肿瘤微生态学

总论 **章绪　论 **节　肿瘤微生态学基本概念 一、微生态学与肿瘤微生态学 微生态学（microecology）是一门研究微生物与微生物、微生物与宿主、微生物和宿主与外界环境相互依存、相互制约的学科，也是研究微观生态平衡、生态失调和生态调节的一门新兴学科。 肿瘤微生态学是一门研究宿主微生物群结构、功能失调与肿瘤发生、发展和治疗关系的新兴交叉学科。 二、微生态系统与肿瘤微生态系统 宿主体表与外界相通的腔道中通常寄居着对宿主无损害作用的微生物，统称为正常微生物群。健康成人约有1013个体细胞，而全身定植的正常微生物总数高达1014个，主要分布于皮肤、口腔、消化道、呼吸道和泌尿生殖道。在长期进化过程中通过适应、自然选择，正常菌群不同种类之间、正常菌群与宿主之间、正常菌群和宿主与环境之间始终处于动态平衡状态，形成一个相互依存、相互制约的微生态系统。 通过营养代谢、免疫系统和神经系统等途径，肿瘤患者、肿瘤及机体微生物之间存在密切的交互作用，三者所形成的生态环境构成了肿瘤微生态系统。肿瘤微生态系统已经超出了肿瘤或微生物本身的限制，可以应用于癌症的预防和整体治疗。 三、微生态生理功能 1.拮抗功能　正常菌群在宿主皮肤黏膜表面特定部位黏附、定植和繁殖，形成一层菌膜屏障，通过拮抗作用排斥外籍菌入侵，调整宿主微生态平衡。拮抗方式主要有：①正常细菌产生细菌素或抗生素抑制病原微生物；②正常微生物产生过氧化氢等代谢物质抑制或杀灭病原微生物；③营养竞争；④占位性保护；⑤肠道菌群代谢产生短链脂肪酸，降低肠道pH，抑制有害菌；⑥正常微生物促进黏液屏障的形成；⑦正常肠道菌群促进肠上皮细胞层的形成；⑧肠道菌群影响肠免疫屏障功能。 2.免疫作用　正常菌群能刺激宿主产生免疫及清除功能。阴道乳酸菌能激活巨噬细胞增强其吞噬能力并释放多种细胞毒性效应分子，如肿瘤坏死因子-γ（TNF-γ）和一氧化氮（NO）等，同时刺激B淋巴细胞产生多种抗体、提高阴道局部抗感染能力、抵御外袭菌入侵。正常微生物使人体产生广泛的免疫屏障，如乳酸菌和双歧杆菌，可增强人体免疫功能，不仅活菌体有功能，菌体破碎液和发酵液也均有作用。正常微生物还可刺激人体免疫系统发育和细胞免疫发生，使人体固有免疫系统对机会致病微生物和共生型微生物进行区分。益生菌可激活巨噬细胞和淋巴细胞，增加抗体生成，刺激脾细胞和派尔集合淋巴结的细胞增殖。 3.营养代谢作用　纯植物性饮食很难满足人类所需的所有能量和营养素，某些微生物可以帮助人体循环利用植物物质中缺乏而又对合成蛋白质至关重要的氮。肠道菌群中存在降解多糖的某些细菌，如分解纤维素的厌氧菌可产生一种多酶复合体，能降解木质纤维素，利于营养物质的吸收。肠道细菌能识别并合成神经内分泌激素（如γ-氨基丁酸）与宿主肠神经系统共同支配胃肠道，同时对宿主营养消耗及各种激素信号造成的宿主状态改变做出反应，当神经内分泌激素被人体吸收后，可转化为情绪调节分子（如5-羟色胺）等，影响食欲。 人体微生物还具有多种代谢功能。肠道菌群可为代谢过程提供酶和生化代谢通路，将不溶性蛋白质转变为可溶性蛋白质，将多糖转换成单糖供人体吸收，参与酪蛋白水解，氨基酸脱氨基、脱羧基作用及胆汁和氨基酸代谢，还可合成多种非必需氨基酸，如丙氨酸、缬氨酸等。肠道菌群代谢产生的短链脂肪酸对宿主有着重要影响，其中丁酸盐可以全部被结肠上皮细胞吸收，提供其主要能量来源。肠菌（如双歧杆菌、乳杆菌等）可合成多种必需维生素，如维生素K、维生素B、烟酸、泛酸等。肠道菌群还可影响药物代谢，对个体化医疗有重要意义。肠菌参与昼夜节律的调控，其代谢物生产存在每日节律，影响生物钟基因的表达。 4.抗肿瘤作用　微生物能降解、清除体内致癌因子，对病变组织起调节和修复作用，通过调控肿瘤凋亡相关性基因诱导肿瘤细胞凋亡，机体内正常微生物群能塑造T细胞抗原并通过刺激模式识别受体影响免疫反应类型和强度，对预防肿瘤的发生具有作用。