微生物群及其在癌症预防干预中的应用前景
摘要
越来越清楚的是，生活在我们体内的微生物群会影响癌症的易感性和病因学。除了具有致癌特性的病原体外，我们的共生微生物群还具有抑制肿瘤的特性。我们的饮食和其他环境因素可以调节肠道和其他解剖部位微生物群落中某些成员的数量。此外，一些饮食因素被共生/共生肠道微生物群代谢成具有生物活性的食物成分，被认为可以预防癌症。例如，膳食纤维在结肠中经过细菌发酵产生丁酸，这是一种短链脂肪酸和组蛋白去乙酰化酶(Hdac)抑制剂，抑制结直肠癌细胞株的存活和生长。最近一项利用gnotobitic小鼠模型的研究表明，纤维可以以一种微生物和丁酸盐依赖的方式保护结直肠肿瘤的发生，这种方式与Warburg效应有关。这个例子和其他例子表明，在流行病学和干预研究中观察到的一些个体间的变异，调查了饮食和癌症风险之间的联系，可能是由于参与者之间微生物区系的差异所致。基础研究的数据也支持益生菌和益生菌可能是合理的化学预防策略的观点，这可能在未来更大程度上被利用。
导言
癌症是一种主要的死亡原因，与巨大的社会和经济负担有关。根据美国国家癌症研究所(NCI)的数据，美国目前每年用于诊断和治疗癌症的医疗费用超过1，250亿美元。1)。这一数字预计将上升，因为医疗保健、通货膨胀和人口统计-肥胖症的流行和美国人口的老龄化无疑会增加病例数。虽然伊马替尼(Gleevac)和曲斯图祖马(Herceptin)等靶向治疗对某些癌症亚型有效，但绝大多数癌症患者仍依赖于具有不同程度疗效和副作用的常规化疗药物。因此，预防癌症是一个主要目标。据估计，25-30%的癌症病例是由于吸烟，15-20%是由于感染，30-35%的癌症病例是通过健康的饮食、体育活动和保持健康的体重来预防的。2, 3)。人们对了解癌症预防作用的潜在机制有很大的兴趣，而且越来越明显的是，居住在我们体内的共生微生物可以抑制病原体感染的增加，它们还可以将整个食物代谢成生物活性食物成分，从而促进肠道内的动态平衡，并可能预防癌症。本综述将讨论如何检测和量化居住在我们体内的微生物群，然后讨论预防癌症的机制，以及益生菌和益生菌预防癌症策略的前景。
人类微生物群
人体携带≥1014微生物细胞，估计比我们的体细胞和生殖细胞加起来要大10倍。4)。它们由细菌、古细菌、真核生物(如酵母和其他真菌)和病毒(包括噬菌体)组成。我们的微生物群及其集体基因组被称为微生物组群，比人类基因组多出100倍以上的基因，其特征是采用了元组学方法，将下一代测序与目标(16 SrRNA高变区)和随机(全基因组猎枪)DNA序列的计算分析相结合。5–7) (图1)。根据这些研究，我们知道不同解剖部位微生物群落的组成不同。8, 9)。此外，这些群落是动态的，而不是静态的，因为个体内任何一个特定地点的微生物区系组成都会因饮食和其他生活方式或环境因素而发生变化(10–12)。我们还知道，这些微生物中的绝大多数都是驻留在胃肠道腔内的细菌。生活在我们肠道内的共生共生细菌受到食肉动物的保护，例如线虫蛔虫，它们也得益于我们富含碳水化合物的食物所提供的营养。图2)。作为回报，许多共生细菌将糖聚糖分解成二糖和单糖，供人类宿主和微生物利用(图2)。为了实现这一功能，肠道微生物群对糖类代谢相关基因(包括糖苷水解酶≥115个家族和≥21家族的多糖裂解酶)进行了高度富集。13, 14)。相比之下，人类基因组中编码碳水化合物代谢酶的基因相对较少，这大概是因为哺乳动物(及其基因组)与肠道微生物群(以及肠道微生物群)共同进化。由于这种共生关系，肠道微生物群被认为能提高我们吸收营养和从饮食中提取卡路里的能力(15, 16)。肠道微生物还能产生维生素，如维生素K和B12(17)。因此，无菌小鼠在gnotobitic设施中没有所有微生物区系(图3)，必须提供补充维生素的饮食，而不是仅通过饮食获得的维生素。
显示微生物群研究基本步骤的流程图。详情请参阅引来的参考资料。
