REVIEWS & SCIENCE
综述与科普
产丁酸菌匮乏影响炎癌转化机制的研究进展
引言 · 丁香园
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【摘要】慢性炎症驱动的恶性转化是多种肿瘤发生发展的核心病理过程。尽管非甾体抗炎药和糖皮质激素等传统抗炎手段可在短期内缓解症状,但其长期使用受限于胃肠道损伤、肾毒性、免疫抑制等显著不良反应,且难以从源头阻断驱动炎症持续的微环境失衡。近年来,以酪酸梭菌为代表的产丁酸菌被视为维持肠道稳态的“基石菌”,其通过产生短链脂肪酸丁酸,发挥滋养肠上皮、增强屏障功能、抑制NF-κB通路及调节Treg细胞分化等多重保护效应。本文聚焦于产丁酸菌在慢性炎症向恶性肿瘤转化(即“炎-癌转化”)过程中的关键作用,阐明了补充产丁酸菌从源头重建丁酸水平、阻断炎癌转化的机制研究以及酪酸梭菌的临床价值与应用前景。
【关键词】炎癌转化;产丁酸菌;酪酸梭菌;基石菌;丁酸;慢性炎症;结直肠癌;胃癌;肝癌
引言
炎癌转化,亦称“炎-癌”转化,是指在慢性或非可控性炎症的持续作用下,正常组织经历多阶段、渐进性的病理演变,最终发生恶性转化形成肿瘤的复杂生物学过程。长期存在的炎症微环境会破坏组织稳态,诱导免疫抑制、氧化应激、DNA损伤及上皮-间质转化(EMT),从而促进正常上皮细胞获得恶性表型[1]。流行病学与实验研究已明确,炎症性肠病、幽门螺杆菌相关胃炎、病毒性肝炎等慢性炎症状态显著增加结直肠癌、胃癌和肝癌的风险[2]。因此,切断慢性炎症与癌症之间的转化链条,已成为肿瘤预防的重要策略之一。
尽管以手术、抗生素、抗炎药物为代表的常规干预手段在控制炎症相关肿瘤方面取得了一定成效,但其靶点单一、不良反应明显、难以从源头遏制炎症持续等局限日益凸显。近年研究揭示,人体肠道内数以万亿计的微生物并非被动的共生体,而是一个高度动态且功能多样的“代谢-免疫器官”。值得注意的是,产丁酸菌作为维持肠道稳态的肠道基石菌,其丰度下降与多种癌症密切相关。2024年Wu等提出的肠道核心菌群“跷跷板模型”明确指出,产丁酸菌是维系肠道微生态平衡的关键功能类群[3]。产丁酸菌代谢产生的丁酸(又称酪酸),不仅是结肠上皮细胞70%以上能量的来源,还能通过调节组蛋白乙酰化、抑制NF-κB通路、增强屏障功能等机制抑制炎症与癌变[4]。酪酸梭菌作为重要的产丁酸菌,已被证实能改善肠道屏障、缓解炎症、调节肠道菌群平衡,并在结肠炎、急性胰腺炎及胃炎等模型中展现出抗炎与组织保护效应。不仅如此,酪酸梭菌及其代谢产物丁酸通过重塑微环境抑制肿瘤进展,例如在结直肠癌防治中发挥重要作用[5]。因此,产丁酸菌,尤其是酪酸梭菌(又称丁酸梭菌)的匮乏会削弱机体对慢性炎症的调控能力,进而加速炎-癌转化进程。
图1 酪酸梭菌示意图2.目前治疗局限性
慢性炎症是多种恶性肿瘤发生发展的共同驱动因素,但当前的临床治疗方案大多围绕“控制炎症”或“消灭已形成的肿瘤”展开,在真正从源头阻断炎癌转化方面,仍存在局限。
