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肠道菌群与肝癌的发病机制

时间:2024-07-28

陈聪燕 综述 王俊青,陈拥军 审校

(上海交通大学医学院附属瑞金医院外科,上海 200025)

原发性肝癌是全球6大常见癌症之一,死亡率高居我国死亡原因第2位。目前认为发病与肝炎病毒、黄曲霉素、酒精等危险因素相关。我国是肝癌高发国家。Globocan数据显示,2018年中国新发肝癌病例占全球新发病例的46.71%,死亡病例占据全球死亡病例的47.1%[1-2]。虽然目前临床对肝癌有多种治疗方案,如肝切除、射频消融、放化疗、肝移植等,但由于肝癌早期诊断率低、恶性程度高且进展速度快等特点,我国肝癌仍处于高发病、低生存的现状。

肠-肝轴是指肝脏通过分泌初级胆汁酸等作用于肠道,肠道的代谢产物等通过门静脉系统回流作用于肝脏。肠-肝轴的存在说明肝脏与肠道在结构和功能上具有紧密联系。研究发现,小肠菌群的过度生长使代谢产物和毒素大量产生,超出肝脏处理能力,促进肝脏炎症的发生,增加肝癌发生、发展的风险。近年来,微生物调控成为治疗原发性肝癌的研究重点,通过调控肠道微生物群,恢复其正常生理功能,能有效减少肝脏炎症、减缓肝癌进展、降低肝癌并发症的发生率。自1921年Hoefert首次发现肠道菌群与慢性肝脏疾病相关后[3],关于肠道菌群失调与肝脏疾病发生、发展的研究频出。目前已发现其与酒精性肝病[4]、非酒精性脂肪性肝病[5]、肝硬化[6]、肝癌等发生、发展有一定联系。本文就肠道菌群失调在肝癌发生、发展的作用以及基于肠-肝轴理论的诊疗新思路作一综述。

原发性肝癌与肠道菌群的关系

人体至少有1 000种以上的细菌生活在肠道中,其中以厚壁菌门和拟杆菌门为主,占健康人群肠道细菌90%左右[7]。在病理情况下,肠道内有益菌减少而有害菌增加,引起肠道菌群紊乱、失调,使机体免疫功能受损,进而导致疾病发生。研究发现,肠道菌群失调可对全身多种脏器和系统产生病理性影响,包括消化系统、循环系统、内分泌系统等。另据报道,肠道菌群失调与糖尿病[8]、肥胖[9]、结肠直肠癌[10]等相关。

1998年,马歇尔首次提出“肠-肝轴”的概念,并指出胃肠道与肝脏通过门静脉循环,在神经内分泌代谢、免疫调节、肠道屏障功能等方面进行双向的反馈调节[11]。当各种病理性因素导致肠道菌群失调时,肠道菌群数量和种类发生显著改变,有益菌减少而有害菌增加,抗炎菌减少而促炎菌增加,导致肠道屏障的防御、免疫功能受到破坏,引起菌群移位、肠源性内毒素血症与细菌代谢产物数量改变[12],进而影响肝脏的生理状态,使其炎症通道过度激活,肝脏微环境处于炎症亢进状态。

一、菌群移位

肠道菌群失调时,肠黏膜屏障完整性破坏,肠道黏膜通透性增加,远端肠道内菌群进入小肠,引起小肠内细菌过度生长。研究表明,肝病病人小肠细菌过度生长的发生率远高于健康人群,且发生率与肝功能损伤程度呈正相关[13]。并且,菌群失衡在肝脏疾病的发生、发展中具有可传递性。动物实验表明,将失衡的肠道菌群移植给健康小鼠会增加其肝损伤和纤维化的概率[14]。

二、肠源性内毒素血症

菌群失调导致革兰阴性需氧菌过度繁殖,肠道内的内毒素即脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)水平升高,一方面通过受损的肠黏膜屏障,另一方面通过肠-肝轴进入肝脏。正常情况下,仅少量LPS产生,由门静脉系统进入肝脏,很快被肝脏Kupffer细胞清除,无法进入人体循环。在肝癌病人中,肝实质细胞减少,Kupffer细胞等数量减少、功能衰竭,对LPS的清除作用减弱,未能清除的LPS进入循环系统。另外,肝癌病人常伴门静脉高压、侧支循环建立等。当侧支循环建立,LPS可不经肝脏代谢直接通过侧支进入循环系统,造成肠源性内毒素血症。研究表明,肝损害程度与血浆内LPS水平呈明显正相关[15]。

LPS进入肝脏后与免疫细胞上的Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)结合表达,激活NF-κB炎性通道。大量细胞因子,如 IL-6、IL-8、TNF-α 等释放[16],加重肠黏膜损伤,导致肠道运动障碍和全身炎症,进一步引发肝脂肪变性和坏死性炎症,促进纤维化和肝硬化,最终导致肝癌。已有研究表明,LPS与肝脏内TLR4结合可促进肝癌的发生,肠道灭菌和减少TLR4载量可降低肝癌的发生率并抑制肿瘤的生长。Dapito等[17]通过动物模型进一步证实,TLR4的灭活明显减少肿瘤发生数量,并减小肿瘤体积。

