結直腸癌（CRC）和肝細胞癌（HCC）是癌癥中最常見的死亡原因，兩種癌癥的病因有病毒感染、長期飲酒、吸煙、飲食、肥胖和糖尿病等，其中腸道菌群結構的病理性變化所導致的腸道炎癥是HCC和CRC的共同發病因素。而不同疾病的病因和環境的差異，使患者的腸道菌群也發生著特異的改變。本文綜述了HCC和CRC各個階段（正常-炎癥-炎癥降低）腸道菌群組成的變化，提出腫瘤發展部分取決于促炎性腫瘤微環境的觀點，在HCC和CRC以及不同病因誘發的HCC之間觀察到的腸道菌群組成差異表明腫瘤微環境（TME）存在顯著差異，相關成果于2020年8月14日發表在《Protein & Cell》期刊上。
HCC和CRC進展
肝癌發生發展涉及慢性肝細胞死亡、炎癥和肝組織修復誘導的纖維化等多個階段。在非病毒性肝癌中，由于高脂飲食、酒精或次級膽汁酸增加，導致慢性肝病（CLD）相關腸屏障功能障礙，使得腸道菌群產物進入肝臟。腸屏障通透性增加導致細菌產物發生易位，這些產物主要為革蘭氏陰性菌產生的脂多糖（LPS）和革蘭氏陽性菌產生的脂磷壁酸（LTA），結合并激活Toll樣受體TLR-4 。激活的TLR-4啟動NF-κB炎性信號通路，誘導炎性細胞因子IL-1β和IL-18產生。肝硬化或非酒精性脂肪肝（NASH）誘發的HCC通常與持續的LPS/LTA-TLR-4信號激活有關。腸道菌群產生的刺激膽汁酸脫氧膽酸（DCA）水平升高與NASH相關的HCC有關。炎性信號通路JNK / p38→NF-κB→IL-18/1β→肝星狀細胞（HSC）活化增強，ROS升高→纖維化增加，該通路不僅可以被肝臟脂質儲存過多引起的脂毒性激活，而且還可能由NASH中DCA引起的DNA損傷激活。NASH也與線粒體功能障礙密切相關，因為肝細胞中脂質蓄積會導致過氧化物酶體增殖激活受體（PPARs）激活增加，從而導致ROS升高，氧化應激增加，細胞死亡和HSC纖維化激活。線粒體來源的ROS也可以誘導炎性細胞因子TGF-β、TNF-α和IL-6的產生。與NASH、肝臟炎癥相關的另一種腸道菌群衍生代謝物三甲胺（TMA），來自膽堿代謝，可在肝臟中轉化為三甲胺氧化物（TMAO），不僅引起肝細胞損傷，同時導致膽堿缺乏和肝臟脂肪變性，增加肝癌風險。
病毒相關肝癌由乙型或丙型肝炎病毒引起的免疫介導的肝細胞損傷而發生。首先，病毒感染引起肝細胞壞死并通過釋放的細胞因子的旁分泌作用激活HSC。其次，活化的Kupffer細胞(KC)和白細胞發生浸潤進一步刺激HSC發展為纖維原性成纖維細胞，繼而釋放細胞因子以刺激包括膠原蛋白I、III、層粘連蛋白和纖維連接蛋白在內的ECM組分過度生產，從而導致ECM生成和降解出現紊亂，發生纖維化?；罨腍SC進入衰老階段成為衰老相關的分泌表型（SASP），分泌促進腫瘤進展的細胞因子（IL-6，IL-8），趨化因子和蛋白酶（基質金屬蛋白酶，MMPs），從而重塑ECM并促進炎性反應。
KC是一類常駐肝臟巨噬細胞，可通過吞噬作用以損傷相關分子模式（DAMP）的形式去除微生物碎片，這些微生物碎片主要來源于受損的肝細胞和微生物相關模式（MAMP），例如LPS和肝臟血中的細菌。當KC被炎性細胞因子激活時，它們會分泌更多的炎性細胞因子和趨化因子來影響HSC的激活并通過促進其他類型白細胞的浸潤來調節免疫反應。肝臟巨噬細胞可通過對T細胞、B細胞和NK-T細胞的免疫調節作用進行修復。纖維化和炎癥消退之間的失衡會導致纖維化增加和肝硬化，從而導致肝癌。圖1總結了從炎癥到慢性肝病CLD再到肝癌HCC的過程。
與HCC類似，CRC在慢性炎癥和修復的微環境中緩慢進展，通過不同病因引起正常腸粘膜的不同畸變。散發性（SCRC）和結腸炎性（CCRC）結直腸癌的組織學以及細胞突變在時間/序列上有所不同。圖2總結了散發性和結腸炎性CRC之間的差異性/相似性。結腸炎通常是由細菌或病毒等感染引發，而細菌或病毒感染又會激活免疫應答，從而導致最初的炎癥，形成一個長期反復潰瘍的循環周期，之后發生非整倍體細胞異常增加而使細胞上皮化。在腸道中，腫瘤相關的骨髓細胞分泌IL-23，影響Th17細胞的極化，隨后產生細胞因子IL-17A、IL-21、TNF-α和IL-6，進而在CRC發展中提供促腫瘤的炎癥反應。IL-6激活信號轉導和轉錄激活因子3（STAT3）信號通路，進而促進腫瘤生長和抗腫瘤免疫。IL-6還能激活NF-κB信號傳導途徑，有助于維持炎癥并促進腫瘤發生。
