结直肠癌围手术期治疗对肠道菌群影响的研究进展

吴益宾

无锡市人民医院腔镜外科，江苏无锡214000

摘要：结直肠癌是常见的癌症之一，约占 全球所有新发癌症病例的10%。附着于肠道上皮的肠道菌群与宿主细胞相互作用，能调 节人体诸多生理过程。现有研究已揭示了结直肠癌患者的肠道菌群组分变化，并在 动物模型中的功能研究已确定肠道菌群在大肠癌发生中的作用。根治性手术是外科治疗结直肠癌的基础，然而 在结直肠癌治疗围手术期的术前肠道准备、抗生素及抑酸剂的应用、化/放疗等辅助治疗及结直肠癌手术本身和手术带来的应激反应等影响下，患者 的肠道菌群结构将发生变化，进而 影响结直肠癌患者术后并发症及长期肿瘤学结果。

关键词：结直肠癌；肠道菌群；结直肠癌手术；围手术期管理；预后

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2022.10.023

中图分类号：R735文献标志码：A文章编号：1002-266X（2022）10-0093-05

结直肠癌（CRC）是常见的癌症之一，在全球范围内，CRC 在2020 年发病率在所有癌症中排名第三（新发病例超过190万），死亡率排名第二（死亡人数超过93 万）［1］。结直肠癌的形成受遗传和环境因素综合影响。在众多环境因素当中，肠菌群对胃肠道生理功能起到重要作用，如能量采集和免疫成熟［2］，肠道菌群结构及丰度的变化可以改变肠道生态平衡，导致肠内和肠外疾病。肠道菌群的早期定植可以极大程度促进免疫系统的发育，能在生命早期调节先天免疫系统，并在很大程度上塑造适应性免疫系统［3］。在健康成人中，每个人独特的肠道菌群随着时间的推移相对稳定，但随着环境、发育和病理变化的产生，肠道菌群组分会出现波动［4］。结直肠癌患者肠道菌群存在明显生态失调，并且结直肠癌患者在围手术期接受的各种治疗方式均会引起肠道菌群的变化，而肠道菌群紊乱会造成包括增加肠道炎症反应及有害代谢产物等一系列不良反应。虽然结直肠癌手术治疗短期并发症和长期肿瘤学的预后因素已被广泛研究。然而，在近年来实验中，肠道菌群逐渐成为影响结直肠癌发生发展的关键因素，其对于结直肠癌手术预后效果的潜在作用引起关注。在根本的根治性手术切除过程中，完整的术前肠道准备、抗生素应用、禁食及放化疗等治疗措施是结直肠癌治疗的关键。如肠道菌群对化疗耐药性的相互作用会明显影响患者的生存预期，明确其中的机制并加以临床应用特别重要［5］。现就结直肠癌围手术期治疗对肠道菌群影响的研究进展综述如下。

1 肠道菌群在结直肠癌发生发展中的作用

结直肠癌的发生是一个复杂过程，受遗传和环境因素综合影响，具有不同的病原学机制。包括炎症、免疫调节、饮食成分的代谢和基因毒素产物，与肠道微生物菌群密切相关［6］。

肠道菌群介导的以慢性炎症为主的免疫反应是结直肠癌公认的危险因素和标志。由于结肠黏膜持续暴露在肠道菌群及其代谢产物的影响下，其对人体免疫系统的刺激有可能导致持续性炎症。研究表明［7］，在缺乏肠道微生物菌群或微生物产物的情况下，炎症不足以诱发结直肠癌。肠道微生物群与宿主免疫系统密切相互作用，可以影响胃肠道的炎症过程。同时胃肠道亦为肠道微生物群和宿主免疫系统之间的干扰提供了重要接口。实验证明，将结直肠癌患者的粪便灌胃给无菌和致癌物喂养的小鼠导致组织学炎症反应和炎症基因标志物的表达增加［8］，这是由于肠道菌群可诱导趋化因子募集T 细胞到肿瘤组织当中，进而导致结直肠癌的发生发展。新陈代谢是宿主和微生物相互作用的关键区域。肠道菌群可代谢诸多膳食营养素，包括不可消化的碳水化合物。

与肠道菌群有关的另一种致癌机制是产生具有DNA 损伤（遗传毒性）效应的毒素。如细胞致死膨胀毒素（CDT）是由肠道菌群产生的特征明确的基因毒素。CDT是由大肠杆菌和弯曲杆菌等肠道菌群产生的，并且通过其脱氧核糖核酸酶活性［9］诱导双链DNA 断裂而致癌。此外，脆弱芽孢杆菌毒素和粪肠球菌产生的过氧化物与体外DNA 损伤和基因组不稳定性有关。