在能量平衡方面，人类和肠道微生物之间存在共生关系。人类为肠道细菌提供了受保护的环境和碳水化合物。肠道微生物群富含编码糖苷水解酶(GH)和多糖裂解酶(PL)等酶的基因，它们将复杂的碳水化合物分解成更简单的糖，供肠道微生物群和我们作为人类宿主使用。
非生物小鼠癌症模型对于探索微生物在化学预防中的重要性是至关重要的。一种非生物老鼠装置的图像。老鼠被保持在隔离器中(图中有6只)，那里的空气是用专门的HEPA过滤系统(白色圆筒)过滤的。进入隔离器(如笼、床上用品、食物、水)的所有东西都预先进行高压蒸压(通常在金属罐内)，并在外部表面喷洒防腐剂后通过气闸系统(圆形结构)进入。这些老鼠是用一个手套箱装置来处理的(不在图中，位于隔离器的另一边)。小鼠可以保持无菌(即，没有所有微生物)，也可以通过一个或多个特定微生物区系通过灌胃进行定植。老鼠可以通过人类衍生的微生物群来“人性化”，包括疾病病例和对照组，以严格控制的方式询问人类微生物的功能。典型的隔离器最多可容纳12个笼子。为了防止污染，每个隔离器只能使用一种微生物区系，必须定期进行微生物学检测(例如，粪便样本和用革兰氏染色、聚合酶链反应等方法分析的拭子)。
微生物群与癌症
元基因组测序项目将人类疾病病例中微生物群落的组成与对照组进行了比较。图1)，这些关联研究表明，我们的微生物区系与许多疾病的预防有关，包括各种类型的癌症(18, 19)。正常的多种微生物群落可以通过多种机制来预防癌症。它们可以通过与病原体争夺附着位点而产生间接影响，这限制了病原体的数量，并防止了导致致癌的感染(图4)。某些病原体如人乳头瘤病毒(HPV)和幽门螺杆菌(Helicobacterpylori)的致癌性已被证实，但最近的微生物群研究表明，也可能涉及到常见和机会性病原体，与癌症有关的感染可能比目前估计的15-20%更为普遍。例如，与正常结肠组织相比，核型镰刀杆菌的结直肠肿瘤更丰富。20–22)。这种细菌以前与牙周炎和阑尾炎有关，但与癌症无关。然而，这种与癌症的关联并不令人惊讶，因为核梭杆菌能刺激炎症，并能保护肿瘤免受免疫攻击(23, 24)。核仁还产生硫化氢对红肉的消耗，这可能导致DNA损伤和基因组不稳定在结肠上皮或发展中的肿瘤。25, 26)。这增加了结直肠癌的风险和进展，特别是对于DNA损伤反应(如ATR和ATM)在生殖细胞或腺瘤中有突变或微扰的个体。食用红肉还会增加胆固醇，肝脏利用胆固醇产生胆汁酸，如胆酸，这些胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合，并经历肠肝循环。大约5%的原胆汁酸逃离肠-肝循环，到达结肠，由特异性细菌解聚(通过胆盐水解酶)并转化为次生胆汁酸(通过脱氢或去羟化)。这些次级胆汁酸中至少有一种，脱氧胆酸，通过产生自由基而引起DNA损伤，并与肝脏、食道癌和结直肠癌有牵连。27, 28)。这些都是我们的饮食和微生物如何合谋增加癌症风险的主要例子。
共生/共生微生物群通过多种机制对癌症有保护作用。肠道示意图显示三个部分：顶部，管腔内有微生物区(灰色)；中间，一层上皮细胞；底部，含有免疫细胞的固有层。共生细菌可以通过战胜致癌病原体间接地预防癌症，更直接的途径是将饮食因素代谢成具有生物活性的食物成分(圆环)。后者可以通过阻止免疫细胞的激活和炎症，直接发生(中箭头)或维持上皮的屏障功能(右箭头)，在原细胞内(肠上皮细胞，左箭头)和肿瘤或非细胞自主效应中产生细胞自主效应。