三、细菌代谢产物变化

肠道菌群失调可能使微生物代谢物数量变化。主要表现在胆汁酸的增加和短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)的减少。胆汁酸由肝脏通过胆固醇代谢合成,排入肠道后在肠道菌群作用下转化为次级胆汁酸,主要包括脱氧胆酸(deoxycholic acid,DCA)等。DCA产生活性氧引发DNA损伤。此外,DCA的升高还诱导肝星状细胞衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype,SASP) 以及各种炎症因子、促癌因子的分泌,导致肝细胞暴露于化学致癌物中,进一步促进肝癌的发生[18]。有研究表明,阻断DCA的产生能有效防止肝癌的发展,饮食添加DCA可增加小鼠发生肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)的概率[19]。 Zhang等[20]观察到,将高胆固醇饮食小鼠的粪便移植到无菌小鼠肠道内,会引起无菌小鼠肝脏脂肪堆积、炎症和细胞增殖等反应。另一项研究表明,初级胆汁酸增加自然杀伤细胞的累积,从而抑制HCC发生[21]。

SCFA是人体无法消化的多糖,如纤维素,在肠道特殊菌群的代谢下产生的可被肠道吸收的物质。一方面,SCFA是肠道黏膜细胞的直接能量来源,能减少细胞凋亡,维持肠道屏障的完整性;另一方面,SCFA可降低肠道内pH值,抑制有害菌的生长、定植,减轻炎性反应的发生[22-23]。当SCFA产生减少后,可促进肠道渗漏的发生,引起菌群移位和肠源性内毒素血症,进而激活LPS-TLR4通道。动物实验表明,外源性补充SCFA能有效减少肝脏对脂肪酸的摄取,抑制肝脏脂肪合成,有效延缓慢性肝病的进程[24-25]。

总之,肠道菌群引起肝损伤,促进肝癌发生、发展,是多种因素相互作用的结果。肝炎病毒、黄曲霉素、高脂饮食、酒精等导致慢性肝病,引起菌群失调。肠上皮屏障功能障碍,导致菌群移位,LPS大量入血,激活LPS-TLR4通道。菌群有害代谢产物过量吸收,在肝脏中触发炎症级联反应,诱导IL-6、IL-8、TNF-α等促炎因子产生。在肠道屏障功能障碍、肠道菌群代谢产物、促炎因子等因素共同作用下,促进肝癌的发生、发展。

探索原发性肝癌诊疗新思路

肠道菌群失调在肝癌的发生、发展过程中起重要作用。因此,通过调节肠道微生态平衡作为治疗肝脏疾病的重要靶点,已成为当前肝癌治疗的热点。

一、益生菌

益生菌是一类有利于维持肠道菌群稳态的微生物制剂,通过补充一种或多种有益菌,如双歧杆菌、乳酸菌等,调整肠道菌群结构的作用。其对于抑制有害菌的生长、减少炎症反应的发生、预防和改善菌群移位等方面发挥重要作用。

益生菌在降低胃肠道炎症和预防结肠直肠癌方面的作用已被广泛证实[26]。但其抑制肠外肿瘤的作用及机制尚不明确。Li等[27]的动物实验阐述了益生菌调节肠道菌群抑制小鼠肝癌发展的作用。实验表明,益生菌通过抑制血管生成而有效减小肝肿瘤体积和抑制其生长。并且,早期服用益生菌制剂可获得更好的抗肿瘤效果。在小鼠接种肿瘤细胞前,先接种益生菌Prohep会抑制肿瘤微环境中IL-17的分泌并增加IL-10的分泌,从而减少约40%的肿瘤质量和体积[28]。另一项实验表明,服用VSL#3(含4种乳酸杆菌、3种双歧杆菌和1种嗜热链球菌的混合物)能有效减少由DEN诱导的肝癌模型大鼠肝脏和肠道的炎症,抑制肝硬化的进展[29]。这提示益生菌在肝癌治疗中的作用,不仅可通过改善肠道菌群失调状态,减少肝脏及肠道炎症,限制肿瘤生长及减轻并发症,改善预后,也可用于肝癌一级预防,早期维持肠道菌群稳态,抑制肝癌的发生。

动物实验研究发现,益生菌发酵乳可降低LPS的水平,抑制NF-κB炎症通道的信号传导,对于黄曲霉素诱导的肝癌小鼠,使其肿瘤生长速度减慢40%[30]。有研究揭示,具有抗HCC作用的益生菌与SCFA的产生相关。一些益生菌,如乳酸菌、双歧杆菌,可起到促进SCFA生成抗炎脂肪酸的作用[27,31]。除肝癌模型,还有大量动物实验证明益生菌在慢性肝病治疗中的有效性。Grander等[32]发现酒精性肝病病人肠道中艾克曼菌的丰度显著减低,在酒精性肝炎小鼠模型中证实艾克曼菌通过改善肠道黏膜屏障的通透性,减少菌群移位和血清中内毒素水平,减轻肝脏炎症。Han等[33]研究了117例酒精性肝炎病人,在服用益生菌后粪便中的大肠埃希菌丰度降低,血清中内毒素减少,肝酶改善。Bajaj等[34]研究发现,肝硬化病人服用乳酸菌后血液中炎症因子水平明显下降。