2 结直肠癌围手术期治疗对肠道菌群变化的影响

2.1 术前机械肠道准备对肠道菌群变化的影响 术前机械肠道准备一直是结直肠手术的常规术前程序，因为其能简化手术操作难度、便于通过触诊发现小的结直肠肿瘤及减少手术操作过程当中腹腔感染的概率［10］。高通量测序（HTS）和变性梯度凝胶电泳（DGGE）研究显示，在术前机械准备之后，肠道菌群组成发生了非特异性的瞬时变化。

此外，术前机械肠道准备还会导致外黏液层的显著破坏，外黏液层作为肠道菌群主要定植部位，其被破坏会导致肠道菌群紊乱。术前肠道准备对肠道菌群的多样性和丰富度有较大影响。然而，由于肠道菌群的绝大部分为非致病性细菌，受机械肠道准备非特异性影响主要减少的是益生菌群，如双歧杆菌和乳杆菌，使由正常肠道菌群构成的生物屏障破坏，进而致病菌有机会迅速增殖，主要表现为类杆菌和变形杆菌的丰度增加，而乳杆菌科的数量减少。依据“特洛伊木马假说”：一些低丰度的病原体，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌或粪肠球菌，由巨噬细胞或中性粒细胞从肠道携带到远处的部位，如外科伤口［11］。其产生的原因可能是肠道菌群能通过募集T细胞来促进手术切口的愈合，而T细胞的募集是通过乳酸发酵刺激迷走神经后释放催产素来介导的。术前肠道准备、围手术期抗生素应用及手术应激等导致的肠道菌群紊乱可能会破坏这一机制，从而导致创面愈合不良、皮肤表面微生物（如金黄色葡萄球菌）的感染，以及随后的术后外科切口感染。

2.2 围手术期抗生素应用对肠道菌群变化的影响 抗生素的使用极大改善了结直肠手术的结果，特别是预防和控制可能的感染性并发症。预防性抗生素通常具有广谱活性而不具有选择性地针对特定病原体的能力，在围手术期应用中作用于肠道菌群时，会极大降低肠道菌群多样性［12］。如静脉使用抗生素，β-内酰胺类药物（氨苄西林、头孢唑林和舒巴坦）的使用在治疗早期会导致革兰阴性菌明显减少以及肠道菌群多样性崩溃，继续使用后会发生天然抗性菌株定植，并重新定植革兰阳性菌株。围手术期抗生素治疗，即使是短期的，也可能导致对肠道微生物区系有害的现象持续数月之久。抗生素的非特异性抗菌作用会导致肠道菌群失调，可能会使机会性致病菌的大量增殖，可能导致腹泻和结肠炎等不良反应。结直肠手术后并发肠道上皮损伤的抗生素治疗可能促进细菌移位，从而促进全身炎症和可能的脓毒症。

除了肠道菌群组成的改变外，在抗生素治疗过程当中，肠道菌群的整体能量代谢运输和代谢胆汁酸、胆固醇、激素等产物的能力均遭到破坏，从而影响宿主生理。正常肠道菌群能够通过天然免疫的受体，如Toll样受体（TLRs），通过识别肠道菌群的分子模式与肠上皮细胞相互作用，从而调节宿主反应。菌群代谢产物也有利于肠上皮修复，特别是丁酸盐等单链脂肪酸。丁酸盐作为膳食纤维的代谢产物，能调节肿瘤细胞的增殖，巩固肠道屏障，限制致病菌生长，抑制促炎细胞因子释放，有显著抗癌作用［13］。其他菌群来源的分子，如甲酰肽，与结肠细胞顶端表面的相关受体结合，即甲酰肽受体（FPR），能刺激活性氧（ROS）的产生和免疫细胞趋化。尤其是过氧化氢（H2O2）已被证明可促进吻合口愈合的各种现象，包括血管化、诱导上皮细胞增殖、黏附和迁移以及介导预防伤口感染的免疫刺激。抗生素影响下的肠道菌群和代谢物对于正确的创面修复具有重要作用，这将很大程度影响结直肠癌患者术后的创口愈合以及吻合口瘘的概率。

2.3 围手术期抑酸治疗应用对肠道菌群变化的影响 在围手术期进行抑酸治疗，如应用质子泵抑制剂、生长抑素及前列腺素E类似物，能抑制胃酸等消化液的分泌，稳定消化道内环境，抑制胃肠道及胆囊的活动。并且抑酸治疗被认为能通过各个途径减少结直肠癌手术的术后并发症，主要有抑制炎症反应、减少消化液分泌、减轻肠管和吻合口压力、稳定内环境及改善吻合口血供等。

