腸道菌群在肝細胞癌中的作用及治療應用的研究進展

殷鼎威 綜述 井杰 審校

作者單位：1.中國人民解放軍聯勤保障部隊第九〇三醫院血液腫瘤科(杭州 310013);2.海軍軍醫大學第一附屬醫院實驗診斷科

肝細胞癌(Hepatocellular carcinoma,HCC)是世界范圍內最常見的原發性肝癌,發病率在所有惡性腫瘤中排名第六位,死亡率排在所有癌癥中的第三位[1]。近年來,隨著高通量測序技術在生物醫學領域的不斷應用,越來越多的研究表明,存在于宿主腸道中的微生物菌群,可通過自身成分、代謝物及移位等,參與宿主細胞的代謝、免疫等局部或全身性生理病理過程,促進宿主癌癥的發生發展[2-4]。例如,胰腺導管癌動物模型的腸道真菌可遷移至胰腺,并在胰腺內增殖,影響胰腺癌的惡化進展[5]。改變結直腸癌動物模型的腸道菌群組成會影響結直腸癌的發生發展[6]。近期研究也表明,腸道菌群可通過菌群失衡、腸滲漏和微生物相關分子模式(Microbe-associated molecular patterns,MAMPs)及其代謝產物等方式,進一步以影響肝臟炎癥、增強細胞增殖和抑制抗腫瘤免疫等機制來促進HCC的發生發展[7]。本文將介紹腸道菌群與慢性肝病之間的聯系,重點闡述腸道菌群在HCC發生發展過程中的作用機制,并探討基于腸道微生態理論的HCC治療策略。

1 腸道菌群與腸黏膜屏障

腸道菌群是指寄居在宿主小腸和大腸中的數十萬億個共生細菌和其它微生物的統稱[8]。作為復雜而又動態變化的微生物生態系統,寄居在宿主的腸道菌群被認為是一種特殊的“微生物器官”,通過菌群的總數和多樣性,以促進食物消化、調節宿主免疫反應和產生多種代謝物等方式來調節宿主代謝平衡[9-10]。當腸道菌群的組成對宿主有益時,菌群和宿主之間的關系稱為“共生”。相反,這種有益關系的破壞或菌群與宿主之間的不平衡稱為“菌群失衡”。菌群失衡常導致腸黏膜通透性增加,并削弱腸黏膜相關防御功能[11]。

腸黏膜屏障由粘液層、腸上皮細胞和免疫細胞組成,是腸道滲漏物及菌群代謝物進入肝臟的第一道過濾器。已有研究發現多種因素會改變腸黏膜屏障通透性。例如,乙醇對上皮細胞具有毒性,可破壞腸上皮細胞間的緊密連接,致其通透性增強[12-13]。高脂肪飲食(High fat diets,HFDs)可直接或間接加劇腸黏膜屏障損傷。HFDs通過刺激小腸細菌過度生長,增加腸道菌群中腸黏膜屏障破壞物種的數量,增強腸黏膜炎癥反應[14]。HFDs還可增強肝臟對膽固醇轉變為膽汁酸的代謝,從而影響腸道菌群對膽汁酸的修飾,導致次級膽汁酸水平增加,如產生的脫氧膽酸(Deoxycholic acid,DCA)可通過增強活性氧生成誘導腸黏膜屏障通透性改變[14-15]。通過腸黏膜屏障后,腸道滲漏物及菌群代謝物可通過門靜脈轉移至肝臟。