结直肠癌患者的粘膜被浓缩成含有PKS(聚酮合酶)致病性岛的大肠埃希菌，该岛由一组编码基因的基因组成，这些酶能产生一种基因毒性蛋白-Colbactin，该蛋白可在宿主结肠上皮中引起DNA损伤。29–31)。为了证明这个致病性岛的重要性，IL 10−/−小鼠与gnotobitic设施中含有或缺乏(通过靶向缺失)pks的等基因大肠杆菌株有关，+pks增加了AOM(一种前致癌物)引起的结直肠肿瘤负担，而不加重炎症(29)。结直肠癌患者的粘膜也富含肠毒素性脆弱类杆菌，这与含有金属蛋白酶的致病性岛的脆弱杆菌的子集相对应。32–36)。细菌编码的金属蛋白酶被认为损害了结肠上皮的屏障功能，使固有层的免疫细胞暴露于细菌和细菌基因产物，包括脂多糖和鞭毛素。图4)。这种破坏和暴露反过来导致免疫细胞活化和炎症，这是癌症的一个新的特征，特别是结直肠癌。37, 38)。脆弱杆菌毒素可能具有额外的致癌作用。它能切割E-cadherin，激活Wnt/β-catenin通路，人编码的金属蛋白酶在肿瘤的侵袭和转移中起重要作用。未来的研究很可能会将更多的微生物群与癌症联系在一起，特别是在任何一种微生物都有微妙或温和的影响，而多个微生物的综合作用更强的情况下。贡献不大的微生物可能依赖于宿主的遗传背景，这将导致个体间更大的变异，而且要比能够驱动“一种微生物一种疾病”的优势病原体更难检测，例如宫颈癌的HPV和胃癌的H.pylori。微生物群的研究也可能常常忽视那些参与肿瘤发生的早期阶段的微生物，尤其是当这些微生物的生长或存活被后期肿瘤微环境所反对时(例如，由于沃堡效应而导致乳酸造成的低pH)。众所周知，饮食会影响肠道微生物群的组成。10–12)。因此，从化学预防的角度来看，均衡的饮食可以帮助维持一个“正常”的微生物群，尽管没有定义，与良好的健康有关，并防止微生物群落的不平衡与减少多样性，致病性感染和增加的癌症风险(被称为失调)。
我们的共生细菌也以比抑制病原体更直接的方式减少癌症的风险。这一更直接的途径主要涉及它们将饮食因子代谢成生物活性食品成分的能力，这些成分可以对肿瘤或原发细胞产生细胞自主效应，以及针对肿瘤微环境中的免疫细胞和其他基质细胞的非细胞自主效应。图4)。我们的肠道微生物区系可以被认为是第二肝，因为它们具有巨大的代谢能力，不仅限于热量的提取，而且鉴定参与疾病预防的微生物衍生代谢物是一个非常活跃的研究领域。39)。因此，目前的趋势是超越基本的微生物群研究，如图1并评价饮食和其他环境因素对微生物丰度(代谢组学)、微生物基因表达(代谢组学和元蛋白质组学)和代谢物生成(代谢组学)的影响。接下来的三个部分着重于膳食纤维和结直肠癌，作为肠道微生物群如何将具有生物活性的食物成分加工成与化学预防相关的代谢物的一个例子。
膳食纤维与大肠癌的预防
化学预防中最广泛研究的饮食因素之一是纤维，纤维被定义为“植物或其提取物的可食用部分，或类似的碳水化合物，它们对小肠的消化和吸收具有抵抗力，但在大肠部分或完全发酵后被常驻微生物群利用”(40)。纤维包括多糖(例如，抗性淀粉、纤维素、半纤维素、果胶和胶)、低聚糖和木质素。随着人类从传统的高纤维饮食转向含有精制糖的加工食品，结直肠癌发病率显著上升。结直肠癌是美国男性和女性中诊断率第三高的癌症，也是第三大致命性癌症。41)。这种结直肠癌发病率上升的趋势在近年来迅速采用西方饮食的中国和发展中国家最为明显。42)。在发展中国家，纤维消耗减少与结直肠发病率增加之间的相关性也很明显，因为结肠镜检查是在有限的基础上进行的。相比之下，在美国广泛筛查和切除癌前腺瘤的同时，近期结直肠癌发病率也有所下降。
然而，纤维消耗与大肠腺瘤和腺癌预防之间的联系尚未确定，部分原因是上文所述的生态研究，这为Burkitt最初提出的纤维具有保护作用的建议提供了依据(43)，并不严格。已经进行了更严格的前瞻性队列研究，但得出了相互矛盾的结果(44–49)，这使得这成为一个有争议的话题。然而，应该指出的是，这些流行病学研究和小鼠结直肠癌模型并没有控制肠道微生物的组成，肠道微生物群的组成因个体而异，并且已知可将纤维发酵成短链脂肪酸，如丁酸酯。丁酸酯非常丰富(在结肠腔内呈毫米级)，值得注意，因为它在结肠细胞中具有能量和表观遗传功能，在大肠癌细胞系中具有抑制肿瘤的特性。50).