乳腺中含有大量有益菌会保护女性免于癌症的发生，肠道菌群多样性较高的女性，机体中雌激素代谢产物存留水平高，患乳癌的风险低，而乳腺中大肠埃希菌和表皮葡萄球菌水平增加时，可以诱导细胞DNA双链断裂，DNA双链断裂的修复机制通常非常容易出错，通常会导致癌症发生。 5.抗衰老作用　双歧杆菌能明显提高血浆超氧化物歧化酶以及谷胱甘肽过氧化物酶活性和水平，具有抗自由基、防止生物膜脂质过氧化等功能，同时促进T淋巴细胞增殖与分化，增强宿主免疫监视和免疫清除功能。 四、微生态平衡 微生态平衡主要是微生态环境、宿主及微生物三个方面互相作用的结果，包括微生物本身和微生物与宿主之间的平衡。 微生物本身的平衡可从定位、定性和定量三个方面进行衡量。对同一个种群，在原位是原籍菌，在异位就是外籍菌，在原位是益生菌，转移到异位就可能成为有害菌，菌群移位是微生物本身平衡的重要分析指标；定性分析指微生物群中各个种群分离与鉴定后所占比例，如细菌、病毒、真菌、支原体、衣原体、螺旋体等种群的占比；定量分析指某一生态内各个微生物种群的活体数量。 微生态平衡与宿主不同发育阶段的生理功能相适应，即微生态平衡的生理性波动。 五、微生态失调 微生物群之间或微生物与宿主之间的平衡在外环境影响下由生理状态转变为病理状态称为微生态失调，可分为菌群失调、定位转移和宿主转换。 1.菌群失调　微生态中各菌种间数量或比例变化超出正常范围，尤其是原籍菌数量和密度下降，外籍菌和环境菌数量和密度升高。严重的菌群失调可使宿主发生一系列临床症状，称为菌群失调症。菌群失调可分为Ⅰ度失调（可逆性失调）、Ⅱ度失调（不可逆性失调）和Ⅲ度失调（二重感染）。二重感染常发生于抗生素治疗感染性疾病过程中，病情凶险，病死率高。若发生二重感染，除停用原用抗生素外，需对细菌进行药敏试验，以选择有效抗生素治疗。 2.定位转移　正常菌群由原籍生境转移到外籍生境或本来无菌生存生境上的现象，分为老区转移及新区转移两大类。 3.宿主转换　不同宿主有各自不同的正常微生物群，宿主微生物群一旦发生改变，则可能引发不适、疾病。 六、微生态失调与肿瘤 微生态失调与各系统肿瘤的发生、发展均密切相关，现有研究证实的微生物相关性肿瘤有胃癌（幽门螺杆菌）、肝癌（乙型和丙型肝炎病毒）、膀胱癌（埃及血吸虫）、胆管细胞瘤（活体后睾吸虫和华支睾吸虫）、鼻咽癌和淋巴瘤（EB病毒）、卡波西肉瘤（人疱疹病毒8型）、淋巴瘤（人T细胞嗜淋巴病毒1型）、宫颈癌和肛门癌（人乳头瘤病毒）等。微生态失调除了可在微生物入侵原发部位形成肿瘤外，还可通过“脑-肠轴”“肝-肠轴”“肠-肺轴”“肠-心轴”“肠-皮肤轴”等循环途径导致远处肿瘤的发生。 微生态失调的促癌机制主要涉及炎症、免疫反应、物质代谢和遗传物质改变几个方面，见图1-1。 图1-1　微生态与肿瘤的发生、发展 1.微生物的多样性和（或）丰度改变与肿瘤的发生、发展　肿瘤患者肠道微生态与非肿瘤患者肠道微生态存在差异，主要体现在微生物的多样性和（或）丰度的不同。下面列举了部分瘤种患者肠道微生物丰度变化（表1-1）。肿瘤患者肠道微生物的丰度改变与肿瘤的生物学行为密切相关，可能成为肿瘤诊断和患者预后判断的潜在标志物。 表1-1　不同瘤种患者肠道微生态组成 肝内胆管细胞癌（intrahepatic cholangiocarcinoma，ICC）患者微生态中乳酸菌、放线菌、消化性链球菌和异斯卡多维亚菌属（Alloscardovia）的丰度比肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）、肝硬化患者及健康人更高，肝硬化患者以瘤胃球菌属和明串珠菌属*多，健康个体以毛螺菌属*多。与肝硬化患者相比，肝细胞癌患者粪便菌群放线菌门增加，芽殖菌和副拟杆菌等13个菌属富集。与健康个体相比，早期HCC患者肠道中产丁酸的菌属减少，生成脂多糖的菌属增加，提示肠道微生物或可辅助诊断ICC和HCC、预测肿瘤侵袭能力和判断临床分期。