质子泵抑制剂（PPI）作为最为常用的抑酸剂，与其最广泛联系的并发症即艰难梭菌感染风险增加，艰难梭菌感染会改变正常的结肠菌群并引起伪膜性结肠炎或非结肠炎腹泻。有研究证明，艰难梭菌感染是结直肠癌术后吻合口瘘的相关危险因素，在预防结直肠癌手术患者的吻合口瘘时应予以考虑［14］。在未免疫受损或严重虚弱的患者中，与抗生素联用的益生菌是针对艰难梭菌安全有效的预防措施。

有研究证明使用PPI 患者肠道内链球菌科和肠球菌科的丰度明显上升，而作为共生抗炎微生物的粪杆菌则明显减少。同时可能会增加多重耐药菌在肠道定植的风险，在抑酸治疗过程中肠杆菌目的多药耐药菌和耐万古霉素肠球菌在肠道定植的几率明显增加［15］，其原因有可能是PPI 抑制胃酸分泌，从而使消化系统中由上消化道到达肠道远端的细菌存活几率增高，继而改变肠道远端菌群结构，引起肠道菌群紊乱［16］。临床应用结果表明PPI 是通过降低肠道对机会致病菌的定制抵抗力以及肠道屏障的完整性来影响肠道菌群结构，这将极大程度影响结直肠癌患者的并发症的发生及术后恢复的效果［17］。

2.4 围手术期禁食对肠道菌群变化的影响 术前禁食可降低胃容积和酸性，从而降低全身麻醉过程中胃内容物误吸的风险，术后常规的临床饮食策略是在有明显的肠活动征象（如肠鸣音、排气、排便）后才恢复经口进食，故在结直肠癌围手术期常存在术前至术后的长时间禁食过程。在包括术前机械肠道准备、抗生素及抑酸剂的应用、结直肠癌手术压力及应激作用下，结直肠癌患者肠道菌群结构会产生极大变化，而饮食作为肠道菌群结构重塑的关键因素，决定了禁食时间长短将会影响结直肠癌患者术后肠道菌群的恢复速度［18］。麻醉药物的应用、术后长期禁食，可能会导致免疫系统功能下降以及肠道菌群结构变化，导致肠道内的致病菌无法被正常肠道菌群所平衡，进而产生更高的术后感染率，而术后早期给予肠内营养支持可减少感染性并发症的发病率。

2.5 围手术期放疗对肠道菌群变化的影响 在结直肠癌患者的治疗过程当中，放疗是不可或缺的治疗方式，如术前应用放化疗可有效减轻患者肿瘤负荷，给予患者更好的治疗体验如保肛手术的实施。然而在对肿瘤组织的破坏以外，放疗所具有的毒性对健康组织，特别是活跃增殖组织的损害，易导致造血系统综合征和胃肠道辐射损伤等作用［19］。肠道的急性变化是由辐射对快速增殖的上皮细胞的细胞毒性作用介导的，电离辐射激活凝血系统，导致溃疡，使下层组织暴露于肠道细菌，并增加炎症反应。在放射性直肠炎模型中，辐射通过增加变形杆菌的丰度和减少拟杆菌和厚壁菌的多样性，诱导受辐射小鼠黏膜微生物区系的局部生物失调。微生物群的这种变化与辐射后的组织损伤有关。这组微生物群诱导了炎性细胞因子的产生，如白细胞介素-1β 和TNF-α［20］。

此外有研究发现，放疗还是导致吻合口瘘发生率升高的独立因素：对于接受放疗的患者，放疗引起肠道菌群结构改变是术后吻合口瘘概率升高的重要因素，表现为放疗后治疗部位致病菌株的丰度增加，益生菌减少［21］。这是由于肠道菌群相关的Toll样受体激动剂和先天免疫系统信号通路可显著影响辐射暴露后的肠上皮细胞凋亡和存活，因此辐射后肠道菌群紊乱对于吻合口肠道组织的修复有不利影响。此外，由此产生的肠道黏膜炎症、血管损伤和上皮细胞凋亡可能导致致病菌的增殖。有研究发现，粪菌移植（FMT）改善了胃肠道功能和肠上皮完整性，并提高了受照射小鼠的外周白细胞计数，这表明FMT可以作为减轻辐射诱导的毒性并改善患者放疗后的预后的一种治疗方法［22］。