膳食纤维微生物区系丁酸盐轴
最近的研究表明，纤维消耗比其他饮食因素更能改变肠道微生物群的组成，并增加产生丁酸盐的细菌的数量。10–12)。此外，≥5微生物组的研究表明，与对照组相比，人类结直肠癌患者产生丁酸的细菌数量显著减少。然而，微生物群研究的一个局限是很难确定某一特定微生物群的变化是疾病的原因还是结果。因此，研究在微生物学设施中维持的小鼠模型是非常重要的，在这些设施中，微生物可以被操纵(图3)。除了使这些小鼠处于无菌状态外，它们还可以被一个或多个已定义的细菌所定植，这就允许对哺乳动物健康和疾病中的细菌功能进行审问，如上文描述的大肠杆菌PKS致病性岛研究所示。为了以一种高度控制的方式研究膳食纤维和丁酸酯，一只小鼠结直肠癌模型与gnotobitic设施中的几种细菌结合在一起，并提供了控制或高纤维饮食，这些食物在其他方面基本上是相同的和等热量的(51, 52)。高纤维饲料从断奶开始(即肿瘤发生前)一直到献祭时为止，对带有野生型丁酸产生菌的小鼠具有保护作用，但对缺乏丁酸产生菌的小鼠则无保护作用。图5)。同一批小鼠被丁酸酯产生菌的突变株所定植，该菌株含有丁酸合成操纵子的小缺失，产生的丁酸盐水平降低，但其保护作用减弱，并产生了中等的肿瘤负担。图5)。此外，完全缺乏产生丁酸的细菌，但提供了强化丁酸的饮食的小鼠，其肿瘤负担低于其他任何治疗组(图5)。这可以说是最有说服力的证据，丁酸酯是一个因果因素，因为它表明纤维微生物区系化学预防作用可以被外生丁酸盐重新描述。
膳食纤维以微生物学和丁酸盐依赖的方式对结直肠癌有保护作用。老鼠被几种细菌侵染，这些细菌要么排除了丁酸盐，要么包括丁酸杆菌(Butyrivi弧菌)，如上面所示。一种野生型和突变型的B.纤维蛋白分离株，用于不同的非生物隔离器(用每组老鼠周围的盒子描述)。在每个隔离器中，小鼠接受控制或高纤维饮食(6%低聚果糖/菊粉，但在其他方面与对照饮食相同)，但在极右隔离器中添加丁酸强化饮食除外。底部箭头表示AOM治疗后丁酸腔的相对水平，以及全球组蛋白乙酰化水平和肿瘤负担。当提供高纤维饲料时，突变株丁酸酯的产生减弱，但没有完全消除，即用一个向上的丁酸盐箭头来表示，而不是一个向下箭头或两个向上箭头表示。卵形体突出了产生较低肿瘤负担的实验条件，这与较高的丁酸水平和组蛋白乙酰化水平有关。
本研究还探讨了丁酸酯作为微生物源性抑瘤代谢物的分子机制。51)。与体内大多数以葡萄糖为主要能量来源的细胞类型不同，正常的结肠肌细胞依靠丁酸来维持其60%-70%的能量。53–55) (图6)。作为一种脂肪酸，丁酸在线粒体中经历β氧化，这支持了结肠上皮细胞快速增殖所必需的能量平衡，这种能量每7天更新一次(它和小肠上皮的翻转速度可以说比身体上任何其他组织都快)。相反，结直肠肿瘤细胞(和一般的肿瘤细胞)受到Warburg效应，转而使用葡萄糖和有氧糖酵解(56) (图7)。由于这种代谢转变，丁酸盐没有在肿瘤细胞线粒体中代谢，而是在细胞核中积累，在细胞核中发挥组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制剂的作用，调节基因的表观表达。