结直肠癌患者肠道中温和噬菌体群落多样性显著增加，提示噬菌体可能参与了结直肠癌的发生、发展。真菌也被证明与腺瘤（结直肠癌前病变）和结直肠癌具有相关性，与健康群体相比，结直肠癌患者肠道内子囊菌、担子菌、毛孢子菌属和马拉色菌的比例增加，酵母菌和肺孢子菌比例减少，肠道微生物多样性和丰度的变化可能成为腺瘤和结直肠癌分期的潜在生物标志物。 2.微生物通过诱导宿主免疫抑制促进肿瘤发展　肿瘤患者微生物可通过诱导肿瘤组织发生免疫耐受，抑制效应细胞功能，促进免疫抑制性细胞浸润等途径而促进肿瘤发展，其中模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR）和免疫抑制性趋化因子等炎症介质起着重要作用。 胰腺癌研究发现，肠道微生物可移位并定植于胰腺肿瘤组织中形成肿瘤微生物组，具有免疫抑制作用，通过激活单核细胞的部分Toll样受体（TLRs），导致免疫耐受，清除微生物后肿瘤微环境免疫原性得到重建，M1型巨噬细胞分化、CD4+和CD8+ T 细胞活化增强，髓源性抑制细胞数量减少，PD-1表达上调。在对结直肠癌患者的研究中发现，肠道中具核梭杆菌明显增多，其通过募集髓源性抑制细胞（MDSCs）导致免疫抑制微环境，促进肿瘤的发生发展。 3.微生物通过参与宿主代谢影响肿瘤的发生、发展　微生物群在结肠发酵过程中产生的短链脂肪酸等代谢物在维持肠道稳态和健康方面具有重要作用，此类微生物群代谢物可以抑制革兰氏阴性菌生长，为结肠细胞提供能量，抑制炎症，促进肿瘤细胞凋亡。参与短链脂肪酸生物合成和代谢的细菌积极参与维持稳定和健康的肠道群落。结直肠癌研究证实，产生短链脂肪酸的有益菌丰度较低。小鼠模型实验表明，膳食纤维以微生物依赖和丁酸依赖的方式可防止结直肠癌的发生率。相反，肠道微生物酶从肝脏合成的初级胆汁酸中产生的次生胆汁酸被认为是促癌代谢物，肠道微生物群使用胆汁酸作为信使来改变免疫功能，影响抗肿瘤免疫监视功能。 4.微生物通过损伤DNA促进肿瘤的发生、发展　微生物通过产生活性氧等物质激活促肿瘤生长信号转导通路，诱导基因甲基化，直接或间接损伤宿主细胞DNA的稳定性，从而促进肿瘤的发生、发展。因此，肠道微生物产生的这些具有致突变和致癌作用的物质也被称为基因毒素。 幽门螺杆菌可通过核因子κB（NF-κB）信号和白细胞介素8（IL-8）诱导慢性炎症，同时通过细胞毒素扰乱自噬和凋亡通路、调节关键致癌信号通路（如Ras/MEK/ERK和β-catenin通路）引发癌症。结肠癌密切相关的具核梭杆菌是通过黏附蛋白FadA表面蛋白直接黏附并侵入结肠上皮细胞，介导β连环蛋白和Wnt信号从而诱导炎症并引发癌变。EB病毒可将遗传信息直接整合到宿主基因组，表达促进细胞生长和增殖并诱导异常DNA损伤反应途径的基因，直接诱导鼻咽癌的发生。研究者将散发性结直肠癌患者粪便移植给无菌小鼠，导致小鼠结肠形成异常隐窝灶（一种癌前病变），原因可能是菌群失衡触发了表观遗传机制而诱发基因甲基化，导致细胞癌变。空肠弯曲菌产生的细胞致死性膨胀毒素（cytolethal distendingtoxin，CDT）通过其脱氧核糖核酸酶活性，诱导双链DNA 断裂而致癌，以上结果提示，肠道细菌在结直肠癌的发生、发展中可能既有辅助作用又有主导作用，未来应进一步明确单一菌种及菌种之间相互作用的具体机制，靶向基因毒素的方法有望成为防治结直肠癌研究的新方向。 七、肿瘤微生态治疗 疫苗接种预防病毒（如人乳头瘤病毒和乙型肝炎病毒）相关性肿瘤已取得良好的疗效。随着分子生物学技术的快速发展，基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和液体活检相关技术促进了微生物相关性肿瘤的早期诊断和治疗。基于微生态调控肿瘤治疗的疗效取得了显著提高，以益生菌、益生元、合