膳食乳化剂对结直肠癌影响的研究进展

王晨曦王秀宏

(哈尔滨医科大学,哈尔滨 150081)

结直肠癌(colorectal cancer,CRC)在全球是位于第三位最常见的恶性肿瘤和第二位致死性癌症,但发病率的原因尚不完全明确[1]。 在影响CRC 的危险因素中,饮食是一个可改变的危险因素[2]。 随着加工食品的出现,人们接触到越来越多的食品添加剂,虽然可以通过选择食物来限制某些食品添加剂的食用,但完全避免摄入食品添加剂可能做不到[3]。 最近有研究表明,食品添加剂中的膳食乳化剂羧甲基纤维素钠(carboxymethylcellulose,CMC)和聚山梨酯80(polysorbate 80,P80)可能促进CRC 的发生发展[4-5]。 在一项动物实验中,CMC 和P80 被报道能影响小鼠肠道菌群,改变肠道菌群代谢产物,促进结肠炎症[6]。 同时,越来越多的证据表明,肠道菌群与CRC 的发生发展密切相关[7]。 而且持续的慢性炎症[8]和一些肠道菌群代谢产物的改变[9-10]是CRC 发生发展的重要危险因素。 故本综述根据现有的研究,将从这些方面去探讨CMC 和P80 可能对CRC 发生发展的影响。

1 肠道菌群失调与CRC 发生发展的相关性

肠道菌群失调与人类多种疾病有关,比如炎性肠病、癌症等。 CRC 患者的粪便经灌胃给予无菌小鼠、Apcmin/+小鼠和偶氮甲烷诱导的小鼠,发现CRC患者的肠道菌群能促进肿瘤的发生[11-12],这表明与CRC 有关的肠道菌群在其中发挥了作用。 在过去的十几年里,几种细菌因其与CRC 发生的关系和潜在作用而受到关注,如大肠杆菌、产毒素的脆弱拟杆菌、具核梭杆菌等[13]。 此外,在一项涉及中国和丹麦CRC 患者的宏基因组关联研究中,发现了两个与CRC 相关的新物种,即Parvimonasmicra和Solobacteriummoorei[14],而且Parvimonasmicra检测CRC 的特异性达到了 87.3%[15],Solobacterium moorei从致癌的早期到晚期阶段的丰度显示出逐渐增加[7]。 而且对526 份粪便宏基因组分析确定了7种CRC 的富集细菌,这些富集的细菌与CRC 中减少的有益细菌呈负相关关系[16]。

有研究显示,食品中的P80 会影响肠道菌群组成[17]。 而且利用人体肠道菌群生态系统的粘膜模拟器(M-SHIME)模型显示,P80 和CMC 都直接改变了肠道菌群组成[18]。 在吲哚美辛诱导的小鼠模型中,P80 的添加会导致小鼠小肠菌群组成发生变化,其中产生硫化物的肠杆菌增加以及奇异变形杆菌的“变群”行为增强[19],而结肠肿瘤的形成与奇异变形杆菌的存在相关[20]。 在野生型小鼠中,P80会导致空肠弯曲菌、梭菌属等增加[21]。 最近的研究发现,空肠弯曲菌能通过基因毒素CDT 的作用促进CRC 的发生[22],而且粪便中的共生梭菌可能作为一种用于CRC 早期检测的生物标志物[23]。 此外,用CMC 和P80 喂养野生型小鼠、IL-10-/-小鼠及TLR5-/-小鼠12 周,发现CMC 和P80 都极大地改变了这3 种模型中小鼠粪便和粘膜粘附的菌群组成。而在IL-10-/-小鼠中,CMC 和P80 均引起α-多样性降低和稳定性降低,疣微菌门中的Akkermansia muciniphilia和与粘膜相关的具有促炎性的变形菌门增加[6]。 值得注意的是,用CMC 和P80 喂养野生型小鼠9 周后,就导致了肠道菌群多样性显著降低,拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门发生显著变化[5]。 而拟杆菌门与肿瘤易感性和促进作用密切相关[24]。 此外,有研究显示,厚壁菌门中的厌氧消化链球菌能增加活性氧的水平[25]、影响肿瘤微环境及激活PI3K-Akt-NF-κB 信号通路[26],从而促进细胞增殖。 厚壁菌门中的解没食子酸链球菌通过激活Wnt/β-catenin 信号进而促进细胞增殖[27-28],而且还通过招募肿瘤浸润免疫细胞,形成免疫抑制微环境,有利于CRC 的肿瘤生长[29]。

