上消化道微生态与食管癌的研究进展

人体定植着复杂多样的微生物群落,并与人体共生,总体上构成了人类微生态系统[1]。消化道作为人体微生态系统中最大的细菌储存库,其微生态系统在维持人体正常生理功能及疾病发生发展中发挥着不可替代的作用。传统的微生物分析法对人体 99% 的细菌未能培养、分离、纯化[2],菌群鉴别的准确性较差。得益于分子生物学的进步、宏基因组学的兴起及高通量测序的应用,结合生物信息学的改进,消化道微生态已进入宏基因组学时代,达到基因型分类水平[3]。食管癌在消化系统恶性肿瘤中具有发病率高和诊断率低,且预后不佳,五年存活率低于 20% 等特点[4]。上消化道微生态在其病因学中扮演着重要角色[5],目前已有不少关于上消化道微生态和食管癌的研究报道,本文对这一研究热点、发展前景作一综述。

1   正常食管微生态

食管作为一个不储存食物的通道且异于口腔、胃肠道的特定消化道区域,在早期传统培养法的研究报道中,被认为要么是无菌区域,要么是存在少量通过吞咽或胃食管反流(GER)而来的瞬时微生物,而无常驻微生物。Gagliardi 等研究发现食管不仅受临近器官 (口腔及胃部) 微生物的影响,也存在原籍定植菌,以草绿色链球菌最为常见[6]。2004 年,Pei 等[7]首次应用 16S rDNA 序列分析技术发现了正常食管远端黏膜存在多种菌群,包括来自六种门类:厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门、梭杆菌门和 TM7 等共 95 种菌群,其中最常见的是链球菌(39%),普氏菌(17%)和韦氏菌(14%)[79]。有研究证实 82% 的食管细菌是可被识别和培养的[7]。进一步分析发现远端食管菌群与口咽类似,并支持食管微生物群主要来源于口腔的观点,但两者不完全相同[10],食管菌群不存在口腔菌群中普遍存在的螺旋体门和杆菌门[71113]。同时,有研究显示食管黏膜菌群与肠道菌群组成亦不完全相同[1415]。因此,食管黏膜微生态菌群的研究中不能用口腔及肠道菌群替代食管菌群。Liu 等[16]研究了 6 名正常人食管远端微生物菌群,得到与 Pei 等一致的研究结果。2009 年 Yang 利用 16S rRNA 测序技术进一步检测了 12 名健康成人远端食管样本的微生物组,发现包括 9 个门类的 166 种菌群,以链球菌为主,并第一次将食管菌群这一复杂的微生物组分为 2 种类型[17]:I型和Ⅱ型,其中I型以革兰阳性需氧菌为主,多由厚壁菌门组成,主要为链球菌属,常分布于正常食管,尽管后续研究者对于正常食管黏膜取样方法和样本不尽相同,但以厚壁菌门链球菌属为优势菌群的检测率均维持在较高水平;Ⅱ型以革兰阴性菌厌氧菌或微需氧菌为主,多由拟杆菌门、变形菌门、梭菌门组成,主要为韦荣球菌属、普氏菌属、嗜血杆菌属等,常分布于食管炎和 Barrett 食管(BE)患者的食管中。Yang 等对菌群进一步分析发现革兰染色阴性细菌在这两种类型菌群中分别占比 14.9% 和占 53.4%[17]。由此可见,上消化道微生态菌群可能参与了食管疾病的发生发展。

