益生菌如何与结直肠癌斗智斗勇？

结直肠癌是世界上第三大最常诊断的癌症，也是癌症死亡的第二大原因，已成为全球重大的健康威胁之一。大多数结直肠癌病例发生在50岁及以上的人群中，然而，随着生活方式和环境因素的改变，结直肠癌的发病趋于年轻化，尤其是在发达国家。我国的结直肠癌的发病率和死亡率也都呈上升趋势，根据2020年中国癌症统计数据显示，我国结直肠癌发病率和死亡率在全部恶性肿瘤中分别位居第2位和第5位，在经济发达的城市，结直肠癌的发病率似乎更高。

增加结直肠癌发生的危险因素包括遗传因素、环境影响和生活方式选择。大多数结直肠癌病例归因于饮酒、吸烟、肥胖和不健康饮食等生活方式以及衰老，而少数病例是由潜在的遗传疾病引起。尽管结肠镜筛查和手术治疗在降低结直肠癌发病率和死亡率方面取得了进展，但许多发展中国家的新病例仍呈上升趋势，因此，迫切需要更有效的预防措施和创新的治疗方法。

人体肠道内生活着数以万亿计的微生物，包括细菌、病毒、真菌和古细菌，其中以细菌为主。到目前为止，在人类肠道中已经鉴定出超过1000种细菌，不同个体共享的核心菌群包含约160种。各种细菌物种以一定的比例共存，它们相互依存，相互竞争，共同维持着肠道菌群的相对平衡和稳定。肠道菌群参与维持体内平衡并发挥各种功能，比如代谢、合成维生素、维持肠道屏障和调节免疫，从而帮助维持整体健康。然而，由物理、化学或遗传因素引起的肠道菌群失调与生理异常、心理障碍和免疫紊乱等等有关。越来越多的研究表明，肠道菌群失调在癌症发生中发挥关键作用，而补充某些益生菌可以降低结直肠癌的风险。

联合国粮农组织和世界卫生组织将益生菌定义为“摄入足够数量能够对宿主健康有益的活性微生物”。益生菌是一类有益人体健康的微生物，具有调节免疫力、降低胆固醇、抗癌、抗腹泻、抗糖尿病、降压和降血脂等公认的作用，益生菌对结肠癌也具有一定的预防和治疗作用。那么，益生菌是如何与癌细胞斗智斗勇，保护我们免受结直肠癌的侵袭的呢？

1、调节肠道菌群组成

维持天然肠道菌群中各种成分之间的和谐共生关系以及它们各自的代谢能力，在很大程度上归功于有益微生物的作用。结直肠癌的发生与肠道菌群失调有关。具核梭杆菌、产肠毒素脆弱拟杆菌和大肠杆菌在结肠癌发生过程中的重要作用已逐渐得到证实，这些病原体通过各种机制共同影响癌症的进展。

产肠毒素脆弱拟杆菌和具核梭杆菌通过与结肠上皮细胞建立直接相互作用促进结直肠癌的进展；具核梭杆菌通过其表面粘附因子FadA粘附并侵入内皮细胞和上皮细胞，FadA会特异性地与结直肠癌细胞上的受体结合，这种结合允许具核梭杆菌穿透细胞，随后触发促炎级联反应；大肠杆菌会产生具有致癌潜力的毒素，这种毒素会诱发DNA损伤，破坏细胞周期，导致结直肠癌组织发生突变；产气荚膜梭菌和大肠杆菌也会利用硝基还原酶和偶氮还原酶参与产生潜在的致癌物；此外，产肠毒素脆弱拟杆菌会诱导活性氧的释放，导致DNA损伤和肿瘤发生。