虽然有些与CRC 有关的肠道菌群改变与CRC的发生发展机制尚不明确,但现有的研究提示我们肠道菌群的变化与CRC 密切相关,一些特殊肠菌的富集和肠道益生菌的减少可能会促进CRC 的发生发展。 因此,随着研究的进展,在CRC 中富集的特殊肠菌阐明,它们可能成为该病早期诊断的重要标志。

2 肠道菌群代谢产物对CRC 发生发展的影响

肠道菌群参与代谢过程,其种类和比例决定了宿主的能量平衡。 维持肠道平衡是维持宿主正常健康,预防多种疾病的必要条件[30]。 当肠道菌群失调时,其产生代谢产物的水平也会发生相应变化,对机体产生影响。 在野生型小鼠中,CMC 和P80 显著降低了短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)中丁酸盐的产生量及改变了胆汁酸的水平,但在无菌小鼠中未发生变化[6],表明肠道菌群参与其中。 而且用P80 喂养的小鼠,其粪便中的乙酸盐、丙酸盐等水平也降低[21]。 这些结果表明,膳食乳化剂CMC 和P80 影响了肠道菌群代谢产物的水平。

2.1 SCFAs 对CRC 发生发展的影响

食物消化吸收后产生的食物残渣经结肠时,它们被肠道菌群分解,产生SCFAs,其中丁酸盐是肠道菌群和肠上皮细胞的主要能量来源,其可以发挥抗肿瘤特性,对结肠的健康发挥重要作用[31]。 但在CRC 患者血浆中SCFAs 含量明显降低,说明降低SCFAs 可能促进CRC 的进展[32],而且在CRC 患者中已观察到产生丁酸盐的细菌显著减少。 对于产丁酸的丁酸梭菌,其能抑制肠道肿瘤的发生[33]。 在免疫方面,SCFAs 诱导CD4+T 细胞和先天性淋巴样细胞产生IL-22,从而保护肠道免受炎症的影响以维持肠道稳态[34]。 SCFAs 可通过抑制IL-6、TNF-α 和IL-17 等细胞因子的表达,改善结肠炎症,显著降低了肿瘤的发生率和大小,对CRC 具有保护作用[35]。总的来说,SCFAs 发挥着有益的作用,但当SCFAs含量减少时,对结肠的保护作用减弱,可能会增加CRC 的风险。

2.2 胆汁酸对CRC 发生发展的影响

最近有研究表明,肠道菌群失调可能改变胆汁酸的代谢,促进结肠炎相关的结直肠癌(colitisassociated colorectal cancer,CAC) 的发生[36]。 在Apcmin/+小鼠模型中,脱氧胆酸(deoxycholic acid,DCA)破坏了肠道屏障,诱导肠道低度炎症,促进M2型巨噬细胞的极化,从而促进肠道肿瘤的发生[37-38]。 而且将DCA 处理的小鼠粪便转移到Apcmin/+小鼠中,同样出现了上述情况,还激活了肿瘤相关的Wnt/β-catenin 信号通路[38],说明DCA 诱导肠道菌群的改变促进了肠道癌变。 在CAC 小鼠模型中,胆酸促进肿瘤的发生[39]。 而在Apcmin/+小鼠模型中,当使用抗生素耗尽肠道菌群时,会减弱胆酸导致的肠道致癌作用[40],表明肠道菌群在该过程中起主导作用。 从机制上,胆汁酸在相关核受体的作用下,与肠道菌群相互作用,可能通过扰乱细胞增殖/凋亡信号、促进炎症、导致DNA 损伤等促进CRC 的发生发展[9]。 以上研究说明,胆汁酸可能促进肠道肿瘤的发生发展,这其中会与肠道菌群相互作用。 而由CMC 和P80 引起胆汁酸水平的变化,可能会增加CRC 的风险。