二、粪便菌群移植

粪便菌群移植(faecal microbiota transplantation,FMT)是提取健康人群中的功能菌群植入病人胃肠道内,以此来重建病人肠道菌群。目前已证明FMT在肝性脑病、非酒精性脂肪性肝炎、克罗恩病、溃疡性结肠炎等良性疾病中有治疗应用价值。Gut发表研究显示,通过16S rRNA测序明确HCC病人的粪便微生物特征以及肠道微生物组对HCC的诊断价值[35-36]。FMT可能通过调节肠道微生物菌,减少某些细胞毒性代谢物的产生来抑制肿瘤的发展。此外,国内、外文献报道,将PD-L1抑制剂治疗有效的病人粪便移植给无菌小鼠后,明显提高PD-L1疗效。该类病人的肠道菌群中可发现双歧杆菌、屎肠球菌等有益菌丰度明显提高[37]。然而,目前临床上很少将FMT直接用于肝癌治疗。一方面,缺少足够的动物实验证明FMT在肝癌治疗中的有效性和安全性;另一方面,尚无研究证明,FMT能永久改变肝癌病人肠道微生物群的构成。如FMT仅能短暂改变微生物群的构成,那就需要考虑短暂修复微生物群的平衡和FMT带来的真菌、病毒和其他病原体对机体的影响,对于肝癌病人整体的获益孰轻孰重。

三、抗生素

抗生素治疗肝癌的原理主要是基于调整肠道菌群结构,减少有害菌,增加有益菌。但长期使用、滥用抗生素可能造成结肠内有益菌损耗,肠道黏膜屏障完整性遭到破坏、通透性改变而出现肠道渗漏、菌群移位、肠源性内毒血症等一系列问题。故而,抗生素的选择尤为重要。

利福昔明是一种从利福平中提取出的广谱抗生素,用于治疗小肠细菌过度生长等。其具有良好的抗炎、抗菌作用,甚至能促进乳酸菌等有益菌的生长。Calanni等[38]发现利福昔明可抑制肝脏内TLR4的活性,降低肠黏膜通透性,长期服用对于肝癌伴肝性脑病的病人收益较大。2010年,美国FDA将利福昔明列为肝性脑病的预防用药。Dapitto团队实验发现利福昔明能减缓由DEN-CCl4诱导的肝癌模型中肝癌的发展[17]。

然而,关于使用抗生素协助治疗肝癌的研究大多还停留在提出问题的阶段。相对于益生菌、FMT等危害较小的调整肠道菌群的方式,针对肠道菌群的抗生素往往会在清除有害菌的同时,限制有益菌的生长,进一步破坏肠道菌群的稳态。并且,抗生素实际使用在动物试验中难以控制如个体肠道菌群差异、个体抗生素反应差异等变量,故无明显进展。

四、TLR4拮抗剂

TLR4的激活是肝脏持续炎症的重要因素,所以阻断TLR4通路是另一种预防及治疗肝癌的途径。目前常用的TLR4拮抗剂有E5564和TAK-242。E5564与LPS结合,竞争性抑制TLR4-LPS传导通路,E5564能以剂量-反应关系减轻内毒血症的症状。TAK-242通过抑制TLR4与其配体的相互作用,从而阻断TLR4信号通路。动物实验证明,TAK-242可保护小鼠免受TLR4-LPS诱导的“微生物相关分子模式”。但在临床研究中,TAK-242却未能抑制内毒血症病人的细胞因子水平[39]。现阶段TLR4拮抗剂的临床研究仍缺乏,在肝脏疾病和肝癌方面的应用仍停留在假说层面,有待进一步深入探索。

总结与展望

肠道菌群失调对肝癌的发生、发展有着重要影响。肠道菌群促进肝癌发展的原因包括肠道菌群失调导致的细菌代谢产物改变,如次级胆汁酸、内毒素血症以及TLR4介导的信号均可促进肝脏的慢性炎症,最终发展为肝癌。因此,未来有望通过调节肠道微生物菌群平衡,阻断促进疾病的肠-肝信号轴来预防和辅助治疗肝癌。对于肠道菌群作用的了解很大程度依赖于动物模型的建立及病人粪便菌群样本,而肠-肝轴的许多关键性变化多发生于小肠。因此,需要更全面地获取不同解剖部位的人体肠道菌群,以便能更准确地了解肠道菌群与疾病进展的关系。慢性肝病是真实世界中肝癌发生的重要基础,实验室通过DEN-CCl4等化学药剂直接诱导的肝癌模型在肠道菌群的改变和肿瘤微环境的组成等方面与真实世界肝癌仍存在差异。因此,有必要在真实世界中更完善地建立研究模型,充分揭示肠道菌群和肠-肝轴在肝癌发生、发展中的作用,以及肠道微生物群对肝脏疾病进展的作用。

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