通常，CRC早期階段的特征是共生細菌豐度（如乳酸桿菌、雙歧桿菌和梭狀芽孢桿菌）減少，這些菌群可產生具有抗炎性的短鏈脂肪酸（SCFAs），并且與腸上皮受損標志物（如二胺氧化物，D-乳酸和LPS）呈負相關；具核梭桿菌和大腸桿菌（pks +）與二胺氧化物、D-乳酸、LPS正相關。具核梭桿菌可與CRC腫瘤細胞直接相互作用，其中粘附素FadA與CRC細胞表面的E-鈣粘著蛋白結合并激活Wnt /β-catenin信號傳導。此外，許多尚未被明確鑒定的細菌也可能在CRC的癌變和進展中發揮作用。
HCV中腸道菌群變化
多項研究表明，除了肝癌不同階段，HCV感染階段也是導致腸道菌群組成變化的原因。HCV感染可分為四個階段：1）血清丙氨酸氨基轉移酶（PNALT）持續正常；2）慢性肝炎（CH）；3）肝硬化（LC）；4）HCC。
Aly等針對6名沒有其他潛在疾病的慢性4期HCV患者以及來自同一地區的8名健康對照（HC）進行的糞便微生物組研究結果表明， HCV患者的微生物群落豐富度和多樣性降低（已報道多樣性降低提示存在慢性炎癥）。HCs中豐度升高菌群大多數是植物多糖和纖維發酵相關細菌以及其他共生細菌，如Ruminococcus，Clostridium，Lachnospira，Bacteroides。Lachnospira，Butyricimonas和Clostridium，尤其是XIVa和IV簇產乙酸和丁酸的細菌，具有消炎作用并促進結腸細胞恢復正常。Bifidobacterium和Bacteroides含有膽鹽水解酶，可將結合型膽汁酸代謝成非結合型膽汁酸從而通過膽汁酸信號通路發揮作用。共生細菌Parabacteroides可以通過次級膽汁酸信號傳導以及琥珀酸激活的腸道糖異生發揮代謝益處。從HCV到HCC發展過程中會產生相當多的抗炎菌，其中一些菌群具有免疫調節作用。這是因為隨著腫瘤發展，它需要與其周圍環境保持穩態才能生存，因此更需要一種抗炎、免疫抑制的腫瘤微環境。
Heidrich等研究闡述丙型肝炎病毒感染引起的肝硬化中腸道菌群變化，95例慢性HCV患者（57例無肝硬化患者（NCIR）；38例肝硬化患者（CIR））和50例健康對照，從HC到NCIR再到CIR，微生物多樣性呈顯著降低，且alpha多樣性也是依次降低。HCV感染本身可以引起促炎檸檬酸桿菌屬出現而梭狀芽胞桿菌降低，從而為細菌向肝臟移位提供了條件。在纖維化的NCIR階段，更多梭菌屬減少，促炎菌屬增加，進一步增加了腸道和肝臟的炎癥環境。CIR階段向促炎性發展進一步發展。Inoue等對丙型肝炎不同階段腸道菌群組成變化展開研究，納入23例HC（健康組），18例PNALT（持續正常的丙氨酸轉氨酶），84例CH（慢性肝炎），40例LC（肝硬化）和24例HCC患者。肝癌患者微生物多樣性下降，并隨疾病臨床嚴重程度而降低（HCC< LC < CH < PNALT << HC）。其中PNALT 與CH之間梭狀芽孢桿菌屬、瘤胃球菌屬和鏈霉菌科豐度降低，而這些菌都是產生短鏈脂肪酸（SCFA）的共生菌，這表明通過SCFA對炎癥調控能力降低。
HBV腸道菌群變化
Wang等對肝損害和代謝異常發生之前的早期CHB患者進行菌群分析，以確定腸道失調是否在肝病發生之前出現以及是否導致了肝臟疾病的發生。CHB患者中豐度降低的菌群導致SCFA和抗菌肽的產生減少，而CHB患者中豐度增加的細菌與宿主的臨床檢驗指標和血清代謝物的積累緊密相關，如膽固醇、L-天冬氨酸、L-酪氨酸、L-苯丙氨酸、辛酸和1-萘酚。其中芳香族氨基酸（如L-苯丙氨酸和L-酪氨酸）可能影響腦功能，并在肝性腦病中發揮重要作用。Zeng等納入HC（n = 15）、CHB（n = 21）、LC（n = 25）和HCC（n = 21）進行腸道菌群組成分析，不過與之前研究結果不同的是，雙歧桿菌在所有階段均減少，但在HCC中減少程度降低；發現Dorea（一種促炎細菌）隨CLD階段的增加而增加；糞球菌屬在CHB和LC中增加，在HCC中降低；羅斯氏菌屬在疾病階段出現降低。
