Science和Cell子刊同時發現：腸道內兩種細菌竟唱雙簧搞事情，與結腸早期癌變有關！

最新 02-11

家族性腺瘤性息肉病人結腸被膜含有致癌細菌

Patientswith familial adenomatous polyposis harbor colonic biofilmscontaining tumorigenic bacteria

文獻ID

期刊：SCIENCE

年份：2018

影響因子：37.205

作者：CynthiaL. Sears

發表單位：Johns Hopkins University

關鍵詞：家族性腺瘤性息肉；pks+E. coli；ETBF；IL-17；

導讀

散發性結直腸癌（CRC）病人的腸道菌群的組成通常表現出一種異常的狀態，而遺傳性CRC的癌前損傷與腸道菌群之間的關係還是未知的。本文的研究者對家族性腺瘤性息肉病人（FAP）的結腸黏膜進行研究，發現其菌膜主要由Escherichiacoli和Bacteroidesfragilis組成，且與健康個體相比，大腸桿菌毒素基因（clbB）和脆弱擬桿菌毒素基因（bft）在FAP病人結腸粘膜富集顯著。與單獨定植表達clbB的E.coli和腸毒性B.fragilis的的腫瘤模型小鼠相比，同時定植這兩種菌的腫瘤模型小鼠中，產IL-17的細胞數量增多，且DNA損傷加重，腫瘤生長速度加快，致死率更高。因此，該研究表明結腸早期瘤變和腸道致癌細菌有關。

背景介紹

結腸上皮細胞突變的積累會促使正常粘膜癌變。大約5%的結直腸癌患者攜帶了遺傳突變。家族性腺瘤性息肉（FAP）是由生殖細胞中的APC腫瘤抑制基因突變引起的遺傳性疾病，隨著體細胞突變的積累，會形成成百上千的結直腸息肉。而攜帶APC基因突變的家族成員，其息肉的形成和頻率差異很大，這說明結腸被膜上還有其它促使發病的因素存在，比如腸道菌群。

研究結果

1.家族性腺瘤性息肉的結腸菌膜特徵

Fig.1. Fluorescent in situ hybridization (FISH) and microbiology cultureanalysis of FAP mucosal tissues.

以往的研究[1,2]發現，散發性CRC病人的正常粘膜表現出一種癌前狀態，菌膜形成是影響CRC的重要的早期上皮事件。那麼菌膜形成是否是影響遺傳性結腸癌進展的早期事件？

研究者利用16SrRNA熒光原位雜交研究6位FAP病人的結腸菌膜特徵。發現FAP病人的菌膜侵入粘液層，且沿結腸軸散在分布，而散發性CRC病人的菌膜呈現出連續的分布(Fig.1A，1B)。散發性CRC病人菌膜中存在幾種關鍵細菌Bacteroides/Prevotella,Proteobacteria, Lachnospiraceae, 和Fusobacteria，其中只有Proteobacteria(~60to 70%) 和Bacteroides(10 to 32%)在FAP菌膜中大量存在，除此之外，還包括E.coli和B.fragilis(Fig. 1A，1B)，E.coli和B.fragilis是FAP病人胃腸道中具有一致性的粘膜細菌。FAP小鼠模型（ApcMinD716/+）的半定量結腸粘膜菌群培養也表現出了類似的結果。

以上結果表明，FAP病人攜帶的Apc突變會使致病菌侵入結腸粘液層，影響細菌與宿主的相互作用，造成FAP病人菌膜的改變。

流行病學研究發現E.coli的聚酮合酶毒性島（pks）和腸毒性B.fragilis（ETBF）與炎症性腸病和散發性CRC有關。因此本文研究者從25個FAP病人和23個健康個體分離培養pks+E. coli和ETBF。與健康個體相比，FAP病人的粘膜中pks+E. coli和ETBF顯著富集，表明B.fragilis和E.coli的致癌亞型存在於FAP粘液層中，與FAP上皮有直接作用(Fig. 1C，1D)。

2.pks+ E. coli和ETBF的致癌能力

利用AOM（致癌）處理的SPF小鼠，研究單獨定植或同時定植pks+E. coli和ETBF時小鼠的癌變情況。發現同時定植pks+E. coli和ETBF的小鼠的腫瘤生長情況更嚴重，而單定植小鼠幾乎沒有發現腫瘤的生長(Fig.2, A—D)，表明pks+E. coli和ETBF在誘導癌變的過程中缺一不可。

Fig.2. Cocolonization by pks+ E. coli and ETBF increases colon tumoronset and mortality in murine models of CRC.

3.IL-17誘導的炎症在癌變中的作用

組織病理學分析發現，在同時定植pks+ E. coli和ETBF的小鼠中，結腸畸變和粘膜微小腺瘤增多了，而炎症程度與單定植小鼠的差異並不大(Fig. 3A，3B)。進一步分析固有層中的免疫細胞浸潤情況。發現在所有的定植組中B細胞都有顯著的積累，T細胞和髓源性細胞的比例並無顯著差異(Fig. 3C)。

以往研究表明ETBF會影響ApcMinD716/+中的IL-17，因此研究者進一步分析IL-17在共定植小鼠癌變中的作用。儘管各組中IL-17的表達水平沒有變化，但是IL-17缺陷的AOM小鼠，其癌變程度減輕(Fig. 3D)。且無菌小鼠中，共定植組中產生IL-17的細胞數量比單定植組顯著增多(Fig. 3E)。表明IL-17是癌變所必須的。

Fig.3. IL-17–induced inflammation is necessary for bacterial-driventumorigenesis.

4.pks+ E. coli和ETBF之間的關係

Fig.4. ETBF enhances pks+ E. coli colonization and colonic epithelialcell DNA damage.

用ELISA分析AOM小鼠的糞便，發現只有共定植組小鼠糞便的pks+ E. coli數量顯著增加(Fig. 4A，4B)。且ETBF單獨定植或與pks+ E. coli共定植時，粘液層厚度顯著降低，而pks+ E. coli單獨定植則對粘液層厚度沒有影響(Fig. 4C)。表明ETBF會降解粘液層，促進pks+ E. coli的定植，從而促進了大腸桿菌毒素的增加，損傷結腸上皮細胞DNA(Fig. 4D)。

綜上所述，超過一半的FAP病人體內有pks+ E. coli和ETBF的共同定植，這種共定植會通過兩種互補的途徑增強癌變的發生。1.降解粘液，增加pks+ E. coli的粘附，通過colibactin促進結腸上皮細胞的DNA損傷。2.促進IL-17誘導的炎症反應。

參考文獻

[1]C.M. Dejea et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 18321–18326(2014).

[2]C.H. Johnson et al., Cell Metab. 21, 891–897 (2015).

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