2 腸道菌群與慢性肝臟疾病

慢性肝病如慢性乙型肝炎、酒精性肝病(Alcoholic liver disease,ALD)、非酒精性脂肪肝病(Nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)、非酒精性脂肪性肝炎(Nonalcoholic steatohepatitis,NASH)及肝硬化等是HCC發病的重要危險因素[16]。既往研究表明,腸道菌群紊亂和腸道滲透性改變是慢性肝病晚期的共同特征[17-19]。腸道菌群失衡和腸通透性增加可促進MAMPs及微生物有害代謝物,如脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)通過門靜脈流入肝竇,從而促發導致肝臟炎癥惡化的炎性級聯反應[20]。比如,腸道菌群失衡和腸通透性增加造成ALD患者體內LPS水平升高。LPS與Toll樣受體4(Toll-like receptor 4,TLR4)結合過度激活Kupffer細胞,繼而使機體產生大量炎癥細胞因子,導致ALD患者肝臟炎性改變并造成肝損傷[21-22]。對肥胖女性腸道菌群的分子表型特征研究表明,其腸道內產LPS的菌群數量明顯增加[23]。此外,產LPS的菌群也被發現在NAFLD患者腸道中可持續富集[24]。動物實驗也證實了高脂肪飲食能夠增加小鼠腸道通透性,使其門靜脈內LPS濃度增加,并通過肝細胞表面Toll樣受體介導肝臟炎癥,造成NAFLD患者持續性的肝損傷[25]。在慢性肝病發展過程中,腸黏膜屏障受損致使門靜脈和全身血液LPS水平升高,高水平LPS進一步活化TLR4/TGF-β介導的肝星狀細胞(Hepatic stellate cell,HSC),并有助于其過度分泌和沉積膠原等細胞外基質蛋白,導致肝硬化的發生[26]。

3 腸道菌群在HCC中的作用機制

3.1 腸滲漏及MAMPs-Toll樣受體促進HCC的發生發展

慢性肝病和HCC發展的各個階段均存在腸滲漏現象[27],致使MAMPs從腸道漏出,通過門靜脈進入肝臟,并通過肝細胞表面受體介導的信號通路促進了HCC的發生發展。LPS是細菌細胞壁的重要組成部分。研究發現在致癌劑誘導的HCC小鼠模型循環血液內可檢測到高水平的LPS,長期應用低毒劑量的LPS可顯著增加HCC腫瘤的體積和數量[28]。LPS由于腸道滲透性改變進入到血液中,與肝細胞表面TLR4結合。TLR4存在于包括Kupffer細胞、HSC及內皮細胞等在內的多種類型肝細胞中。Dapito等[29]發現非骨髓來源的HSC和肝細胞是LPS的主要靶標,其通過與TLR4結合介導肝細胞再生,從而導致HSC的代償性增殖。LPS還可通過TLR4促進肝分裂原上皮調節蛋白的表達增加,進而促進肝細胞增殖和抑制肝細胞凋亡。在HCC動物模型中使用抗生素方案減少LPS,或對肝細胞進行TLR4基因敲除,可防止HCC過度增殖,證實了LPS-TLR4軸在HCC發生發展中的重要作用[28]。

3.2 菌群失衡及其代謝產物對HCC發生發展的作用

宏基因組測序揭示了慢性肝病和HCC患者腸道菌群的變化,表現為有害菌的增多,有益菌的減少[30-31]。比如在肝硬化患者中,表現為腸桿菌科及奈瑟菌科等有害菌增加,而乳桿菌、雙歧桿菌等有益菌卻顯著減少[32]。腸道菌群失衡可通過腸道菌群的有害代謝產物來影響HCC[33]。在NASH誘導的HCC中[27],腸道革蘭氏陽性菌尤其是梭菌屬數量增加,導致血液中的細菌代謝物DCA合成增多。DCA主要是通過腸肝循環引起HSC中的促進衰老相關的分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype,SASP)的產生,進而在肝臟中分泌各種炎癥和促腫瘤因子,促進NASH相關的HCC發展。在抑制細菌的7-α羥化酶后,膽汁酸代謝(7-α位脫羥基)為DCA受到限制,DCA血清水平降低,NASH相關的HCC的惡性進展得到了緩解。進一步研究表明,DCA主要通過激活mTOR信號通路誘導NASH相關的HCC發展[34]。除DCA外,腸道細菌代謝產物如短鏈脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)不僅能夠為腸上皮細胞提供能量來源,而且可以改變腸黏膜通透性,導致腸道有害滲漏增多,從而促進HCC的發展[35]。