3 CMC 和P80 促进炎症发生进而促进CRC 的发生

3.1 CMC 和P80 破坏肠道屏障从而增加细菌侵袭

肠道菌群和人体肠道被一道物理屏障隔开。物理屏障是由一层肠上皮细胞和一层黏液层构成,肠上皮细胞通过紧密连接、粘连连接和桥粒紧密排列在单层中[41]。 肠腔外面有一层由杯状细胞分泌的黏液所包裹,分为内外两层。 外层黏液层可以建立起排除病原体的生物膜,内层黏液层含有一些细胞所分泌的抗菌物质,抵制病原菌[42]。 黏液层是抵御微生物的第一道防线,保护人类肠道免受微生物和炎症的侵袭[43-44]。 用CMC 和P80 处理野生型小鼠和IL-10-/-小鼠,黏液层厚度降低到一定程度,以至于某些细菌入侵肠上皮,而细菌和肠上皮细胞之间的距离比正常饮水组缩短了50%以上,但在无菌小鼠中,CMC 和P80 引起的黏液变薄并没有发生[6]。 这表明CMC 和P80 对黏液厚度的影响是由肠道菌群所驱动的。 最新的动物实验研究表明,母体摄入P80 后,黏液蛋白2 的表达水平下降,紧密连接蛋白中的闭合蛋白3 和闭合小环蛋白1 表达下降[45],这表明母体摄入P80 后,破坏了子代小鼠肠道屏障。

使用多粒子跟踪技术对黏液中的荧光纳米颗粒和大肠杆菌进行跟踪,结果显示,当用CMC 处理时,黏液孔径减小,导致大肠杆菌和颗粒通过黏液的扩散速度显著减慢。 而接触P80 时,最低限度地影响了黏液的微观结构和颗粒扩散,但增加了黏液中大肠杆菌的运动速度[46]。 此外,相对于正常饮水组,浓度为0.1%的P80 导致大肠杆菌跨M 细胞的转运能力提高了59 倍,而P80 的浓度与大肠杆菌跨M 细胞的转运能力之间存在着剂量依赖性关系[47]。值得注意的是,CMC 也会作为一种纤维加入到商业食品中,经常食用膳食纤维有助于防止肠道菌群对肠道黏液屏障的侵蚀,减少病原体感染,降低结肠炎的发病率[48]。 但克罗恩病患者会增加CMC 的摄入量而限制其他膳食纤维的摄入量,这可能会加剧现有的肠道生态失调,使其向更多黏液蛋白降解的方向发展,从而提高对黏液相关病原体的敏感性[49]。

最近的研究显示,CMC 和P80 可提高粘附性侵袭性大肠杆菌(AIEC)的活性以及粘附肠上皮细胞的能力[4]。 而且野生型小鼠和IL-10-/-小鼠在摄入CMC 或P80 后,血清中鞭毛蛋白和脂多糖的表达量增加,这表明肠道通透性增加以及有相关的微生物易位[5-6,21]。 值得注意的是,在CRC 人群中,脂多糖的循环水平显著升高[50]。 在人体内,血清抗鞭毛蛋白和抗脂多糖抗体浓度与CRC 风险呈正相关[51]。

综上,CMC 和P80 会破坏肠道屏障,导致肠道通透性和细菌易位的变化,这可能会影响微生物群与肠上皮之间的相互作用,促进炎症的发生。 而与细菌/细菌产物的直接接触会导致固有层中TLR4/MyD88 信号传导途径通过与肠道细菌衍生的脂多糖相互作用,进而激活免疫细胞,导致促炎性介质的分泌,从而使局部炎症长期存在[36]。

3.2 CMC 和P80 促进炎症的发生

用CMC 和P80 喂养野生型小鼠,小鼠粪便和血清中的脂质运载蛋白2 水平增加,表现出肠道炎症[6,21]。 而在IL-10-/-小鼠中,炎症更加严重(结肠长度进一步缩短,组织学评分进一步增加及粪便中脂质运载蛋白2 表达升高),这其中伴随着肠道菌群的变化[6]。 用CMC 和P80 处理后的M-SHIME悬浮液灌胃无菌小鼠时,促进了低度炎症相关表型[18],这表明由CMC 和P80 引起的肠道菌群变化促进了低度炎症反应。 在IL-10-/-小鼠模型中,用CMC 处理后,发现白细胞向肠腔内迁移,表现出炎症,并伴随着肠道菌群的变化,这些变化与克罗恩病患者中观察到的变化相似[52]。 最新的动物实验研究表明,母体摄入P80 后,可促进子代小鼠肠道低度炎症反应,这是由肠道菌群所介导的。 而且还加重了子代小鼠成年后葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎症[45]。 根据最近的研究发现,炎症性肠病患者中CRC 的发展风险是时间依赖性的,10 年增加2%,20年增加8%,30 年增加18%[53]。

