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)稿時間：2016-06-21來源：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。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)直腸癌早期往往無特殊臨床癥狀，容易延誤治療時機，至晚期時生存率僅為 10% 左右。因此，結(jié)直腸癌的早期發(fā)現(xiàn)和確診對于治療疾病，延長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。

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)增長與結(jié)腸癌風(fēng)險性的增加顯著相關(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)險高于非糖尿病女性，而遠(yuǎn)端結(jié)腸與直腸癌的風(fēng)險則沒有明顯升高。
其它不良生活方式
       結(jié)直腸癌的高發(fā)病率還與過量飲酒、抽煙、缺乏運動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還原硫酸根離子的途徑降解食物中的有機物，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性菌中的梭菌類群。研究表明，硫化氫對腸壁細(xì)胞有一定的毒性，腸道內(nèi)較高濃度的硫化氫會促進(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)是食物在烹飪過程中產(chǎn)生的致癌物，β-葡萄糖醛酸酶會對其葡萄糖醛酸軛合物進(jìn)行水解，并生成可能對結(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)致病菌會被一些更適宜在腸道腫瘤微環(huán)境中生存的機會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)直腸癌劃分為四個發(fā)展階段：正常一增生一腺瘤一腫瘤，在這四個階段發(fā)展過程中，“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，包括一些機會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；
• 研究對象：46例結(jié)直腸癌患者和56例健康對照志愿者的糞便樣品；
• 技術(shù)方法：細(xì)菌16S rDNA擴增子測序；
• 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、無慢性腸道疾病史、研究期間無嚴(yán)重疾病發(fā)生的健康人。全部健康志愿者在采樣前三個月內(nèi)均未經(jīng)過抗生素治療；
• 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)移酶基因為分子標(biāo)簽，通過實時定量PCR的方法驗證了結(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腸道健康有益的丁酸鹽產(chǎn)生菌的減少，以及對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；
• 研究對象：結(jié)直腸癌和和癌旁粘膜樣品來自6個接受了切除手術(shù)的原發(fā)性結(jié)腸腺癌患者；
• 技術(shù)方法：細(xì)菌16S rDNA擴增子測序；
• 研究區(qū)域： V1-V3；

樣本信息

• 6個病人中有5個男性和1個女性，年齡在61-71歲范圍內(nèi)，所取樣本有3個位于直腸，2個位于乙狀結(jié)腸。1個位于盲腸。
• 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)直腸癌者個體之間存在一定的差異，但是紅蝽桿菌目，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了覓食腫瘤的共生細(xì)菌，它們在腫瘤微環(huán)境中有明顯的競爭優(yōu)勢，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照組患者腸道菌群的整體結(jié)構(gòu)；
• 研究對象：46個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擴增子測序；
• 研究區(qū)域： V1-V3；

樣本信息

• 受試者篩選標(biāo)準(zhǔn)：無糖尿病等代謝性疾病史，無感染病，無特殊飲食（素食等），正常體型，樣品采集之前3個月所有受試者均未服用抗生素藥物 ；結(jié)直腸癌患者無家族遺傳性；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優(yōu)勢，硬壁菌門的細(xì)菌能促進(jìn)對來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)勢菌群可能通過對外源物質(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影響宿主的生理功能，而粘膜相關(guān)微生物優(yōu)勢菌群則可能主要通過感染等與宿主發(fā)生直接相互作用的方式來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感染等與宿主發(fā)生直接相互作用的方式來影響結(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擴增子測序；
• 研究區(qū)域： V1-V2；

樣本信息

• 正常組：所有志愿者無特殊飲食習(xí)慣，年齡在20-60歲之間；志愿者的健康狀況由自我報告和結(jié)腸鏡檢查來判斷；志愿者均無胃腸道疾病史，無肝、膽、膜腺等消化系統(tǒng)疾病史；無手術(shù)史；在樣本采集3個月前沒有服用抗生素。
• 病例組：志愿者要接受問卷調(diào)查，在采樣前三個月內(nèi)均未經(jīng)過抗生素或益生菌；無２年以上醜酒史；無代謝性疾病，如肥胖癥、糖尿病、結(jié)石、各種肝病等；無具有家族聚集性；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個細(xì)菌類群為潛在Driver細(xì)菌，12個細(xì)菌類群為潛在Passenger細(xì)菌，其中7個細(xì)菌類群具有潛在的促炎作用，5個細(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。
• 通過共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析3個細(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)腫瘤機會性致癌細(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)菌競爭生態(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（是否機械性腸道灌洗或口服緩瀉劑）對結(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腸道菌群變化的影響；