51, 57) (图6)。为支持该模型，免疫组织化学和Westernblots检测到了丁酸盐(用LC-MS检测)和全球组蛋白乙酰化水平(通过免疫组织化学和Westernblots检测)，在与野生型丁酸产生者共同定植并提供高纤维饮食的小鼠体内，丁酸酯和全球组蛋白乙酰化水平升高，这与较低的肿瘤负担(图5)。丁酸盐是一种公认的HDAC抑制剂(58, 59)，小鼠肿瘤中的丁酸盐靶基因提供含Fas和p21的高纤维饮食，分别促进细胞凋亡和抑制细胞周期进程。这一发现与这些小鼠体内肿瘤负担的减轻以及丁酸酯是一种抑瘤代谢物的观点是一致的。
丁酸盐介导的肿瘤抑制机制。在正常的结肠细胞(左)中，丁酸盐被用作主要的能量来源，并在线粒体中代谢，因此在细胞内积累的相对较少。在癌性结肠细胞(右)，葡萄糖是主要的能源，因为沃伯格效应。丁酸盐仍通过单羧酸转运体进入细胞，但在线粒体中不被代谢，从而使其在细胞核中积累，并作为HDAC抑制剂发挥作用，通过表观基因调控细胞增殖和凋亡的基因。
癌细胞经过Warburg效应以支持其快速增殖。未转化的正常细胞通常通过线粒体氧化代谢(TCA循环和OXPHOS)代谢葡萄糖，每个葡萄糖分子产生36 ATPs。相反，癌细胞经过有氧糖酵解，生成乳酸作为最终产物，每个葡萄糖分子产生4个ATPs(如果缺氧环境中氧气受限，只产生2个ATPs)。肿瘤细胞通过增加葡萄糖转运蛋白(GUTS)和增加葡萄糖摄取来弥补这种低效的能量产生机制，这是临床肿瘤成像(通过FDG-PET)的基础。因为葡萄糖没有完全代谢成CO2戊糖磷酸途径和回收途径从糖酵解中间体中清除碳和氮，补充dNTPs、氨基酸(AAS)和脂肪酸(FAS)。这为生物合成途径提供了一条管道，在细胞核、蛋白质组中的所有蛋白质和脂质中复制DNA。这一策略背后的理论基础是，获得使细胞生物量翻倍的原材料比产生足够的ATP水平更有利于癌细胞的快速分裂。
然而，化学保护机制可能比上面描述的更复杂。不溶性纤维，如纤维素，不是由肠道微生物发酵和加快结肠运输。减少转运时间被认为具有化学防护作用，因为它减少了结肠肌细胞对摄入的致癌物质的接触，例如从烧焦的肉类中摄取杂环胺。可溶性纤维被发酵成丁酸以外的短链脂肪酸，如乙酸和丙酸，这些或其他代谢物也有助于化学预防。最后，丁酸酯是一种多向分子，可能通过其他机制发挥作用。除了作为HDAC抑制剂的作用外，它还可以通过某些G蛋白偶联受体(60, 61)。丁酸可通过减轻炎症来减少肿瘤的发生。丁酸灌肠剂能明显改善啮齿动物模型和人类患者与炎症性肠病(IBD)相关的结肠炎症，如结肠炎和克罗恩病(59)。这是值得注意的，因为结肠炎患者患结直肠癌的风险增加了10倍(38, 62)，这与炎症与癌症之间的联系是一致的。37)。最近的几项研究表明丁酸能激活CD4中FoxP 3的表达+T细胞和树突状细胞诱导免疫抑制调节性T细胞(Treg)的分化和增殖63–66)。最近的另一项研究表明，丁酸能抑制肠道巨噬细胞产生促炎细胞因子(67)。需要研究这些抗炎事件是否有助于纤维介导的化学预防.