早在20世纪70年代末的一项研究表明，益生菌发酵乳的摄入，可以减少参与致癌物合成和肿瘤促进的大肠菌群的数量。某些益生菌菌株可以通过抑制结肠细菌有害酶β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖苷酶、色氨酸酶和脲酶的功能来抑制肿瘤生长。在结肠炎相关的结直肠癌小鼠模型中，益生菌可以通过改善肠道菌群组成，包括增加阿克曼氏菌属、毛螺菌科、疣维菌科和乳杆菌属等的相对丰度，从而减轻肿瘤的发生。疣微菌科和毛螺菌科细菌是潜在的抗炎菌，其中毛螺菌科的细菌具有预防结直肠癌的作用；乳杆菌相对丰度的增加可以改善小鼠模型中的肿瘤发生；嗜黏蛋白阿克曼氏菌在调节宿主代谢中起着至关重要的作用，补充它可以减轻肠炎的症状，预防肠炎引起的肠癌。

益生菌也可以通过增强肠道屏障、增加肠道黏膜的粘附、产生抗菌物质和调节免疫系统等方式有效地减少病原体的定植和增殖，从而降低对感染的易感性。例如，乳杆菌菌株会促进黏液分泌，调节紧密连接蛋白基因的表达，以增强肠道屏障功能；双歧杆菌也能增强黏液层的完整性，逆转结肠菌群的异常。结肠通透性降低，内黏液层生长速度加快，是结肠菌群完整的标志，有利于排除致病菌，避免癌症风险。

罗伊氏乳杆菌具有黏液结合蛋白和黏液粘连促进蛋白等表面黏附蛋白，增强黏液层黏附，从而先于病原体占据微生物结合位点。为了获得竞争优势，益生菌会产生有机酸，有机酸以未解离的形式进入致病细菌细胞并在细胞质内解离。细胞内pH值的最终降低或电离形式的有机酸在细胞内的积累可能导致病原体的死亡。此外，这些细菌能够激活存在于上皮细胞和树突状细胞上的toll样受体，这些受体与病原体上被成为病原体相关分子模式的典型结构结合，触发对病原体的先天免疫反应。

另一种抑制方式是益生菌与病原体之间的直接干扰。益生菌可抑制病原体的群体感应信号，准确地说，益生菌会有效地破坏病原体检测细菌种群密度的能力，并随后调节细胞生理学，限制了病原体沟通和协调毒性活动的能力。

2、诱导结直肠癌细胞凋亡

细胞凋亡是一个受到严格调控的过程，它通过选择性地清除缺陷细胞和调节细胞数量，在维持细胞稳态中起着重要作用。大多数癌细胞类型，包括结直肠癌细胞，可以抵抗细胞凋亡，并且不受控制地增殖。Caspase是一类半胱氨酸蛋白酶，在细胞凋亡信号转导的级联过程中发挥协同作用。

人们在肿瘤细胞和动物模型上研究了益生菌对细胞凋亡的影响。在结直肠癌小鼠模型中，即使暴露于致癌物中，某些益生菌菌株仍能迅速启动细胞凋亡过程，由于益生菌可以显著诱导受损细胞凋亡，因此可以减少实验性结直肠癌小鼠中异常隐窝病灶。体外实验表明，来自某些乳杆菌的胞外多糖可诱导结直肠癌HT-29细胞凋亡和G0/G1细胞周期阻滞。乳酸杆菌和双歧杆菌还与一些抗癌药物协同作用，比如5-氟尿嘧啶，激活Bax和Bcl蛋白，增加癌细胞的凋亡。

益生菌可通过调节细胞表面死亡受体及其配体来诱导细胞凋亡。比如，植物乳杆菌分泌的胞外多糖可以通过上调死亡受体Fas及其配体FasL的表达而抑制CT26小鼠结肠癌细胞的增殖，Fas与FasL结合后会通过caspase-8激活快速诱导细胞凋亡；干酪乳杆菌通过诱导凋亡和上调肿瘤坏死因子相关凋亡配体（TRAIL）的表达来抑制结肠癌细胞的生长。