2   食管癌微生态概述

在食道炎、BE、食管癌、胃炎、胃癌、结直肠癌[18]、消化性溃疡、小肠细菌过度生长、肠易激综合征和乳糜泻等消化道疾病的发生发展中,消化道微生态起到了重要作用[19]。人类胃肠道微生物组与癌症关系的最新研究也报道了消化道微生态改变与消化道肿瘤存在一定关系[1920]。食管癌的发生是一个渐进过程,正常黏膜的癌变过程涉及多种危险因素的共同作用,其中上消化道微生态发挥了重要作用,包括微生物菌群的失衡、致病菌的感染及其代谢产物破坏食管黏膜屏障、促进毒素吸收、活化炎性通路和癌症信号传导途径、诱导免疫失调和干扰抗癌剂药效学等最终推动食管癌的发生发展;反过来,肿瘤病灶微环境发生改变,又引起细菌的聚集和定植,特别是肿瘤缺氧环境为厌氧菌创造了良好的生长条件,同时,存在于肿瘤组织的异常血管和组织间隙高压限制了有效免疫成分(粒细胞、抗体、血清补体等)随血流进入癌组织并保护细菌躲避机体的免疫杀伤[21],进一步促进了肿瘤的发展。这恰好解释了与正常食管相比食管癌患者食管黏膜 II 类微生物菌群(厌氧菌为主)占比显著增加的现象。上消化道微生物菌群与肿瘤微环境的相互作用,促进了食管癌的发生发展。目前大部分关于食管癌微生态的研究均初步显示这一共同点:食管癌患者食管黏膜菌群较正常食管黏膜菌群的多样性降低,主要表现为微生物菌群间种类的减少和菌群内菌株多样性的减少,微生物优势菌群由 I 型转变为 II 型。不同食管癌组织学分型其食管微生态有所不同。根据组织学分型,食管癌主要分为食管鳞状细胞癌(ESCC)和食管腺癌(EAC)。

3   上消化道微生态与食管鳞癌

尽管 ESCC 发病机制很大程度上仍然未知,关于食管鳞癌及其癌前病变的微生态研究也较少,但不少学者试图从食管鳞状细胞不典型增生(ESD)这一癌前病变的微生态改变及 ESCC 的高危因素入手,探索 ESCC 的微生态变化。Yu 等[22]的研究显示食管菌群丰度低的个体更容易发生 ESD,这与中国医学科学院肿瘤医院与美国 NCI 合作开展的一项食管癌前瞻性队列研究结果相符。有文献报道,饮酒[23]、吸烟[24]、喜烫食、口腔和胃部微生态的影响等众多危险因素改变了食管微生态环境,进而不同程度促进了 ESCC 的发生和进展。主要研究表现在:

(1)一项研究在烟草样品中检测到不动杆菌、芽孢杆菌、克雷伯氏菌、铜绿假单胞菌、弯曲杆菌、肠球菌、变形杆菌和葡萄球菌等,由此提示:烟草本身可能作为各种潜在致病微生物的直接来源[25]。同时,烟雾也改变了食管微生态环境,吸烟者食管黏膜较不吸烟者食管粘膜中主要优势菌丰度降低,即:厚壁菌门与拟杆菌门丰度降低,而放线菌门有所增加。这一致癌机制可能是:低浓度香烟提取物(CSE)通过抑制 miR-101-3p,阻断了环氧合酶-2(COX-2)mRNA 的表达通路的抑制,从而介导 COX-2 的表达上调,依赖于 COX-2 活性的 CSE 诱导癌细胞增殖,促进 ESCC 的发生。Gong 等进一步指出 miR-101-3p 可能是吸烟相关 ESCC 的潜在生物标志和治疗靶点[26]。另外,Morris 等[24]的研究表明烟草会改变了口咽微生态环境,促进了牙周病的发生,这些致病微生物可将乙醇转化为具有致癌作用的乙醛[23]。牙周病增加 ESCC 风险也得到了 Sato 等[2729]的证实。

(2)食管微生态与口腔微生态相互影响且密切相关,通过吞咽迁移至食管的细菌促进了食管疾病的发生[30]。Narikiyo 等[31]比较了食管癌组织以及癌旁正常组织与正常唾液中与牙周病相关的口腔细菌,发现这些细菌更富集于食管癌组织,尤其是与牙周病强烈相关的 Tannerella forsythia(T.forsythia)和牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis,P.gingivalis)检出率较高[28]。此外,不少研究[3134]表明,口腔卫生不良与 ESCC 直接相关并增加了 ESCC 的患病率。牙齿脱落可增加 ESCC 的发病风险[333536],刷牙次数与患 ESCC 风险呈负相关[1627],未经牙齿充分咀嚼的食物残渣对食管黏膜产生慢性损伤性刺激[333536],刷牙次数的不足使食物残渣停驻口腔、细菌滋生,迁移至食管,导致食管微生态环境发生改变。