膳食纤维-微生物-丁酸盐轴的转化潜力
丁酸酯是一种抑制肿瘤的代谢物，这一观点与许多已发表的研究一致，这些研究发现，丁酸在刺激大肠癌细胞株的凋亡和/或分化的同时抑制其增殖(59, 68)。上述非生物小鼠实验是有价值的，因为它们超越了“因子转储”实验，即在体外将较高剂量的丁酸盐添加到大肠癌细胞株中。他们证明，膳食纤维和肠道微生物能够调节结肠腔中的丁酸盐水平，而这反过来又能抑制在体内结直肠肿瘤的发生，在结肠隐窝结构完整且在基质细胞存在的情况下发挥作用。这些发现表明，益生菌(在这种情况下产生丁酸盐的细菌)和/或益生菌(在这种特殊情况下可溶解或“发酵”的纤维)可用于增加内源性HDAC抑制剂的水平，并减少肿瘤的发生。不像合成的HDAC抑制剂系统地作为某些癌症的化疗药物提供，益生菌/益生菌疗法不应由于以下几个原因而产生不良影响(图8)。首先，丁酸盐的生物利用度主要局限于结肠，从而将其他组织中的附带损伤的可能性降到最低。第二，由于丁酸是一种天然的脂肪酸，它以结肠隐窝中的肿瘤细胞为目标。它容易被正常的结肠细胞代谢，但由于Warburg效应，它作为HDAC抑制剂在肿瘤细胞中积累。
化学预防和化疗。益生菌/益生素可以提高丁酸酯的水平，丁酸酯是一种内源性HDAC抑制剂，与化疗中使用的合成HDAC抑制剂无关，因为它的生物利用度主要局限于结肠，而且由于Warburg效应而以肿瘤细胞为靶点。进一步解释见案文。
值得注意的是，gnotobitic小鼠的实验设计是还原剂，以证明丁酸是化学预防的一个因果因素。这些老鼠只与几种细菌有关，这些细菌不能准确地模拟存在于人类肠道内的复杂微生物群。提供给老鼠的半纯饮食并不代表我们更多样化的饮食，包括不同来源的纤维以及更高水平的糖、脂肪和红肉，这可能会加剧癌症的风险，并可能掩盖有益的纤维效应。此外，这些小鼠在肿瘤发生前断奶时被给予高纤维饮食(通过注射氮氧甲烷(AOM))，目前尚不清楚如果在肿瘤发生后提供纤维是否仍然具有保护作用。然而，尽管有这些警告，人类腺癌的丁酸和组蛋白乙酰化水平高于正常结肠标本(51)。这一发现表明，gnotobitic小鼠的数据可能与人类癌症的预防有关。基于这一知识，我们很有兴趣重新审视那些研究纤维消耗与结直肠癌之间是否存在联系的前瞻性队列研究，但将它们与微生物组学结合起来。假设是，如果参与者之间的微生物群差异被考虑在内，那么就有可能区分那些对纤维的化学防护效应作出反应的个体和非应答者。这将解决过去人类研究中的一些相互矛盾的结果，并可能证实丁酸酯是人类化学预防中的一个重要分子。
其他细菌代谢物和癌症
虽然我们绝大多数的微生物都生活在肠道中，但它们可以影响胃肠道以外的疾病，如心血管疾病和自闭症，这也适用于癌症。许多肠道微生物衍生代谢物比丁酸酯具有更广泛的生物利用度，本节中的以下段落提供了一些与癌症预防有关的例子。还应注意的是，细菌密度相对较高，接近于其他组织的粘膜，如肺和泌尿生殖道上皮。这种物理关系表明，当地微生物群落也将影响在这些地点的癌症的发生和发展。微生物区系对白血病/淋巴瘤的影响可能比其他癌症更大，因为我们的造血系在对微生物和微生物产物的炎症反应中起着关键作用。
膳食多酚，包括黄酮类化合物(如槲皮素和山奈酚)、酚酸、人菁素和木质素等，由于其在小鼠模型和人类流行病学研究中的化学防护作用而受到广泛关注。白藜芦醇可能是最受关注的，因为它是一个热量限制的模拟，是多向和有益健康的多种方式。然而，这并不是肠道微生物代谢的最好例子。虽然肠道微生物可以将其转化为二氢白藜芦醇等反式白藜芦醇代谢物，但它们之间存在相当大的个体差异，而且对这些衍生物的功能相关性了解甚少(69)。相比之下，鞣花酸是存在于某些浆果和坚果中的一种多酚，是一种具有抗癌作用的抗氧化剂。纤维素由结肠微生物代谢成具有促雌激素和抗雌激素活性的尿磷脂。70) (表1)。