NF-κB是一种关键的调节因子，在多个层面上与炎症和癌症有关。NF-κB级联反应的诱导激活通过靶向细胞周期蛋白D1的表达而促进细胞增殖，通过靶向抗凋亡蛋白Bcl2的表达而抑制细胞凋亡。TLR/MyD88/NF-κB信号通路与结直肠癌的发生密切相关。当TLR4/MyD88通路被激活，会上调结直肠癌细胞中NF-κB p50/p65的活性。同时，也有报道TLR2在结直肠癌患者的肿瘤组织中高水平表达。TLR2基因敲除可显著抑制HCT116和HT-29结直肠癌细胞的增殖，导致G1期阻滞，并伴有NF-κB减少。某些益生菌可通过抑制NF-κB的活性来预防结肠炎相关结肠癌的发生。来自人类母乳的长双歧杆菌可以降低NF-κB的表达，减少异常隐窝病灶的数量，改善结肠细胞的坏死和纤维化。嗜酸乳杆菌可通过TLR-2依赖性过程抑制NF-kB p50/p65的激活来保护肠道上皮。

Bcl-2家族的促凋亡和抗凋亡蛋白之间的微妙平衡控制着细胞凋亡信号通路的激活或抑制。Bak和Bax作为重要的效应蛋白，控制着细胞凋亡进程的关键步骤，包括线粒体外膜的通透性和细胞色素C向细胞质的释放。然而，它可以被Bcl-2蛋白抑制，它是细胞存活的标志。某些益生菌可通过线粒体途径，包括Bax蛋白的易位、细胞色素C的释放以及caspase-9和caspase-3的切割，来显著增加结直肠癌细胞凋亡。有的益生菌也可以显著降低结直肠癌细胞中Bcl-2的表达，增加Bak和Bax的表达。

益生菌也可以产生潜在的抗癌物质来控制癌细胞的增殖和浸润。乳酸杆菌的细胞壁和细胞质提取物具有显著的诱导结直肠癌细胞系细胞凋亡和抑制细胞周期进展的能力，表明其潜在的抗癌活性。益生菌释放的生物活性化合物（比如丁酸、胞外多糖和某些特殊蛋白质），可以控制癌细胞增殖和逆转它们的化学耐药性。比如，副干酪乳杆菌和短乳杆菌产生的胞外多糖可以诱导HT-29结直肠癌细胞凋亡和DNA片段化。益生菌代谢产生的乙酸具有抗癌作用，可能诱导细胞周期蛋白D1和细胞周期蛋白E1基因的转录抑制。粪便丁酸浓度每降低1 μg/L，发生结直肠癌的可能性就增加84.2%。此外，乳酸杆菌和双歧杆菌可能是产生共轭亚油酸的潜在微生物细胞工厂，共轭亚油酸是另一类具有抗癌特性的有益脂肪酸。

3、免疫调节

哺乳动物结肠与微生物生态系统之间的共生关系促进了宿主和微生物群落的共同发展，其中一个驱动因素是在宿主体内建立一个强大的免疫系统。局部免疫是通过存在于肠上皮细胞上的模式识别受体以及肠道内的先天免疫效应物对病原相关分子模式的识别而启动的，而当宿主面对特定抗原时，适应性免疫反应会增强。当上皮屏障被病原体或其产物破坏时，存在于上皮内的免疫细胞和间充质细胞可激活NF-κB和STAT3信号通路，诱导细胞因子的产生，有利于组织稳态修复。一旦这些相互联系的通路失去其紧密的调节，过度的刺激将导致伤口发炎。

慢性不良炎症是结直肠癌发生公认的驱动因素。因此，炎症性肠病患者发生结直肠癌的风险较高。肠道菌群失衡会加剧机体屏障系统的破坏（比如上皮连接的损伤或渗漏）以及致病性感染引起的炎症，这与肿瘤多发性直接相关。基于此，再加上基因组不稳定性相关的表观遗传景观的改变，它会增加癌细胞的侵略性增殖和逃避程序性细胞死亡，这都是癌症的特征。

