慢性结肠炎发生及癌变的分子机制研究进展
杨万才(UnivrsityofIllinoisatChicago)韩安家(医院)
中华病理学杂志,
,45(03):-.DOI:10./cma.j.issn.-..03.以下内容和版式版权归属中华医学会，未经授权不得转载
结肠癌是最常见的恶性肿瘤之一，其发病率和病死率在中国乃至世界范围内均很高[1,2]，其中一部分结肠癌是由慢性结肠炎引起的，称之为结肠炎相关的结肠癌(colitis-associatdcoloncancr)。大量的流行病学、实验病理学和临床研究表明炎症性肠病(inflammatorybowldisas)，特别是慢性溃疡性结肠炎(chroniculcrativcolitis)和克罗恩病(Crohndisas)的长期存在可以恶性转化为结肠癌，甚至促进结肠癌的进展和早期转移[3,4]。本文主要论述慢性结肠炎的发生及其恶变的分子机制研究进展。
一、慢性结肠炎的临床特征、病理特征及恶变
慢性溃疡性结肠炎是一种常见的病因不明的慢性炎症性肠道疾病，可累及结肠各段，多累及乙状结肠和直肠，偶见于回肠。临床症状多为腹泻、腹痛和黏液脓血便。慢性溃疡性结肠炎在欧美国家很常见，发病率为(10～20)/10万。近十年来，随着饮食结构和生活习惯的改变，我国慢性溃疡性结肠炎发病率呈逐年上升趋势，慢性溃疡性结肠炎的患病率约为10/10万，在一些发达城市甚至接近欧美国家的水平。目前慢性溃疡性结肠炎已成为我国消化系统常见疾病。慢性溃疡性结肠炎的病理特征主要表现为病变局限于结肠黏膜和黏膜下层，呈广泛的结肠黏膜组织的损伤破坏、溃疡形成和黏膜隐窝出现微脓肿，大量急性炎性细胞和淋巴细胞、浆细胞在结肠黏膜间质内广泛浸润，黏膜水肿，杯状细胞减少，黏液分泌减少。近年研究发现，随着疾病的迁延不愈和炎性病变的加重，并发结直肠癌的风险逐步增加，慢性溃疡性结肠炎患者10年后累积癌变率为2%，20年上升至8%，而30年以上者则高达18%[5]。在另一项对慢性溃疡性结肠炎人群和正常人群进行对照回顾性研究发现，慢性溃疡性结肠炎人群的结直肠癌的发病率是非慢性溃疡性结肠炎人群的2～3倍[6]。因此，与慢性溃疡性结肠炎相关的结直肠癌被认为是慢性溃疡性结肠炎的严重并发症。据统计，约15%的慢性溃疡性结肠炎患者死于结肠癌及其转移引起的并发症[5,7]。克罗恩病是一种消化道的慢性、反复发作和非特异性炎性改变，病变呈节段性分布，可累及消化道任何部位，其中以回肠末端最为常见，结肠和肛门病变也较多。主要的症状有腹痛、腹泻、发热、消瘦、贫血、食欲减退、恶心呕吐、腹部肿块、肠梗阻、瘘管形成等，伴有营养不良、贫血、关节炎、虹膜炎和肝脏损害等全身表现。病理特点是肠壁黏膜呈铺路石样改变和肠腔狭窄，组织学表现为肠壁全层炎性改变，常有裂隙状溃疡，部分病例可见结核样结节。与慢性溃疡性结肠炎相比，克罗恩病癌变率较低，30年后的癌变率在8%左右[8]。但目前关于慢期结肠炎恶变为结肠癌的分子机制尚不十分清楚。
二、基因和环境因素的相互作用与慢性结肠炎的发生和恶变
慢性结肠炎的发生及其恶变是一个复杂的过程，有多种原因引起和多种因素参与。近年来大量的研究揭示基因与环境因素的相互作用可能在慢性结肠炎的发生中起重要的作用，并可加速慢性炎性病变的进程，促进炎性病变的恶变、进展及转移。其中一个突出的进展就是肠道内菌群失调(dysbiosis)可能在慢性结肠炎恶变中起主要作用[6,9,10,11,12,13,14]。肠道菌群失调导致微生态改变，激活结肠黏膜炎性介质，如氧化应激、一氧化氮、细胞因子、COX2等。生活方式、饮食习惯和心理压力等也是引起肠道炎性改变的原因。综合而言，基因和环境因素的相互作用，引起炎性改变，导致基因突变、癌基因活化以及表观遗传学的改变，从而引起结肠癌的发生。
1肠道菌群失调、慢性结肠炎、结肠炎相关的结肠癌
肠道里含有大量的细菌、真菌和病*等微生物，构成了肠道的微环境。这些微生物有助于免疫系统的发育和成熟，辅助消化，帮助维生素的合成。与肠炎及结肠炎相关的结肠癌有关的菌群通常是与代谢相关的一些细菌。众所周知，氧化偶氮甲烷(azoxymthan)和硫酸葡聚糖钠(dstransulfatsodium，DSS)诱导的结肠炎相关的结肠癌是最常见的动物模型[15,16]，然而在"无菌(grm-fr)"的情况下，氧化偶氮甲烷＋DSS小鼠的肠炎和肠道肿瘤的发生率显著降低[14]。