在抗炎治疗领域,以非甾体抗炎药(NSAIDs)和糖皮质激素为代表的经典抗炎药物虽然在短期内能够有效抑制炎症反应、缓解临床症状,但其长期应用的局限性日益凸显[6]。NSAIDs长期使用会导致胃肠道黏膜损伤、出血及肾功能损害,且其抗炎效应主要针对炎症介质的下游环节,难以从根源上解决驱动炎症持续的上游因素,一旦停药,炎症极易复发[7]。糖皮质激素长期应用所引发的代谢紊乱、免疫抑制及感染风险使其不适合作为炎癌转化的长期预防策略[7]。
在肿瘤治疗领域,手术切除、放化疗仍然是消化系统恶性肿瘤的主要治疗手段。然而,这些手段均侧重于对“已成型的肿瘤”进行清除,对于尚未到达恶性转化阶段的慢性炎症状态,缺乏精准、有效的早期阻断策略。免疫检查点抑制剂(ICB)的问世为晚期肿瘤患者带来了新的希望,但其在肿瘤中的响应率仍有待提升[8]。尤其是在微卫星稳定型(MSS)结直肠癌中,因肿瘤微环境中缺乏足够的肿瘤浸润淋巴细胞,在免疫学上被称为"冷"肿瘤,其对ICB治疗通常呈现低应答甚至无应答状态[5]。如何将免疫抑制性的冷肿瘤转化为免疫激活性的热肿瘤,是长期制约免疫治疗发展的瓶颈,也是公认的“卡脖子”难题。
综上所述,当前传统疗法面临的核心困境在于:(1)靶点单一,多作用于下游效应环节,无法纠正肠屏障损伤、菌群紊乱等上游病因,难以从上游根源阻断炎症的持续驱动[9, 10];(2)不良反应突出,长期使用会导致胃肠道损伤、肝肾功能异常等[11];(3)免疫治疗的不应性和抗生素耐药等问题进一步加剧了临床挑战。正是在这一背景下,以补充产丁酸菌为代表的微生态干预策略,因其作用于炎癌转化链条的最上游,从源头阻断疾病的发展,在炎癌转化过程中发挥了重要作用。
3.产丁酸菌匮乏诱发慢性炎症导致恶性转化的病理机制
产丁酸菌,尤其是酪酸梭菌作为肠道核心“基石菌”,是机体抵御慢性炎症持续化的关键防线。产丁酸菌匮乏诱发炎-癌转化的共性病理机制包括:(1)产丁酸菌减少直接导致丁酸水平下降,破坏肠道物理屏障功能,导致“肠漏”[9]。(2)肠道菌群失调,肠杆菌科、具核梭杆菌等致病菌过度生长,放大炎症[10, 12]。(3)免疫稳态破坏进一步加剧炎症持续与组织损伤。(4)诱发大量活性氧,加剧DNA损伤与基因组不稳定性,为肿瘤发生奠定基础。综上,产丁酸菌匮乏构成基石菌缺失→丁酸不足→肠漏→毒素易位→免疫失衡→慢性炎症→促进“炎癌转化”的病理链条。
图2 产丁酸菌匮乏诱发慢性炎症导致恶性转化的病理机制
4.产丁酸菌抗炎、抗肿瘤的机制研究
4.1 修复肠黏膜屏障:切断炎症的始动源头
肠黏膜屏障破坏是炎癌转化的起始环节,导致毒素(如LPS)进入血液并激活持续性炎症反应。酪酸梭菌通过多条机制修复受损的肠黏膜屏障。首先,酪酸梭菌能够提升肠道内丁酸浓度,为肠上皮细胞提供关键能量来源,促进其增殖与修复[13]。其次,酪酸梭菌显著上调肠道上皮紧密连接蛋白Occludin、Claudin-1和ZO-1的表达[14]。此外,酪酸梭菌还能通过抑制组蛋白去乙酰化酶1(HDAC1)的表达,调控染色质结构与基因转录,进一步增强屏障功能[15]。这些结果表明,酪酸梭菌通过维持上皮屏障结构,降低全身内毒素水平,从源头上阻断慢性炎症的启动,为抑制炎癌转化奠定基础。
4.2 重建肠道微生态平衡:抑制致病菌与炎症放大