3.3 腸道菌群調節腫瘤微環境影響HCC的發生發展

腸道菌群會影響腫瘤微環境,進而促進HCC的發展。Ma等[36]發現腸道菌群是抗腫瘤免疫的重要調節者,其使用膽汁酸作為信使來調節肝竇內皮細胞上趨化因子CXCL16[Chemokine(C-X-C motif)Ligand 16,CXCL16]水平,從而控制趨化因子CXCL16依賴的肝自然殺傷T細胞(Natural killer T cells,NKT)積聚,積聚的NKT細胞具有激活的表型并抑制肝腫瘤的生長。因此,通過抗生素治療去除革蘭氏陽性細菌(含有將初級膽汁酸向次級膽汁酸轉化的細菌),相應的次級膽汁酸減少和初級膽汁酸增加,有效誘導了肝臟NKT細胞積累,導致肝細胞抗腫瘤免疫增強及肝腫瘤生長減緩[36]。進行膽汁酸代謝細菌定植或補充次膽汁酸也可逆轉NKT細胞的積聚,改變腸道共生細菌對肝腫瘤生長的抑制[36]。此外,腸道菌群失調也會刺激腸上皮細胞特別是簇細胞分泌大量的白介素25(Intedeukin-25,IL-25)。IL-25能夠活化肝臟M2型巨噬細胞并分泌趨化因子CXCL10[Chemokine(C-X-C motif)Ligand 10,CXCL10],激活上皮間充質轉化途徑,促進HCC的形成、侵襲和遷移[37]。

4 腸道菌群作為HCC治療靶點的應用前景

4.1 抗生素

抗生素治療主要是通過減少腸道內細菌總數,減少細菌易位,從而抑制來自腸滲漏引起促炎信號的激活。比如,晚期肝硬化患者長期口服諾氟沙星能有效減少患者小腸細菌過度生長和細菌易位,降低自發性細菌性腹膜炎和肝腎綜合征1年再發生的概率,提高患者生存率[38]。Gangarapu等[39]發現NAFLD尤其是NASH患者短期給藥利福昔明,可抑制患者內毒素促炎細胞因子的產生。有研究發現通過氨芐西林、新霉素、甲硝唑和萬古霉素組成的口服抗生素組合持續滅菌腸道,可有效減少DEN/CCl4誘導小鼠HCC腫瘤的數量和體積[29]。然而,大部分研究結果并不能直接轉化為患者的治療方案,因為長期聯合抗生素(如新霉素等腎毒性藥物)治療對患者有害,尤其是腸道內的共生菌群可能由于長期用藥被消耗殆盡。此外,抗生素預防和治療HCC可能是長期、甚至終生過程。在HCC患者中如何使用安全性高的抗生素還有待臨床實驗研究。

4.2 TLR4拮抗劑

腸道菌群刺激肝細胞表面的TLR4活化、促進HCC發展是慢性肝損傷、炎癥和纖維化的長期結果。TLR4途徑在慢性肝病和HCC發生過程中作為腸道菌群通過腸-肝軸促進HCC發展的中介物起著關鍵作用,運用TLR4的拮抗劑可以為治療HCC提供新策略[28]。目前,已開發多種TLR4拮抗劑[40],包括結合LPS類、拮抗CD14—LPS結合的相互作用類、拮抗LPS—MD2—TLR4相互作用類、直接靶向TLR4類、抑制TLR4活性類等。到目前為止,這些藥物均未在慢性肝病及HCC患者的臨床實驗中進行過測試。主要是由于長期抑制TLR4可能導致免疫抑制,造成慢性肝病及HCC患者的免疫功能嚴重受損。因此,需要對TLR4拮抗劑的安全性進行仔細評估,然后才能開展其對預防和治療慢性肝病及HCC長期療效的研究。