有些益生菌菌株主要致力于增强宿主免疫力，减少炎症，从而预防癌症。它们可能通过产生短链脂肪酸影响局部免疫，短链脂肪酸是浆细胞分泌IgA增强免疫的明确驱动因素。IgA最初的作用是凝集、诱捕、然后清除黏液中的致病菌，阻断致病菌对上皮细胞的粘附，并直接影响细菌的毒力。IgA包被的共生微生物可促进肠道定植，乳酸杆菌或双歧杆菌与非特异性IgA结合可增强益生菌的黏附。此外，IgA在增强肠道屏障、影响NF-κB核易位相关的信号事件和减少促炎免疫反应中发挥作用。

益生菌及其分泌物是结肠IL-10表达的调节性T细胞诱导剂。某些乳杆菌可能增强调节性T细胞的反应和自然杀伤细胞的活性，从而抑制辅助性Th17细胞反应或检测和清除被感染的靶细胞。丁酸作为一种重要的益生菌代谢物，具有下调IL-6的能力，而IL-6是Th17细胞衍生的细胞因子IL-17a和IL-22的有力推动者，也是异常增殖的启动剂。丁酸还通过与受体GPR109A结合，增强结肠巨噬细胞和树突状细胞的抗炎特性，使它们能够诱导抗炎性调节性T细胞分化，进一步预防癌症。

所有癌细胞中固有的无数遗传和表观遗传变化，会产生许多肿瘤相关抗原，这些抗原可以被宿主免疫系统识别为标记，以区分肿瘤细胞和正常细胞。正常情况下，免疫系统可以识别并清除肿瘤微环境中的肿瘤细胞，但为了生存和生长，肿瘤细胞能够采用不同策略，使人体的免疫系统受到抑制，不能正常的杀伤肿瘤细胞，从而在抗肿瘤免疫应答的各阶段得以幸存。癌症免疫治疗就是通过重新启动并维持肿瘤-免疫循环，恢复机体正常的抗肿瘤免疫反应，比如免疫检查点抑制剂治疗。

肿瘤免疫治疗中两个至关重要的免疫检查点受体是细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4 （CTLA-4）和程序性细胞死亡蛋白1 （PD1），它们从不同角度和不同机制调节免疫应答。CTLA-4仅在T细胞上表达，介导抑制信号进入T细胞，下调T细胞激活的幅度，从而消除抗肿瘤免疫。在生理功能方面，阻断CTLA-4可广泛增强效应CD4+ T细胞活性，抑制调节性T细胞依赖性免疫抑制，从而增强抗肿瘤免疫。不同的是，PD1在活化的T细胞、B细胞和自然杀伤细胞上被诱导表达，其配体受肿瘤细胞中的致癌信号通路或肿瘤微环境中的炎症信号所驱动。当其配体（通常在肿瘤细胞表面过表达）参与时，PD1可能促进高度肿瘤浸润的调节性T细胞的增殖，从而抑制效应免疫反应。在这方面，阻断PD1通路会通过抑制肿瘤内调节性T细胞的数量及其功能来增强抗肿瘤免疫反应。此外，阻断PD1可能通过间接或直接作用于PD1+ B细胞，增强肿瘤和组织中自然杀伤细胞的功能并增加抗体的产生。

益生菌因其针对免疫检查点的干预以增强对肿瘤的免疫活性而获得关注，它们可增强靶向PD-1/PD-L1和CTLA-4的多种免疫检查点抗体的治疗效果，同时减轻其副作用。益生菌联合PD-L1特异性抗体治疗可导致肿瘤显著消退，且无结肠炎副作用。这种加成效应可能通过靶向抗肿瘤免疫应答的两个不同阶段发生，分别是树突状细胞介导的CD8+ T细胞的启动和CD8+ T细胞在肿瘤部位的直接再激活。在相同的模型中，当益生菌与CTLA-4抗体协同作用时，也会出现一致的效果。