产丁酸菌(如酪酸梭菌)能通过降低肠道 pH、生态占位、营养竞争抑制致病菌增殖。研究显示,补充酪酸梭菌能显著减少肠杆菌科、具核梭杆菌等条件致病菌过度生长[16]。这种菌群结构的优化有助于恢复微生物多样性。酪酸梭菌通过产生抗炎代谢物,抑制炎症和强化肠道屏障功能[10, 12]。因此,酪酸梭菌及其代谢产物丁酸通过重塑肠道微生态平衡、强化屏障功能,打断了“菌群失衡—炎症放大”的级联反应,为阻断炎癌转化提供关键干预节点。
4.3 抑制慢性炎症与免疫调节:恢复免疫耐受稳态
产丁酸菌的匮乏在炎癌转化过程中通过破坏免疫稳态加剧慢性炎症,而补充产丁酸菌能有效抑制炎症反应并重建免疫耐受。研究表明,丁酸能够促进调节性T细胞(Treg)的分化与功能,同时抑制促炎性Th17细胞的过度活化,从而恢复Treg/Th17平衡[17-19]。此外,丁酸还能调节巨噬细胞极化状态,促进巨噬细胞向 M2 型极化[20]。与此同时,丁酸能有效抑制NLRP3炎症小体的异常激活,减少IL-1β等促炎因子的释放,阻断炎症信号的持续放大[21]。这些机制共同表明,产丁酸菌及其代谢产物丁酸在维持免疫细胞平衡、抑制慢性炎症和重建免疫耐受方面具有不可替代的作用。
4.4 抑制促癌信号通路与诱导肿瘤细胞凋亡:直接抗肿瘤效应
丁酸通过抑制Wnt/β-catenin信号通路的异常活化,降低核内β-catenin及下游靶基因c-Myc的表达,从而阻断促增殖与促转移信号传导[22];酪酸梭菌产生的丁酸直接作用于CD8⁺ T细胞,通过直接杀伤作用和维持CD8⁺ T细胞干性特征,显著增强其抗肿瘤效应[23, 24];丁酸还能诱导肿瘤细胞发生线粒体依赖性凋亡,促进细胞周期阻滞,直接清除具有恶变潜能的细胞[22];此外,酪酸梭菌还被发现能下调METTL3等促癌因子的表达,进而抑制上皮-间质转化(EMT)及血管生成拟态(VM)等促转移过程[25]。综上,酪酸梭菌通过释放丁酸,不仅抑制促癌信号通路,更直接诱发其凋亡,构成一道针对炎癌转化的重要内在防御机制。
4.5 激活抗肿瘤免疫:增强治疗敏感性
酪酸梭菌能与免疫检查点阻断疗法协同作用,将“冷”肿瘤转化为“热”肿瘤,显著增强抗PD-1在MSS及MSI-H型结直肠癌的疗效,并在AOM/DSS诱导的结直肠癌模型中得到验证[26]。不仅如此,酪酸梭菌制剂与放化疗治疗联用,不仅能提升治疗敏感性,还能通过维护肠道稳态、减轻毒副反应,保障疗效与患者生活质量[27, 28]。这表明酪酸梭菌能显著提高机体对免疫治疗的响应能力,强化对肿瘤细胞的免疫监视,从而有效阻断炎癌转化的终末阶段。
4.6 抗氧化通路激活效应:降低突变压力
丁酸能激活NRF2信号通路,并协同HIF-1α上调抗氧化酶如过氧化氢酶和超氧化物歧化酶(SOD)的表达,有效清除过量活性氧(ROS),减轻氧化损伤[29]。同时,丁酸还能提升还原型谷胱甘肽(GSH)水平及其与氧化型谷胱甘肽(GSSG)的比值,增强细胞整体的氧化还原平衡能力[30]。此外,酪酸梭菌干预能降低脂质过氧化产物丙二醛(MDA)含量,并抑制促炎因子IL-1β和TNF-α的表达,进一步阻断氧化应激与炎症之间的正反馈循环[31]。综上,酪酸梭菌及其代谢产物丁酸,激活细胞内关键的抗氧化通路,从而缓解慢性炎症所驱动的氧化应激状态。
5 产丁酸菌在相关疾病炎癌转化中的干预作用