肠道微生物也能起到"主动"的作用，通过诱导白细胞介素(IL)17或γ干扰素(IFNγ)的促炎性反应，或特异性的诱导激活抗炎细胞因子如IL-10，促进或抑制炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌发生和发展[7]。尽管在正常情况下大多数肠道细菌在人类和小鼠肠道是共生的，但是其中有一些细菌可能致病。实验用"无菌"的动物证明，即使在无特定病原体(spcificpathogn-fr)的条件下，给予小鼠提供"正常"的微生物，也会起到启动和诱导各种类型炎症性肠病的作用。另一方面，采用抗生素治疗结肠炎的动物模型甚至患者，有可能因菌群失调而更容易患炎症性肠病，甚至促进其癌变[17]。
菌群失调后首先出现肠道黏液分泌障碍、黏膜上皮的紧密连接破坏黏膜保护层受损，增加了肠道黏膜炎症的敏感性。MUC2基因主要编码黏液蛋白，是消化道黏液中的一种主要成分。黏膜上皮细胞分泌的黏液均匀地覆盖在肠黏膜上皮表面，一方面有利于食物的消化吸收，另一方面起着重要的保护作用，以免消化道黏膜受损伤[18,19,20]。大量的临床病理学研究提示，结肠癌组织中最常见的一个特征就是分泌黏液的杯状细胞数量减少，MUC2的表达降低[21,22]。而结肠MUC2和黏液的减少又可以导致肠道的炎性改变[23,24]。我们发现，MUC2基因敲除的小鼠消化道上皮层内分泌黏液的杯状细胞分化受阻，黏液分泌明显减少，对肠黏膜的保护作用严重削弱，从而导致肠黏膜慢性炎性改变的发生[18]。这些特征与患者慢性溃疡性结肠炎病理学变化非常相似。这种模型的小鼠在幼时(3月龄)可自发地发生慢性结肠炎[25,26,27,28,29]。但随着年龄的增长，MUC2－/－小鼠慢性炎性改变加剧，并发生结肠腺瘤，直至腺癌[18,28,29,30,31,32]。进一步研究发现细胞因子IL-1β和IL-6以及NF-κB等在MUC2－/－小鼠结肠肿瘤组织中显著增加[28,29,31]。我们收集MUC2－/－小鼠的粪便并进行菌群DNA鉴定，发现MUC2－/－小鼠在60d龄和d龄的时候分别出现特异性的菌群DNA条带，这些菌群可能正是引起肠炎和癌变的致病菌(待发表)。此模型为结肠炎的癌变提供了直接的证据。此外，MUC2－/－小鼠与Apc突变的小鼠杂交后，Apc突变的小鼠肠道患瘤率显著增加。值得一提的是，一些特殊的细菌可以改变肠道内环境的稳态性，引发炎症性肠病，而炎症性肠病中不利于肠上皮细胞的有害微环境也可影响肠道中的一些微生物，进一步加重肠道微生态失调。有趣的是，编码炎症小体(inflammasoms)的基因NOD1和NOD2突变或失活，可以加重炎症性肠病，促进结肠炎相关的结肠癌的发生[33]。这种情况也可见于NLRP(nod-likrcptorpyrindomain-containingprotin)6以及NLRP3突变的小鼠中[34,35]。此外，将这些基因突变的小鼠模型与野生型正常小鼠放在一起饲养时(co-housing)，引起炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌敏感表型的菌群可以转染给野生型正常的小鼠，从而诱发相似的炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌表型。那么，细菌、炎症性肠病以及结肠炎相关的结肠癌是否有直接的关系呢？新近的研究证实在炎症性肠病中发现的一些梭杆菌属的物种也同时在结肠炎相关的结肠癌中被发现[6]。分子机制研究发现，引起炎症性肠病的一些微生物不仅可以引发结肠炎，还可以活化和增强β-catnin信号通路，有利于激活致癌信号通路，引起细胞膜上的连接蛋白E-cadhrin裂解，破坏肠黏膜屏障，刺激局部炎性反应[6]。