4、抗氧化特性

氧化应激以细胞内氧自由基（比如活性氧）的过度积累为特征，与结直肠癌密切相关。活性氧的积累会增加突变，促进正常细胞向肿瘤细胞的转化，同时有效地维持驱动肿瘤发生和进展的重要信号分子的稳定性，这是肿瘤发生和恶化的一个因素。超氧阴离子自由基、羟基自由基和过氧化氢是线粒体产生的活性氧的代表。相反，酶促抗氧化剂，比如谷胱甘肽过氧化物酶、超氧化物歧化酶、谷胱甘肽还原酶、过氧化物酶和过氧化氢酶是中和活性氧以阻止氧化损伤的手段。

益生菌具有自己的抗氧化酶系统。某些乳球菌可产生超氧化物歧化酶和过氧化氢酶，显示出抗氧化特性，可以保护小鼠免受结肠癌的侵害。同样，发酵乳杆菌可表达锰超氧化物歧化酶，对氧化应激具有较强的抗性。益生菌还具有提高宿主抗氧化酶活性的作用。婴儿双歧杆菌通过提高过氧化氢酶和超氧化物歧化酶的活性和诱导破坏IL-6的水平，缓解结肠癌的发生。植物乳杆菌能有效地改变结肠癌大鼠的脂质过氧化和抗氧化酶活性，使其达到平均水平，从而减轻肿瘤的发生。

益生菌的抗氧化作用主要表现在产生多种代谢物，比如谷胱甘肽、丁酸和叶酸。某些益生菌菌株含有谷胱甘肽过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶，是谷胱甘肽合成、运输和循环利用必不可少的。谷胱甘肽和谷胱甘肽过氧化物酶的协同作用可以清除过氧化氢和羟基自由基等自由基。凝结芽孢杆菌释放的胞外多糖也可清除自由基，甚至可与维生素C和E等已知的抗氧化剂相媲美。除了作为活性氧清除剂外，产胞外多糖的短双歧杆菌还具有螯合剂的作用，可以捕获金属离子并阻止其氧化。在某些情况下，益生菌可以减少一系列酶促反应和化学过程，从而降低正常细胞活性氧的产生。

通过清除正常细胞中的活性氧可以抑制正常细胞向肿瘤细胞的转化，然而，诱导肿瘤细胞中活性氧的产生可能加速其损伤和凋亡，这是另一个治疗角度。某些益生菌也可通过诱导肿瘤细胞活性氧的产生和对细胞线粒体造成氧化损伤而表现出缓解癌症的潜力。例如，副干酪乳杆菌处理的HT-29结直肠癌细胞会产生大量活性氧，同时超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性显著降低。

5、改变代谢

结肠组织的能量平衡在很大程度上依赖于丁酸，这是结肠细胞的主要能量来源，它们通过β-氧化代谢丁酸，这涉及到三羧酸循环中乙酰辅酶A的利用。但是，由于瓦氏效应（Warburg effect），肿瘤即使在氧气充足的情况下，也会大量消耗葡萄糖，并将其转化为乳酸，这一过程与β-氧化的抑制有关。

小鼠补充益生菌后，参与三羧酸循环、糖酵解、丁酸代谢、脂肪酸生物合成和半乳糖代谢的代谢物会发生改变。双歧杆菌可增加柠檬酸水平，它会下调糖酵解，从而抑制癌细胞的生长。某些益生菌可产生功能性β-半乳糖苷酶，作为抑制细胞增殖和延缓结直肠癌形成的关键蛋白。β-半乳糖苷酶是合成半乳糖和扰乱能量稳态以触发氧化磷酸化以及下调Hippo致癌途径的有效工具。

此外，益生菌衍生的代谢物通过不同的表观遗传机制在减少结肠直肠肿瘤的发生中发挥非常重要的作用，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和负责基因表达调控的非编码RNA的调节。比如，益生菌鼠李糖乳杆菌和发酵乳杆菌能够通过改变整体DNA甲基化来减缓结直肠癌的发生和进展，DNA甲基化异常与宿主细胞的代谢失衡和炎症级联反应有关。发酵乳杆菌还通过参与抵抗超乙酰化，降低IL-6等促炎细胞因子的转录活性，帮助维持肠道免疫稳态，预防结直肠癌。 