补充产丁酸菌,尤其是酪酸梭菌,通过作用于炎癌转化链条的最上游,源头抑制慢性炎症的启动与持续,为多种炎症相关肿瘤的早期预防与综合治疗提供了全新的微生态干预策略。
5.1 结直肠癌
结直肠癌患者中普遍存在产丁酸菌丰度的显著降低,大量研究表明产丁酸菌匮乏与结直肠癌的发生发展密切相关[32, 33]。溃疡性结肠炎(UC)是结直肠癌(CRC)尤其是炎症相关性结直肠癌(CAC)发生的重要高危因素,溃疡性结肠炎病程达30年的患者癌变率高达17.8%[34, 35]。研究表明,补充酪酸梭菌能显著减轻实验性结肠炎的炎症程度,降低促炎因子 TNF-α 水平。干预机制:酪酸梭菌能抑制肠上皮-间质转化(EMT),通过上调 E-cadherin 表达并下调 Vimentin 表达,阻止细胞恶变倾向[33]。同时,丁酸通过抑制去乙酰化酶(HDAC)活性,在结肠癌中能调控基因表达,诱导细胞周期阻滞和凋亡,从而抑制肿瘤发生[36]。基于丁酸兼具抗炎与抗肿瘤双重特性,研究表明联合使用抗炎药(如5-ASA)与HDAC抑制剂(丁酸),有助于缓解溃疡性结肠炎患者的炎症,并降低结直肠癌风险,成为预防癌变的有效策略[37]。综上,酪酸梭菌通过产丁酸及其他非丁酸依赖机制,在肠炎肠癌转化的多个环节发挥抗炎、屏障保护、菌群调节和直接抗肿瘤的多重作用。
酪酸梭菌在溃结-肠癌轴中的预防与干预价值:(1)用于长期溃疡性结肠炎患者,降低肠屏障损伤与慢性炎症,延缓或阻止癌前病变发生[38];(2)酪酸梭菌能降低结直肠腺瘤性息肉复发风险,实现癌前病变干预[39];(3)在放化疗及免疫治疗期间使用,减轻放化疗所致肠道损伤、菌群紊乱与炎症反应,改善肿瘤患者生活质量[27, 28];与免疫检查点阻断疗法协同作用,显著增强抗PD-1在MSS及MSI-H型结直肠癌的疗效[5, 40]。
5.2 胃癌
胃癌患者中产丁酸菌丰度显著减少,产丁酸菌匮乏削弱了对幽门螺杆菌(Hp)相关慢性炎症的调控并与致癌微环境形成密切相关[41]。胃癌通常由慢性胃炎发展而来。胃癌主要有两个亚型:肠型与弥漫型。肠型胃癌更常见,其主要原因是幽门螺旋杆菌感染[1, 42]。前瞻性研究显示,幽门螺杆菌阳性人群发生胃癌的风险与阴性人群相比增加4~6倍[43]。在癌前阶段,酪酸梭菌通过协同根除幽门螺杆菌,从源头上降低了胃癌发生的风险。李海娥等[44]通过评估酪酸梭菌活菌胶囊联合标准四联疗法清除幽门螺杆菌的临床疗效,发现酪酸梭菌联合疗法治疗幽门螺杆菌感染,根除率(88.18%)显著高于单用四联疗法(76.36%)。丁酸能够抑制胃癌细胞的增殖,并通过线粒体途径诱导胃癌细胞凋亡[41]。不仅如此,在一项酪酸梭菌对胃癌患者胃切除术后早期恢复影响的研究中,发现胃切除术后口服酪酸梭菌能通过改变肠道微生物组成和短链脂肪酸的水平来降低炎症反应,增强免疫能力,减少术后并发症发生,最终促进胃癌患者的术后康复[45]。不仅如此,酪酸梭菌联合传统疗法还能缓解消化道症状,降低传统治疗的不良反应[46]。因此,产丁酸菌主要通过联合根除幽门螺杆菌、减轻治疗不良反应、术后改善肠道微生态和免疫状态,降低胃癌发生风险。
5.3 肝癌