urolitin还可以下调COX-2，降低前列腺素的产生和炎症，因此抗癌作用显然涉及多种途径(71)。另一种多酚是大豆黄酮，它是一种大豆异黄酮，由肠道微生物区系代谢而成。72) (表1)。在30%-40%的个体中只能检测到奎尔，虽然原因尚不清楚，但部分原因可能是由于特定细菌的相对丰度(73, 74)。产马酚的能力与硫酸盐还原菌呈正相关，与球状梭菌和假单胞菌呈负相关。75)。一些流行病学研究报告了马或马产菌与降低女性乳腺癌风险和降低男性前列腺癌风险之间的相关性。然而，在亚洲人口中观察到了这些相关性，但没有观察到欧洲人口(76)。目前尚不清楚这些种族差异是否是由于遗传、微生物群或饮食(如大豆消费)的差异造成的，因此需要做更多的工作来加强马蹄醇与预防癌症之间的联系。一般说来，基于这种情况，将流行病学研究与GWAS(全基因组相关研究)或外显子测序以及微生物组学研究结合起来是有利的。这种综合的方法可能会使一些因素结合在一起，这些因素对饮食和化学预防有着显著的和可复制的影响。此外，通过进行代谢组学研究或将与癌症相关的生物标记物作为代孕物来评估相对较短的益生菌和益生菌治疗方案，并利用这些信息指导更昂贵、更长期的流行病学研究或干预试验，将具有成本效益和有用性。
表1
从食品成分中提取的细菌代谢物据报道具有化学预防作用。
| 全食 | 膳食 元件 |
细菌 代谢物 |
潜在机制 化学预防 |
|---|---|---|---|
| 水果、蔬菜、谷物 | 纤维 | 丁酸酯 |
|
| 浆果、核桃、石榴 | 纤维素酸 | 乌氏 |
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| 大豆制品 | 大豆苷元 | 奎尔 |
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| 十字花科蔬菜(如西兰花) | 葡萄糖苷 | 异硫氰酸酯 |
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| 植物油 | 亚油酸 | 共轭亚油酸 |
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十字花科蔬菜，如花椰菜和卷心菜含有较高水平的葡萄糖苷。当这些蔬菜未煮熟或切碎或咀嚼时，植物来源的肌氨酸酶会将葡萄糖苷转换成异硫氰酸酯(Itc)，如硫黄(一种hdac抑制剂，如丁酸盐)，它在细胞系和小鼠模型中具有抗致癌特性，并可能降低人的癌症风险(特别是对肺、乳腺、前列腺、结直肠和前列腺的风险，尽管流行病学结果参差不齐)。然而，十字花科蔬菜通常是煮熟的。虽然这种变性会使植物来源的肌氨酸酶、细菌来源的硫葡萄糖苷酶在肠道中转化为葡萄糖酸盐，从而发挥它们的有益作用。74) (表1).
亚油酸是一种ω-6多不饱和脂肪酸(PUFA)，是植物油中的一种.由于亚油酸是花生四烯酸的前体，引起前列腺素和炎症，大量食用植物油可以改变ω-6与ω-3的比值，而且是有害的。然而，某些肠道微生物，包括用于益生菌的乳酸菌和双歧杆菌，可以与亚油酸(73)。这种细菌结合不仅降低了亚油酸的含量，而且一些共轭亚油酸异构体据说具有抗炎和抗癌的特性。表1).
益生菌、益生菌和日益增长的功能性食品/营养工业
上一节提供了一些例子，说明我们的肠道微生物区系如何影响饮食成分，从而潜在地预防癌症。表1)，但反过来也是正确的。事实上，已知有更多的食物成分会影响我们肠道微生物的组成。毫无疑问，还会有更多的发现，一些由饮食引起的微生物群的改变可能会以各种方式对人类健康有利，包括预防癌症。当然，还有一些益生菌，在上面的章节中已经提到过，它们被定义为难以消化的食物成分，选择性地刺激某些肠道微生物的生长和/或活动，从而给健康带来好处。许多益生素与癌症预防有关，包括促进双歧杆菌生长的多种来源的膳食纤维，如菊粉。73).