另外，致病菌释放的有害酶会进一步产生更多的致癌化合物，比如芳香胺、次级胆汁酸、色氨酸、硫化氢、乙醛和活性氧。例如，β-葡萄糖醛酸酶参与利用肠道内的饮食释放2-氨基-3-甲基咪唑[4,5-f]喹啉。偶氮还原酶代谢染料和药物等化合物，产生有毒的芳香胺。当然，适度补充益生菌也具有很好的挽救作用，比如嗜黏蛋白阿克曼氏菌可以通过抑制色氨酸代谢来对抗结直肠癌的进展。

结肠癌患者粪便中次级胆汁酸水平升高。许多次级胆汁酸会加速对结肠上皮结构和功能的有害影响。嗜酸乳杆菌和两歧双歧杆菌可以降解胆汁酸，可用于预防结直肠癌。短链脂肪酸是结肠细胞的能量来源，可以促进酸性环境，阻止高水平次级胆汁酸的形成。

益生菌也可结合和降解致癌物，比如杂环胺，从而减少其致癌性。当同时益生菌时，这些致癌物引起的诱变性降低到约28%。随着双歧杆菌和乳酸杆菌数量的增加，有毒代谢物、胺、吲哚、对甲酚和粪臭素减少。

总结

近年来，微生物组领域为结直肠癌的进展提供了有价值的见解。人体携带有数以万亿计的微生物，它们主要在肠道内与宿主相互作用，在肠道内，某些病原微生物的定植和侵袭会使上皮细胞屏障恶化，从而引发结直肠癌的发生。肠道有益微生物是维持胃肠道内稳态所必需的，对宿主健康有益，是癌症治疗成功的关键。

益生菌及其组分和分泌物由于能够调节肠道菌群组成以减少病原体的定植、修复屏障损伤、诱导癌细胞凋亡、激活宿主免疫防御、消除氧化应激、改变代谢而显示出抗肿瘤特性：

• 益生菌可以通过竞争性黏附到肠上皮细胞上，产生抗菌物质（比如细菌素和有机酸）抑制有害微生物的定植，从而改善肠道菌群，帮助形成坚实的肠道屏障；

  
  

• 某些益生菌菌株会特异性靶向细胞凋亡过程中必需的蛋白质，从而破坏结直肠癌细胞对细胞凋亡的抵抗；

  
  

• 益生菌还能增强巨噬细胞和自然杀伤细胞的激活，释放具有抗肿瘤特性的细胞毒性细胞因子，同时促进抗肿瘤T细胞反应，从而最大限度地提高结直肠癌免疫治疗的效率，来清除癌细胞；

  
  

• 益生菌也可以优化抗氧化系统，减少自由基的产生和中和活性氧，有效地减少氧化引起的损伤，以预防和控制结直肠癌；

  
  

• 最后，益生菌可以改变癌细胞的代谢，从而抑制癌细胞的生长，同时结合和降解诱变化合物和致癌物质，比如杂环芳香胺，以减少其致癌性。

癌症是一种令人闻之色变、听之丧胆的可怕疾病，一旦染上癌症，似乎就是宣判了死刑。其实，很多癌症都是我们不健康的饮食习惯和不良的生活方式所导致的，越来越多的证据也表明，这一切又似乎都归因于不良习惯对肠道健康的破坏。健康的饮食和生活方式可以帮助我们预防很多疾病的发生。癌症的治疗也需要有健康的肠道菌群，很多实验已经证明，肠道菌群的健康与否与抗癌药物的疗效有着密切的联系，不健康的肠道和肠道菌群会让抗癌药物的效果大打折扣。益生菌作为癌症治疗的一种辅助治疗手段，可以在很大程度上提高药物的疗效，还可以大大降低药物治疗所带来的副作用。合理补充益生菌有望推进结直肠癌的治疗，为预防和治疗结直肠癌提供新的解决方案，为患者带来新希望。

参考资料：

Li Q, et al. Mechanism of probiotics in the intervention of colorectal cancer: a review. World J Microbiol Biotechnol. 2024 Aug 20;40(10):306.