肝癌患者中产丁酸菌丰度显著降低,产丁酸菌匮乏促进了肝癌的发生发展[47]。慢性肝病的特征是持续炎症和随后的肝纤维化,导致肝硬化和肝细胞癌(HCC)[1, 48]。酪酸梭菌及其代谢产物丁酸在“肝炎→肝癌”这一炎癌转化过程中在主要集中在纠正肠道菌群失衡、丁酸对乙型肝炎病毒(HBV)复制的抑制及其对HCC的抗肿瘤能力方面。首先,口服酪酸梭菌能纠正肠道菌群失衡,减轻全身炎症并改善肝功能[49]。这种免疫调节作用有助于减缓慢性乙肝向肝硬化及肝癌的进展[49]。其次,Honda等[50]研究表明产丁酸菌及其代谢产物丁酸能通过抑制乙型肝炎病毒(HBV)复制,减轻肝脏炎症,从而降低肝癌风险。此外,肝细胞癌(HCC)是最常见的炎症相关癌症之一。丁酸能通过调节与索拉非尼相关的microRNA(如miR-7641和miR-199),在索拉非尼耐药的HCC中发挥抗肿瘤作用,改善现有靶向治疗的疗效[51]。
5.4 胰腺癌
胰腺癌患者肠道产丁酸菌丰度显著降低[52],产丁酸菌匮乏导致丁酸水平下降,削弱了其调控CD8⁺ T细胞功能及缓解炎症的能力,从而促进胰腺癌的发生与发展[53]。慢性胰腺炎(CP)是胰腺癌最危险的诱因之一[54]。酪酸梭菌及其代谢产物丁酸在胰腺炎向胰腺癌(尤其是胰腺导管腺癌,PDAC)转化过程中发挥重要作用[54]。首先,补充酪酸梭菌能保护肠道屏障,减少致病菌(如大肠埃希菌)进入胰腺,从而阻断“炎症级联放大”过程[45, 55, 56]。同时,酪酸梭菌还能通过调控AMPK/NF-κB信号通路抑制炎症级联反应,减轻胰腺组织损伤[57]。其次,流行病学证据表明,胰腺炎(尤其是慢性或反复发作的急性胰腺炎)显著增加胰腺癌风险,特别是在发病后前3年内风险最高[58]。补充酪酸梭菌能限制PDAC进展[58]。此外,丁酸作为HDAC抑制剂,能干扰胰腺癌生物学行为,增强对治疗的反应,并缓解癌症本身或化疗引起的损伤[55]。综上,产丁酸菌既能减轻胰腺炎阶段的炎症与肠屏障损伤,又在癌变进程中抑制肿瘤生长、调节微环境并增强治疗敏感性。
5.5 肺癌
研究表明,非小细胞肺癌(NSCLC)患者肠道中产丁酸菌显著减少,并证实肠道产丁酸菌匮乏与肺癌发生发展相关。持续性炎症反应会营造有利于肿瘤发生、增殖和免疫逃逸的微环境,显著增加肺癌风险[59]。在此背景下,补充产丁酸菌,特别是酪酸梭菌及其代谢产物丁酸,已被多项研究证实具有抗肺癌能力。研究表明,丁酸可显著抑制NSCLC细胞的存活,诱导caspase-3活化并降低细胞活力[60];此外,酪酸梭菌与靶向药物(如阿帕替尼)协同增强抗肿瘤效果[61];另一项围手术期研究也表明,使用酪酸梭菌可有效降低肺叶切除术后器官/腔隙感染率,减轻炎症负担[62]。这些证据共同支持:通过补充酪酸梭菌或丁酸,可调节炎症微环境、抑制肺癌进展,并可能提升现有治疗策略的临床疗效。
5.6 黑色素瘤
产丁酸菌减少导致丁酸水平下降,削弱其对CD8⁺ T细胞干性的维持作用及FOXO1介导的抗肿瘤免疫应答,从而促进黑色素瘤发展[63]。炎症在黑色素瘤的发生与发展中起关键促进作用,慢性炎症可诱导免疫抑制性微环境、促进肿瘤细胞增殖与转移,并削弱抗肿瘤免疫应答。多项研究表明,补充产丁酸菌,如酪酸梭菌或其代谢产物丁酸能有效干预这一过程[63, 64]。酪酸梭菌能通过代谢工程策略在肿瘤缺氧区域定植并释放丁酸,实现对黑色素瘤的抑制[64]。丁酸不仅直接抑制B16黑色素瘤细胞增殖并诱导凋亡[65],还能通过调控转录因子Foxo1增强CD8⁺ T细胞的干性,提升其抗肿瘤功能及对免疫检查点抑制剂的响应能力[63]。补充丁酸或酪酸梭菌显著抑制黑色素瘤生长,表明其在临床转化中具有治疗价值[64, 66]。