HBV和非肝炎病毒相關HCC中腸道菌群變化
Liu等對肝炎病毒誘發的HCC與非病毒誘發的HCC相關腸道菌群組成變化進行分析，結果顯示兩種病因引發的肝炎和肝硬化過程中腸道菌群變化是不同的。產內毒素的促炎菌埃希氏桿菌屬-志賀氏菌屬、腸球菌和變形桿菌豐度在非病毒性HCC中升高，在HBV-HCC中豐度降低。非病毒性HCC組中，Firmicutes門中多種促進炎癥的菌群水平顯著減少。整體來說，相對于HBV-HCC，非病毒性HCC似乎具有更強的促炎性，表明非病毒性HCC的腫瘤微環境也可能略有不同。這可能是因為非病毒性肝癌始于慢性發炎，而病毒性肝癌始于劇烈的免疫原性應答。Xie等利用HCC小鼠模型探討了膽汁酸組成與非病毒性肝病不同階段的關聯。通過檢測膽汁酸變化評估腸道菌群對腫瘤微環境的影響。在這項研究中，使用高脂飲食和腫瘤誘導劑鏈脲佐菌素聯合誘導HCC小鼠，在每個階段（脂肪變性、纖維化、肝硬化和肝癌）進行肝、糞便膽汁酸分析及糞便菌群分析。從這些數據中可以發現，與疾病階段負相關的菌群傾向于降低肝臟中促炎膽汁酸，而與疾病階段正相關的菌群則傾向于增加肝臟中的膽汁酸。
CRC中腸道菌群變化
CRC相關菌群可分為三種不同的模式。第一種模式，從0期到更晚期階段一些促炎細菌，如Fusobacterium nucleatum、Peptostreptococcus anaerobius、Peptostreptococcus stomatis等豐度一直升高，Parvimonas micra.、P. anaerobius、P. stomatis、P. micra在Ⅰ/Ⅱ和Ⅲ/Ⅳ為主要菌群，但在術后其豐度降低；第二種模式，Atopobium parvulum和Actinomyces odontolyticus等菌群豐度在多息肉狀腺瘤和/或0期增加，但在更晚期則沒有增加。第三種模式，抗炎微生物或某些益生菌，例如產丁酸鹽菌（Lachnospira multipara和Eubacterium eligens）和長雙歧桿菌，隨著CRC的發展而降低。Feng等對55例HC、42例晚期腺瘤和41例癌癥患者進行糞便宏基因組測序，結果發現，盡管存在少量抗炎微生物，但相對于腺瘤階段，CRC菌群是相對促炎的。CRC與HCC中的腸道菌群結構的不同，提示CRC的TME與HCC有所不同。
對于HCV-HCC、HBV-HCC、非病毒感染 HCC、CRC相關菌群進行整理（表10）[J1] ，可以看出CRC相關菌屬比HCC菌群多一些。三種類型的HCC，腸道菌群的變化存在顯著差異。對于不同類型癌癥，某些菌群的趨勢存在相反現象。
小結
本綜述探討了各種類型HCC以及CRC腫瘤微環境是否相似。通過阻斷血液供應來“餓死腫瘤”的思路同樣適用于腸道菌群調節腫瘤微環境。通過調節腸道菌群改善營養或免疫，進而調控腫瘤微環境，達到治療效果。此外，還需要更多的研究以解決腸道菌群與疾病病因和/或階段之間的關系。
參考文獻
Wei Jia, et al. Gut microbiota alterations are distinct for primary colorectal cancer and hepatocellular carcinoma. Protein & Cell, August 14, 2020. https://doi.org/10.1007/s13238-020-00748-0.
原文閱讀，請長按識別下方二維碼
精彩推薦
1. 腸·道 | 賈偉：肝病腸治？且看腸道細菌如何對肝病推波助瀾！
2. Nature Medicine | 代謝組學和宏基因組學共同揭示CRC與腸道菌群的關系
3. International Journal of Cancer | 前瞻性研究：與結直腸癌風險相關的血液代謝物
4. Cell | 可溶性纖維的微生物發酵失調誘導膽汁淤積性肝癌