(3)微生态失调可能涉及 ESD-ESCC 的进展[1],一项病例对照研究[37]首次报道了 ESD 和 ESCC 患者较正常对照组胃体微生物群中厚壁菌门的丹毒丝菌目、胃梭菌目菌群显著富集[3738],McColl 等[39]也认为慢性萎缩性胃炎导致胃黏膜微生态环境更易于产生亚硝基细菌的生长,促进 ESCC 的发生,但这种具体机制及致癌过程还需在分子水平进一步探讨。

口腔鳞状细胞癌与 ESCC 的组织学相似,被证实作为牙周病的特定病原菌且参与口腔鳞状细胞癌的发生,T.forsythia 和 P.gingivalis 这两种革兰氏阴性菌需要我们重点关注。Gao 等[40]的研究显示 P.gingivalis 可选择性感染 ESCC 受试者的癌组织和邻近食管粘膜,但不能感染正常食管粘膜,且 P.gingivalis 的存在与 ESCC 淋巴结转移和低生存率呈正相关[140]。最新的研究表明这两种细菌在 ESCC 发病机制中起到重要作用,主要参与 ESCC 进展的癌症信号通路。其中,P.gingivalis 可产生 gingipain 蛋白酶和基质金属蛋白酶(MMPs),降解细胞外基质蛋白,破坏免疫球蛋白和补体系统(C3、C5)[41];T.forsythia 通过 CD4+T 辅助细胞和 TNF-α 诱导促炎细胞因子(如 IL-1β 和 IL-6),激活 COX-2 的过表达,进而抑制程序性凋亡,致使肿瘤细胞不发生凋亡而继续分裂,并形成转移[42]。P.gingivalis 和 T.forsythia 的促炎作用具有累加效应[43],可通过影响 E2 前列腺素途径和 Notch 途径的调节,增加癌症干细胞及其肿瘤血管的形成,进而分化、发展为 ESCC[4044]。值得注意的是,能否将 P.gingivalis 和 T.forsythia 作为 ESCC 早期筛查、诊断及预后转归的生物标志物,尚需充分深入的研究。

4   上消化道微生态与食管腺癌

如同结肠癌的发病模式一样,EAC 的发生正被确立为:GER-反流性食管病(GRED)或食管炎-BE-异性增生-EAC 多步骤癌症模型[1]。其中,GRE 和 BE 已明确为 EAC 的癌前病变[1]。正常食管黏膜组织被覆鳞状上皮,由于食管下段与胃的解剖毗邻关系,胃部内容物反流进入食管,长期持续存在的胃酸刺激促使肠柱状化生上皮取代远端食管的复层鳞状上皮,进而发生 EAC。因此,我们在探讨 EAC 微生态改变时主要从其癌前病变—GERD 与 BE 入手。多数研究表明 GERD 与 BE 相关的生态失调的总体特征是食管微生物菌群的总体多样性减少,以厚壁菌门链球菌属为代表的革兰阳性菌减少,以拟杆菌门普氏菌属和梭菌门梭菌属为代表的革兰阴性菌增加,从 I 型转变为 II 型微生物群[7164547]。Yang 等的研究也表明 BE 和 GRED 对革兰氏阴性厌氧菌或微需氧菌(如普氏菌,韦氏菌,嗜血杆菌,奈瑟菌和罗氏菌)有更高的感染率[17],从而促进了 EAC 的发生,其机制可能是受反流影响的食管黏膜微环境发生了改变,更易耐受胃酸和胆汁的革兰阴性菌逐渐代替革兰阳性菌而成为优势菌群。革兰阴性菌引起 GERD 与 BE 微生态改变的机制主要与其外膜结构表面脂多糖(LPS)介导的细胞炎症反应和免疫应答有关,LPS 通过激活 Toll 样受体 4(TLR4)、诱导产生 IL-1β 和肿瘤坏 TNF-α 分别以直接和间接的方式激活 NF-κB 炎症反应通路[5454850],引起机体强烈的炎症反应,导致食管黏膜微生态失调-炎症反应-微生态失调的恶性循环[745485153],NF-κB 在炎症相关癌症中起肿瘤启动子的作用[54]。此外,LPS 还可以使诱导型氧化氮合酶(iNOS)和 COX-2 表达上调,分别引起食管下段括约肌松弛和延缓胃排空[7464851],加速了 GRED 及 BE 的发生。其中一种革兰氏阴性菌—核酸杆菌与 23% 食管癌的发生及其较低的总生存率相关,可作为食管癌不良转归的微生物预后因子,且已证实其与牙周病也高度相关[55]。核酸杆菌可以黏附并侵袭食管上皮,与上皮钙粘蛋白结合激活 β-连环蛋白、诱导分泌细胞因子激活 TLR4、NF-κB 炎性通路,引起局部炎症[56];同时通过抑制 T 细胞的免疫抑制,使肿瘤细胞逃脱免疫杀伤[55]。这些革兰氏阴性微生物群在食管上皮异型增生及推动 EAC 的发生中起到了重要作用。