4.3 益生菌

益生菌對腸道菌群的調控可能為治療或預防HCC發展提供一種新的途徑。使用益生菌有助于恢復腸道菌群組成、改善腸道屏障功能,從而減輕腸道-肝臟炎癥和抑制HCC發展[41]。Li等[42]發現HCC小鼠給予益生菌喂養,顯著減緩了HCC的進展,同時腫瘤的體積和重量均減少了40%。在DEN誘導的小鼠HCC發生過程中,食用高劑量的益生菌混合物可重塑腸道菌群的特定區域,抑制革蘭氏陰性菌的生長,進而改善腸道屏障完整性及減輕腸道炎癥,改善慢性肝臟炎癥和抑制腫瘤生長[43]。Elshaer等[44]發現硫代乙酰胺誘導Wistar大鼠發生肝硬化是通過激活TLR4/CXCL9/PREX-2通路。早期給予植物乳桿菌干預,可以顯著抑制大鼠肝細胞TLR4、CXCL9和PREX-2表達,從而預防肝硬化向HCC進展?？偟膩碚f,盡管益生菌在動物模型中的治療效果良好,但仍需設計良好、大規模和強有力的臨床研究來支持益生菌可用于治療人類慢性肝病及HCC。

4.4 糞便菌群移植(Fecal microbiota transplantation,FMT)

FMT是一種將從正常供體獲得的糞便溶液移植到受體腸道的過程,以直接改變受體腸道的菌群組成,并調節受體的健康或治療某種疾病[45]。FMT已用于治療復發性艱難梭菌十二指腸感染,實現了比標準抗生素治療更好的臨床改善效果[46-47]。目前,FMT已被證明在通過免疫檢查點抑制劑療法治療的癌癥類型如結直腸癌、非小細胞肺癌及黑色素瘤等具有良好療效[48-49]。同樣的,FMT增強了免疫檢查點抑制劑的抗腫瘤作用,為HCC的預防與治療提供了潛在策略。盡管FMT具有抗腫瘤的應用前景,但這一過程由于整個腸道菌群與治療菌群一起轉移而缺乏有效控制。因此,仔細評估捐贈者的健康及控制其腸道菌群特異性組成至關重要。此外,仍需大量的臨床實驗數據來支持這一療法應用的有效性和安全性。

5 小結與展望

腸道菌群在HCC中的作用機制研究主要集中在三個方面。一方面,在慢性肝病進展過程中,腸黏膜屏障破壞及腸道菌群生態失衡造成了腸滲漏增加。腸道滲漏物如LPS會通過MAMPs-TLR軸激活炎癥性的肝細胞表面TLR4,進而促進肝細胞增殖及抑制肝細胞凋亡導致HCC的發生發展;另一方面,腸道菌群失衡產生的一些毒性代謝產物如DCA及SCFAs等也可增加HCC發生發展的風險;最后,腸道菌群通過調節多種信號分子,影響肝細胞的腫瘤微環境,進而促進HCC的發展。這些致癌機制的研究提示可通過靶向腸道菌群,如使用抗生素、TLR拮抗劑及益生菌等,為HCC的治療提供新的策略。目前,腸道菌群與HCC關系的研究仍有亟待解決的問題。研究人員仍然缺乏對不同菌群在HCC發生發展過程中的個體效應及其對疾病進展的具體貢獻的詳細了解,包括不同菌群如何調節腸黏膜通透性、通過衍生物直接影響肝臟炎癥及腫瘤微環境等。其次,基于腸道菌群的HCC治療策略大部分都應用于動物模型,缺乏相關轉化醫學的研究以支持其可有效應用于人體的臨床治療。未來,針對不同菌群的功能分析、機制研究、相關轉化醫學研究是將基于腸道微生態理論的HCC治療策略從臨床前模型轉化為臨床應用的關鍵,最終設計針對疾病不同階段腸道菌群特定的治療方法,以治療慢性肝病,減緩肝硬化和抑制HCC的發生發展。