肠道菌群失调诱发炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌的分子机制主要包括基因突变、致癌信号通路激活以及表观遗传学的变化[6,36,37]。如上所述，Wnt信号通路中的Apc基因突变导致的Wnt/β-catnin活化最常见。Apc突变后，GSK3β被磷酸化而失活，β-catnin在胞质内大量聚集并进入到细胞核内，启动其下游的靶基因，如cyclinD1、c-MYC等，促进癌基因表达，加速细胞恶变。此外，p53和KRAS的突变也较为常见，而NF-κB、PI-3K以及Sphk1/STAT3/AKT等信号通路的活化，更加促进β-catnin的细胞核内转移和聚集。在炎性改变区域内，免疫细胞，例如活化的巨噬细胞和中性粒细胞，是活性氧(ractivoxygnspcis)和活性氮中间体(ractivnitrognintrmdiats)的主要来源，它们高度活化、合成和分泌活性氧和活性氮中间体，导致DNA的损伤和诱发肿瘤发生的突变。此外，肠上皮细胞以及癌前病变的细胞在细胞因子如肿瘤坏死因子(TNF)和IL-1的刺激下也可以产生活性氧和活性氮中间体，而活性氧又是炎症性肠病发生所必需的因子。
表观遗传学的改变所致的基因沉默是炎症性肠病发生和恶变的又一重要机制。越来越多的证据表明，抑癌基因的甲基化以及调控基因表达的miRNA异常表达在炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌组织中较为常见[38]。例如，在炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌发生和进展过程中，表现为癌基因性质的miRNA显著上调，如miR-、miR-a、miR-b-5p、lt-7、miR-17和miR-等。而具有抑癌基因特性的miRNA显著下调，如miR-27a、miR-、miR-和miR-等。这些miRNA作用于其靶基因，如STAT3、SMAD以及炎症因子NF-κB和IFNγ等，促进炎症性肠病恶变和结肠炎相关的结肠癌的进展。
此外，在炎症性肠病恶变为结肠炎相关的结肠癌的过程中，慢性炎症的存在可以加速肿瘤的进展和转移。如上皮间质转化(EMT)是癌细胞恶性程度加剧和发生转移的一个标志。而EMT的发生不仅受转化生长因子β信号通路的调控，也受到NF-κB、STAT3等信号通路以及炎症因子TNFα和IL-6等的调节[39]，并在基质金属蛋白酶(MMP)，如MMP7和MMP9等的协同下发生浸润、迁徙和转移[40]。一旦癌细胞转移到别的组织或器官，还需要新的微环境中的免疫细胞提供细胞因子供其生存、生长[39]。
2生活方式、饮食习惯的改变和心理压力增加
研究发现生活方式、饮食习惯等因素的改变和心理压力的增加都可以影响肠道微生态平衡、诱发炎症性肠病、驱动基因表达的变化和增加癌症风险。研究发现年龄的增加、肥胖、糖尿病、缺乏体力活动、纤维与蔬菜的摄入量减少、酒精、吸烟等，均是结肠炎相关的结肠癌的危险因素[36]。
饮食因素一直与结肠炎及结肠炎相关的结肠癌发生密切相关。流行病学和动物实验等均已证实炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌与蔬菜和水果的摄入不足和红肉等高脂肪饮食摄入过多成正相关，但补充维生素D和微量元素硒等可以预防炎症性肠病和结肠炎相关的结肠癌的发生。新近的研究显示[9]，高脂饮食可以改变肠道微生态环境，加速肠道肿瘤的发生，而补充丁酸(butyrat)可以保护肠道免受高脂饮食所致的肿瘤形成。进一步研究发现，致病菌可以传染给健康的KRASG12Din小鼠而致病，但抗生素却可以抑制此类细菌并预防肿瘤的形成。吸烟也是与炎症性肠病发生相关的一个重要因素，研究表明，吸烟与结肠癌的微卫星不稳定性以及错配修复(mismatchrpair)基因MLH1的多态性密切相关[36]。近年的研究还发现心理压力增加可以诱发炎症性肠病，并与多种肿瘤的发生相关。有报道显示心理应激可影响肠道菌群失调，通过削弱黏膜的防御而诱发肠道炎症，在此过程中，肥大细胞的作用尤为重要。
三、展望
肠道菌群失调所致的微生态在炎症性肠病发生和癌变及其转移过程中起重要的作用，特别是其内在的分子机制也逐渐被学者阐明，因此，积极开展有针对性的预防将是有效的举措。一方面可以通过改善饮食习惯，补充维生素和微量元素，改变生活方式，加强体力运动等改善肠道微生态环境；另一方面，随着精准医学的广泛开展，肠道菌群测序必将揭示肠道微生态的奥秘，可以开发和应用益生菌，改善肠道菌群结构，从而进行个性化的预防和治疗。此外，提高分子影像和分子病理的诊断水平，尽早发现潜在的病变，早预防早治疗，进而减少炎症性肠病的发生和癌变。
参考文献（略）
长按识别