在 EAC 癌前病变菌群丰度增加的 II 型菌群中,较为引起关注的是弯曲杆菌。Blackett 采用培养与非培养法结合的方式在研究 EAC 发生的级联过程中,发现弯曲杆菌(主要是 C. concisus)在 II 型菌群中持续性富集[20535758],其丰度在 GRED 及 BE 中显著增加,但在 EAC 中降低,这与幽门螺旋杆菌在胃癌中的变化趋势是一致的[53]。Kaakoush 进一步研究显示 C. concisus 可以在口腔内定植,被认为是一种潜在的人类病原体,除了共生菌株外,还鉴定出多种致病型[5960],在 GRED 及 BE 炎症反应及食管微生态失调下,强致病性 C.concisus 在食管长期定植,诱导可致癌炎性因子的表达,引起炎症反应及加速化生的进展,促进 EAC 的发生[5859]。其中,较为关键的致癌炎性因子为 IL-18[5758],被证实在胃肠道恶性肿瘤的肿瘤增殖中起重要作用[56]。同时,Kaakoush 指出,C.concisus 是微生态改变引起 EAC 发生的始动因素,这为其他菌群在肿瘤微环境中竞争为优势菌群并参与疾病进展提供了有利环境[5960],这同样用于解释在胃癌中幽门螺杆菌丰度反而较低这一类似变化趋势[59]。值得注意的是,能否将 C.concisus 作为 EAC 的特征性菌群,探讨其致癌机理,实现 EAC 的早期预防及延缓进程尚需进一步研究。

Gall 等[61]在一项 BE 队列研究中进一步证实 BE 的菌群以链球菌和普氏菌为主,且二者构成比与腰臀比和食管裂孔疝长度呈正相关,这正是 EAC 的两个危险因素,这为我们探索 EAC 病因提供了研究方向,但其临床价值仍需更多深入的研究加以验证。肥胖也是 EAC 的主要危险因素之一[62],与肥胖相关的消化道菌群通过促炎细胞因子、脂肪因子和胰岛素抵抗等影响消化道的代谢,进而影响它们在调节细胞增殖、凋亡和细胞生长方面的独特作用[63],然而,对其在食管癌发生中的作用迄今尚未有充分了解。

幽门螺杆菌(H.pylori)是胃癌的公认危险因素,显著提升了胃癌易感性,并被国际癌症研究机构列为 I 类致癌因子。一项描述性案例系列研究指出,ESCC 发病率在是否感染幽门螺杆菌的患者中无显著差异,表明 H.pylori 并未增加 ESCC 的发病风险[6466],但 H.pylori 对 EAC 起致病还是保护作用仍存在争议。流行病学指出,感染 H.pylori 患 EAC 发生率较非感染者降低约 40%[6768]。有学者[6773]认为 H.pylori 的感染对于 GRED、BE 的发病起到保护作用,减少了 EAC 及其癌前病变的发生率,并得到一项病例对照研究的支持[72]。这可能解释为:H.pylori 感染后引起致炎性因子 IL-8、IL-1β、TNF-α 升高[74],介导胃黏膜损伤,破坏胃泌酸细胞,胃酸产生水平降低,酸相关食管损伤减少[73],进而降低了 GRED、BE 的发生;另外,感染 H.pylori 后影响尤其是下端食管及胃黏膜微生态环境,进而影响其他微生物的组成[7576],同时胃黏膜产生的对 H.pylori 的免疫应答对其他食管致病菌产生了交叉免疫。另一方面,感染 H.pylori 后,引起炎症反应,释放 IL-18 等炎性因子,上调 COX-2 的表达,诱导食管炎、食管胃型化生、肠上皮化生,增加 BE 的发生率,促进了肿瘤的形成[7778]。因此 Herrera-Goepfert 等指出在 GERD 患者中根除 H.pylori 可早期阻止 BE 及其相关腺癌的发生[79]。然而,H.pylori 与 EAC 的关系仍需进一步明确。