2.6 围手术期化疗对肠道菌群变化的影响 根治性手术联合辅助化疗是针对多数结直肠癌患者的主要治疗方案，晚期结直肠癌采用三种主要化疗方案，包括卡培他滨联合奥沙利铂（CapeOx）、5-氟尿嘧啶（FU）-亚叶酸钙治疗联合伊立替康（FOLFIRI 方案）或奥沙利铂（FOLFOX方案）［23］。5-FU还被发现直接影响人类患者肠腔微生物群的组成，表现为类杆菌相对丰度增加，埃希菌属丰度/志贺菌属丰度值降低。根治性手术和各种化疗药物可明显改变结直肠癌动物模型和患者的肠道微生物群，反映肠道环境的改变。

其中CapeOx 方案被发现在一定程度上降低了促癌菌（粪肠球菌）和某些病原菌（大肠杆菌—志贺氏菌、摩根氏菌和变形杆菌）的丰度［24］。粪肠球菌是一种兼性致病菌，经常会引起严重感染，尤其是在医院环境中，还可通过产生活性氧并通过活化的巨噬细胞产生旁观者效应来间接促进结直肠癌的进展。摩根氏菌与腹部切口感染和相对严重的脓毒症有关，而变形杆菌能导致继发感染，特别是尿路感染，这意味着化疗也许可一定程度上预防这些并发症［25］。然而，在5个化疗周期后，受影响肠道菌群丰度逐渐恢复，有时甚至显示出“反弹效应”，数量恢复到初始水平，当肠道微生物适应环境挑战时，特定肠道菌群可能会对化疗药物产生耐药性［26］。此外，化疗药物已被证明可减少乳杆菌的数量，而乳杆菌在预防和治疗炎症性肠病方面的安全性和有效性方面已得到证实。肠道菌群干预（如益生菌或益生元）可能对接受根治性手术联合化疗的结直肠癌患者预后有很大益处。

2.7 结直肠癌手术对肠道菌群变化的影响 除了术前机械肠道准备、化/放疗、抗生素及抑酸剂的应用等因素外，结直肠癌手术本身及手术带来的应激反应的作用，亦会作用于肠道菌群，使肠道菌群结构发生显著变化。进而改变患者肠道情况，影响患者术后恢复及短期并发症及长期肿瘤学结果［27］。

与健康人和术前结直肠癌患者相比，术后结直肠癌患者粪便菌群的总体多样性显著降低。研究结果表明接受结直肠癌手术治疗的患者中拟杆菌属和厚壁菌属减少，变形菌属增加，可能会导致肠道炎症［28］。另一项研究显示，根治性手术不仅切除了肿瘤病灶，还消除了定植于肿瘤的相关细菌（如肠球菌与梭杆菌），有助于预防结直肠癌的复发。然而，结直肠癌患者术后属于专性厌氧菌的益生菌（类杆菌、双歧杆菌、费卡利菌、副杆菌和普雷沃特氏菌）的数量有所减少，并且丁酸产生菌（芽孢杆菌、双歧杆菌、巴氏杆菌）减少，条件致病菌（包括大肠杆菌和链球菌）增加［29］。因此，大肠癌手术后肠道菌群紊乱可能会促进结直肠癌患者的炎症反应，同时导致并发症与肿瘤学后果。核梭杆菌能够侵入人体肠上皮细胞，激活β-catenin 信号传导，诱导致癌基因表达，并通过FadA 黏附毒力因子促进结直肠癌细胞的生长。并且脆弱芽孢杆菌被发现与结直肠癌术后患者的无病存活率和总存活率降低有关。尤其是产肠毒素脆弱芽孢杆菌在腺瘤或低度结直肠不典型增生中存在更高的丰度［30］。

此外，在术后肠梗阻患者体内发现白细胞介素-6 和白细胞在肠道组织浸润水平升高，表明手术创伤带来的炎症作用影响肠道功能恢复，而选择微创手术后肠梗阻持续时间缩短［31］。肠道菌群与免疫系统的相互作用对患者术后肠梗阻具有潜在影响，其机制可能是由于肠道菌群激活的肠道巨噬细胞作用于肠道神经系统引起肠道蠕动功能障碍。

综上所述，结直肠癌患者在围手术期会受到各方面的压力，包括术前肠道准备、抗生素及抑酸剂的应用、禁食等，这些措施会导致结直肠癌患者术后整个恢复进程中的肠道菌群紊乱。而结直肠癌患者术后肠道菌群的结构变化深刻影响着患者在围手术期的短期并发症、化疗应用及长期肿瘤学结果，对患者的术后生活质量及生存有重要影响。