5.7 前列腺癌
前列腺癌患者中存在产丁酸菌丰度减少[67]。产丁酸菌匮乏通过减弱对前列腺癌细胞凋亡的诱导作用,沉默抑癌基因(如maspin)以及促进促炎因子产生,推动前列腺癌的发生与发展[68]。慢性炎症在前列腺癌的发生与发展中扮演关键角色,其特征是炎性细胞浸润至前列腺萎缩区域,并与被称为增生性炎性萎缩(PIA)的癌前病变密切相关,而PIA被认为是前列腺癌的起始环节[69]。长期存在的炎症微环境通过释放促炎因子(如IL-6)激活致癌信号通路,促进细胞异常增殖、DNA损伤及免疫逃逸,从而驱动前列腺癌的发生和进展[70]。在此背景下,产丁酸菌及其代谢产物丁酸显示出干预价值。丁酸能诱导人前列腺癌细胞系发生凋亡,并重新激活因表观遗传沉默而失活的抑癌基因以及抑制促炎因子产生,阻断炎症驱动的致癌过程[68]。
6.酪酸梭菌的临床价值与应用前景
在临床疗效上,首先是肠道疾病领域,酪酸梭菌联合美沙拉嗪,能显著提高溃疡性结肠炎的缓解率,降低复发;酪酸梭菌制剂作为微生态调节剂,目前已广泛用于抗生素相关性腹泻、炎症性肠病及肠易激综合征等多种胃肠道疾病的治疗[71-73]。在肿瘤领域,酪酸梭菌能降低癌前病变复发,还能减轻结直肠癌患者放化疗的不良反应,改善免疫炎症指标。与免疫检查点抑制剂联用,能显著提升抗肿瘤的效果[5, 27, 28, 40]。
目前,在国家863项目的支持下,医用微生态制品开发国家地方联合工程研究中心已经筛选出了高活性的酪酸梭菌菌株CGMCC0313-1,并在高密度发酵、微囊化制剂工艺上取得突破,成功实现基石菌酪酸梭菌的产业化。凭借其良好的疗效和安全性,酪酸梭菌被国家药品监督管理局批准为绿标OTC国药准字药品[74, 75]。补充产丁酸菌能直接作用于炎症的上游,纠正菌群紊乱、修复肠屏障、调节免疫,从源头阻断炎癌转化。未来产丁酸菌能用于健康人群慢性炎症早期干预、结直肠癌癌前病变预防与术后联合治疗。
7.总结
慢性炎症是慢病与肿瘤的共同通路,而产丁酸菌匮乏是肠源性慢性炎症的核心始动因素。产丁酸菌匮乏通过“丁酸减少→屏障破坏→慢性炎症持续→免疫抑制→细胞恶性转化”的级联链条,深度参与结直肠癌、胃癌、肝癌、胰腺癌等多种肿瘤的炎癌转化进程。酪酸梭菌作为典型产丁酸菌代表在修复肠黏膜屏障、重建微生态平衡、抑制慢性炎症与恢复免疫耐受、直接抑制促癌信号通路与诱导肿瘤细胞凋亡、激活抗肿瘤免疫增强治疗敏感性、以及激活抗氧化通路降低突变压力等炎癌转化相关环节发挥重要作用。不仅如此,酪酸梭菌在溃疡性结肠炎相关结直肠癌的预防、幽门螺杆菌相关胃癌的协同根除及术后康复、慢性肝炎相关肝癌的联合治疗及胰腺炎的炎症控制中均展现出明确的应用价值,并与放化疗及免疫检查点抑制剂联合使用时表现出增效减毒效应。
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