠炎型（colitis-associatedcolorectalcancer，CCRC），二者在组织学特征以及时序性细胞突变上存在显著差异。图2总结了SCRC和CCRC之间的差异性与相似性。与CLD致病原因相似，结肠炎通常是由细菌或病毒等感染引发，而感染又会触发免疫应答，从而诱导炎症反应的发生，最终形成一个长期反复的黏膜溃疡-再上皮化的恶行循环，并伴随着非整倍体细胞的异常形成与增殖。在肠道中，肿瘤相关的骨髓细胞会分泌IL-23，影响Th17细胞的极化及随后的细胞因子IL-17A、IL-21、TNF-α和IL-6的产生，这些分子进一步为CRC发生发展提供促肿瘤炎症反应环境。据文献报道，IL-6可以激活信号转导和转录因子3（signaltransducerandactivatoroftranscription-3，STAT3）信号通路，进而促进肿瘤生长和抗肿瘤免疫。此外，IL-6还能通过激活NF-κB信号通路，维持炎症反应并诱发肿瘤。上述报道与肿瘤干细胞中发现的高水平磷酸化STAT3和NF-kB结果相一致。
图2：SCRC与CCRC的肿瘤形成过程
SCRC始于腺瘤性结肠息肉病相关基因（adenomatouspolyposiscoli，APC）突变。与此同时，肠道黏膜慢性炎症反应会诱发染色体和微卫星不稳定性（microsatelliteinstability，MSI）、基因启动子区域超甲基化以及氧化应激反应，在此基础之上最终导致腺瘤的发生。因此，从腺瘤发展到癌通常的演进过程包括：早期（APC基因突变）、进展期、晚期腺瘤、腺癌（抑癌基因p53缺失）。而CCRC的发展过程则和SCRC不同，其各个阶段包括肠炎无异型增生（p53基因缺失）、不确定异型增生、低度异型增生、高度异型增生、癌变。
肠道内寄居着数以亿计的共生菌以维持肠道乃至机体的代谢平衡，近些年研究发现，许多肠道菌与CRC的发生发展高度相关。CRC早期阶段的菌群结构特征是产抗炎性短链脂肪酸（SCFAs）的一类共生细菌（如乳酸杆菌、双歧杆菌和梭状芽孢杆菌）丰度降低，且与肠上皮损伤标志物（如氧化二胺，D-乳酸和LPS）呈显著负相关。此外，有研究表明具核梭杆菌（Fusobacteriumnucleatum）和大肠杆菌（Escherichiacolipks+）与氧化二胺、D-乳酸、LPS等代谢物之间呈正相关。
具核梭杆菌上的黏附素FadA可与CRC肿胞表面的E-钙黏附蛋白（E-cadherin）结合，并激活Wnt/β-catenin信号通路。此外，具核梭杆菌可以通过另一种黏附素Fap2与NK细胞的抑制性T细胞表面受体结合。Fap2还可通过与CRC细胞表面标志物——二糖基序半乳糖N-乙酰-D-半乳糖胺（Gal-GalNAc）结合促进具核梭杆菌与CRC细胞结合。最近有研究发现，CRC患者进行化疗（奥沙利铂）后，具核梭杆菌通过CRC细胞表面的TLR4受体触发细胞自噬。产肠毒素脆弱拟杆菌（enterotoxicBacteroidesfragilis，ETBF），一种肠道炎症致病菌，可以寄居在结直肠腺瘤和CRC瘤体的表面。另一项研究在人CRC组织中鉴定出了携带pks（polyketidesynthase）毒力基因岛的大肠杆菌，其产生的基因毒素colibactin可诱发结肠上皮细胞发生基因突变，从而促进CRC的发生。值得强调的是，许多尚未被发现和明确鉴定的肠道细菌也可能在CRC的发生发展过程中扮演着一定的角色。
值得深入研究的一个重要课题是了解在CRC和HCC的最终阶段的发病机制中，微生物群组成是否发生了变化以及发生了什么样的变化。下文将通过近些年的研究结果总结不同病因导致的CRC与HCC及其疾病不同阶段的肠道菌群变化特点。文献选择满足以下标准：①近五年内发表；②至少涉及两个阶段的比较；③对于HCC相关研究，需