5   食管癌手术与上消化道微生态

现阶段食管癌的治疗仍是以外科手术为主的综合治疗,关于食管癌手术对上消化道微生态影响的研究较少。Narikiyo 等[31]研究 20 例接受食管癌手术患者正常和癌性食管组织的微生物群,显示两者密螺旋体和链球菌均为优势菌群,包括 S.mitis 和 S.anginosus。不同国家地区的样本中均可检测到。鉴于其促炎潜力,Narikiyo 指出这几种菌群在食管癌的致癌进程中可能发挥作用[31]。研究食管癌术后微生态的变化对于指导临床治疗食管癌的潜在价值仍需更大样本的深入探索。

6   药物与上消化道微生态及食管癌

鉴于上消化道微生态失调与食管癌的发生密切相关,所有影响上消化道微生态的因素都需要研究者的关注,包括抗生素、质子泵抑制剂(PPI)等。已有研究显示抗生素的应用可以改变上消化道微生物群多样性并与癌症风险增加有关[80]。一项队列研究显示青霉素的暴露与消化道癌症(包括食管癌)风险增加之间存在剂量依赖关系[81],对于单个疗程青霉素使用者,患食管癌的风险校正 OR 为 1.1(95% CI 1.0-1.2),而对于>5 个疗程的青霉素使用者,患食管癌的风险校正 OR 为 1.2(95% CI 1.0-1.4)[81]。这可能是由于应用青霉素治疗后,链球菌等保护性细菌减少。这初步证明了抗生素的应用可能通过改变上消化道微生物群,诱导食管癌的发生。但仍需要后续研究进一步了解微生物群的食管屏障、致炎致癌机制及抗生素对其影响机制。另外,已知 PPIs 对胃肠道微生物群的影响很有意义,且有研究显示 PPI 治疗前后食管微生物群发生显著变化,开始 PPI 治疗后,Comomonadaceae 减少,梭菌和放线菌增加,停止 PPIs 治疗后,乳杆菌和乳酸杆菌丰富度降低[82]。然而,PPI 介导上消化道微生物群的变化及其之间是否有特定关系、是否参与食管癌的发生[83],还是 PPI 自身的致癌作用[84],仍然未知。值得一提的是,目前对上消化道微生态的研究绝大多数局限于细菌层面[85],对于真菌、支原体、病毒等微生物在食管正常和疾病状态下的功能研究及致病机制方面了解甚少,未来理解全面的上消化道微生态特征,需要将其囊括其中。

7   展望

上消化道微生态与食管癌的发生发展密切相关,然而其特定致病菌及其具体机制尚未清晰揭示。在未来的研究中,可改进或替代现行的内窥镜食管取样方法,应用宏基因组学、代谢组学和生物信息学分析技术,揭示上消化道微生态特征、微生态-宿主间的相互作用及抗生素、PPI 的应用、食管癌综合治疗对其微生态的影响,探求食管癌相关致病病原体及其致病机制、可能存在的微生物标记,进而进行微生物靶向治疗,最终开启食管癌早期筛查、早期诊疗的微生态时代。

展开阅读全文
我还没有学会写个人说明!
上一篇

先天性胸廓畸形的遗传病因学研究进展

下一篇

同期手术切除肺多发磨玻璃影的临床分析

你也可能喜欢

发表评论

插入图片
返回顶部

微信扫一扫

微信扫一扫