一种更直接的微生物干预涉及益生菌，在前几节中也提到过，它们对应于食物或膳食补充剂中具有健康益处的活微生物。虽然预防癌症的证据不多，但益生菌与许多其他健康结果有关。酸奶中的乳酸菌可以说是最著名的例子，但是奶酪和其他食物和饮料中的链球菌和双歧杆菌也很常见。乳酸菌在酸奶中的一个好处是改善了乳糖不耐者对乳制品的消化。这使得一些人可以增加钙的摄入量，值得注意的是，乳糖不耐受的发病率在北欧国家和美国从5%到15%不等，在非洲和亚洲国家超过50%(77)。这种有益的效果是由于活菌提供了β半乳糖苷酶(乳糖酶)的活性，因为加热或巴氏杀菌的酸奶是无效的。77)。微生物组的研究表明，酸奶必须定期食用(可能每天)，以保持乳酸菌(12)。益生菌可以通过添加细菌来改善，这些细菌要么具有更强的有益效果，要么可以更稳定地在人类胃肠道上定居。例如，嗜酸乳杆菌虽然是一种常用的益生菌，但细胞壁中存在的一种糖脂酸，可能通过Toll样受体2和细胞因子产生刺激炎症，从而产生不良反应。78, 79)。为了解决这一问题，我们设计了一株嗜酸乳杆菌，缺失了不能合成脂铁卡酸的磷酸甘油转移酶基因，并将该菌口服到APC上。Δ浮起小鼠导致已经建立的结肠息肉(80)。干酪乳杆菌和乳球菌也被设计成一种名为elafin的蛋白质，可以减轻小鼠结肠炎模型中的炎症。81)。当这些细菌被添加到人结肠炎患者体内的炎症上皮细胞中时，它们会降低细胞因子的产生和细胞的通透性。最后一个例子是一株高表达抗氧化超氧化物歧化酶的气丝氨酸乳杆菌，这种超氧化物歧化酶可以降低IL-10基因敲除小鼠的结肠炎。82)。将这些乳酸菌作为改进的益生菌，将被视为功能性食品或营养食品，通常不涉及微生物，包括强化维生素的食品，如黄金大米(一种转基因作物，含有β-胡萝卜素)和各种含有omega-3 PUFAs的食品(例如谷类食品、猪肉、鸡蛋)。功能性食品/营养食品市场正在迅速增长；在美国，自2006年以来，该市场增长了31%，达到75亿美元(全球价值240亿美元)。虽然功能性食品和营养食品可能对许多个人有用，但许多未经证实的说法是由这个行业提出的，因此产品必须逐案评估。对于膳食补充剂尤其如此，因为它们不需要食品和药物管理局(FDA)的批准。
在化学预防方面，益生菌和益生菌策略将证明比抗生素治疗更有效。虽然抗生素已被证明可以减轻某些小鼠模型的肿瘤负担(很可能是通过减轻炎症)，但它们在临床上并不适合用于化学预防或化疗佐剂。抗生素的过度使用不仅使耐药细菌的问题更加严重，而且还杀死了许多共生细菌，包括一些可能促进体内平衡和防止癌变的细菌。此外，并非所有细菌经抗生素治疗后均恢复正常水平(12)。有人认为，我们普遍使用的抗生素正在改变我们的微生物群，并导致肥胖症、IBD、过敏和哮喘的发病率增加。83)，这也可能适用于某些癌症。事实上，由于幽门螺杆菌已经在很大程度上被消除，胃癌已经减少，但食道癌已经变得更加普遍。一种可能是幽门螺杆菌可以改变胃pH值和胃酸反流，从而保护Barrett‘s食管和食道癌(83)。因此，与其使用抗生素不加选择地杀死细菌，不如采取措施保持或恢复有益的微生物组成。这是粪便微生物移植(可被认为是一种益生菌疗法)的基础，它对治疗艰难梭菌感染患者的腹泻非常有效，而这种情况通常是因为抗生素消除了能够取代或抑制艰难梭菌的共生细菌。虽然全球微生物区系移植可作为癌症预防干预的概念尚未成为现实，但将这种细菌疗法应用于预防环境具有未来的希望。
未来方向
我们还没有开发出支持大多数居住在人体内的微生物生长的培养条件，特别是居住在我们胃肠道深处的厌氧菌。这一限制并没有阻止我们使用元组学来描述微生物种群，并确定与对照组相比，患有某些疾病(包括癌症)的个体之间的微生物群差异。重要的是微生物组学研究必须继续进行，并与流行病学研究(特别是在饮食方面)、GWAS和代谢组学相结合。然而，我们能够培养出特定的细菌，以便在非生物小鼠模型中进行分析，将变得越来越重要。这一方法将使我们能够从相关性转移到因果关系，并将提供深入的分子机制，这可能导致改善益生菌/益生菌预防疾病的策略。
参考文献