此外,CMC 和P80 显著增加了趋化因子配体1的表达,说明CMC 和P80 促进了肠道低度炎症的发展。 而在CAC 小鼠模型中,炎症因子和趋化因子的水平进一步增加,炎症更加严重,同时促进了肿瘤的发生发展[5]。 即使只单独使用偶氮甲烷诱导的小鼠模型,CMC 和P80 也能够导致肠道炎症,而CMC 导致的肠道炎症足以诱导动物癌变[5]。 最新的研究显示,在AIEC 定植的相关小鼠模型中,CMC和P80 能改变肠道菌群,直接诱导细菌毒力基因的表达来介导炎症反应,促进CRC 的发生发展[4]。 而且在一项跟踪调查的研究结果显示,在20 年的随访中,饮食中含有最促炎性食物的25%个体与饮食中含最少炎性食物的25%个体相比,患CRC 的可能性要高21%[54]。

2014 年,McAllister 等[55]得出结论,与肿瘤相关性炎症是肿瘤的第七个标志。 临床和流行病学证据也表明,慢性炎症是几个胃肠道恶性肿瘤(CRC、胃癌、食管癌等)的主要危险因素[56]。 此外,动物和人类研究发现促癌性肠道菌群可能通过多种潜在机制(包括诱导炎症反应)促进CRC 的发展[57]。 有研究显示,在慢性肠道炎症状态下,肠道菌群改变可促进肝癌进展[58]。 根据以上相关研究,本综述推测由CMC 和P80 导致的肠道炎症和肠道菌群的紊乱可能会促进CRC 的发生发展。

3.3 CMC 和P80 改变肠上皮细胞增殖/凋亡水平

在野生型小鼠中, CMC 和P80 摄入后,CyclinD1、CyclinD2 和Ki67 编码基因的表达显著失调,而在CAC 小鼠模型中,这些基因的表达进一步失调。 但在无菌小鼠中,这些基因的表达都未改变[5]。 值得注意的是,将小鼠(用CMC 和P80 喂养12 周的野生型小鼠)的粪便悬液经灌胃给予正常的无菌小鼠,发现CyclinD1 和CyclinD2 编码基因的表达发生改变[5]。 这表明CMC 和P80 诱导的肠道菌群组成改变在促进癌变中起着中心和直接的作用。以上这些结果表明,CMC 和P80 以微生物依赖的方式改变肠上皮细胞的增殖/凋亡水平,进而促进CRC 的发生发展。

根据最近的研究显示,在CAC 小鼠模型中,CMC 和P80 的摄入会增加肿瘤的大小和数量,促进CRC 的发展。 同时,在野生型小鼠中,CMC 和P80摄入后会增加Ki67 和TUNEL 阳性细胞的数量。 而在CAC 小鼠模型中,CMC 和P80 会进一步显著增加这两种阳性细胞的数量[5]。 这表明在炎症状态下,CMC 和P80 的摄入更易扰乱肠上皮细胞的增殖/凋亡平衡,从而增加细胞的更新,为肿瘤的发生创造一个合适的环境。

维持慢性增殖的能力是癌细胞最基本的特性之一,某些抗癌药物(如洛铂)可能是通过抑制细胞增殖以及诱导细胞凋亡而作为一种抗结肠癌的药物[59]。 而CMC 和P80 促进肠上皮细胞增殖,扰乱了肠上皮细胞增殖/凋亡水平,可能对CRC 的发生发展有一定影响。

4 小结与展望

本课题组前期研究表明,食品添加剂中的三氯蔗糖会导致肠道菌群失调和肠道屏障受损,并加剧肠道炎症以及促进结肠肿瘤的发生[60]。 结合以上研究,本综述推测膳食乳化剂CMC 和P80 可能通过导致肠道菌群失调,改变肠道菌群代谢产物水平或通过破坏肠道屏障,增加细菌入侵,从而导致肠道炎症和/或改变肠上皮细胞增殖/凋亡水平,促进CRC 的发生发展。 但CMC 和P80 驱动肠道炎症和CRC 的关键细菌种类尚不明确以及改变肠道菌群导致炎症和CRC 的确切机制也尚不清楚,这都值得进一步深入探索。 我们或许可以通过宏基因组分析和粪菌移植的方法来寻找CMC 和P80 影响CRC的关键细菌,从该细菌的特点出发去研究其促进CRC 发生发展的机制等。 此外,我们平时需要注意健康饮食,营造一个良好的肠道环境以减少肠道相关疾病的发生,期望将来可能通过饮食指导以达到预防CRC 的发生或降低CRC 的发病率。