【原】年度綜述(上) | Annual Review of Immunology：胃腸道癌癥中微生物與上皮細胞，免疫細胞的互作

微生態(tài) 2021-04-13

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編譯：仰望星空，編輯：小菌菌,、江舜堯,。

原創(chuàng)微文，歡迎轉(zhuǎn)發(fā)轉(zhuǎn)載。

導(dǎo)讀

大量的實驗和流行病學(xué)證據(jù)支持炎癥和適應(yīng)性免疫在癌變發(fā)生中的關(guān)鍵作用,，以及在形成對治療的反應(yīng)中的作用。這些數(shù)據(jù)尤其適用于胃腸道（GI）癌,，如影響胃腸道,、肝臟和胰腺的癌。本文提出一個統(tǒng)一的假設(shè),，腸屏障破壞是腫瘤促進炎癥的根源,，炎癥與組織特異性癌癥引發(fā)的突變共同作用。腸道微生物群及其產(chǎn)物通過分泌促進生長和存活的細胞因子（作用于上皮細胞）以及干擾適應(yīng)性抗腫瘤免疫功能的促纖維細胞因子和免疫抑制細胞因子,，影響組織常駐和招募的髓樣細胞,，促進腫瘤發(fā)生。

本文涵蓋了在理解腫瘤引起的炎癥的起源和它影響癌癥發(fā)生和發(fā)展的各種不同機制方面的進展,。由于炎癥和癌癥的話題已經(jīng)在最近得到了充分的綜述,，將重點放在胃腸道（GI）惡性腫瘤上，這些惡性腫瘤發(fā)生在胃腸道,、肝臟和胰腺,。

本篇綜述主體部分共分6個部分，前言,，腸屏障及其與肝臟和胰腺的連接,，結(jié)直腸癌的炎癥，胃腸道腫瘤中的微生物,，肝細胞癌的多發(fā)性炎癥,，結(jié)論和未來展望。由于篇幅較長,，分上下兩篇介紹,，上篇內(nèi)容囊括前言，腸屏障及其與肝臟和胰腺的連接,，結(jié)直腸癌的炎癥,。

論文ID

原名：Cruel to Be Kind: Epithelial, Microbial, and Immune Cell Interactions in Gastrointestinal Cancers

譯名：在胃腸道癌癥中上皮細胞，微生物和免疫細胞的交互

期刊：Annual Review of Immunology

IF：21.429

發(fā)表時間：2020年2月10日

通訊作者：Shabnam Shalapour

通訊作者單位：美國加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系基因調(diào)控與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)實驗室

前言

一個半世紀前,，現(xiàn)代病理學(xué)的奠基人魯?shù)婪?/span>·維肖（Rudolph Virchow）提出,，慢性刺激（炎癥）會導(dǎo)致癌癥。當時對癌癥或炎癥的了解很少,，但這一預(yù)測的某些方面已經(jīng)通過現(xiàn)代分子生物學(xué)的工具得到了證實,。事實上，炎癥被認為是惡性狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一,，有助于癌癥的發(fā)生,、發(fā)展和治療反應(yīng),。奇怪的是，Virchow在學(xué)術(shù)上的宿敵是Robert Koch,，他是現(xiàn)代微生物學(xué)的先驅(qū),，提出了細菌疾病理論。現(xiàn)在我們知道細菌及其產(chǎn)物,，不僅在傳染病的情況下,，而且在癌癥和癌前狀態(tài)中都是炎癥的主要驅(qū)動因素。

在這篇綜述中,，我們涵蓋了在理解腫瘤引起的炎癥的起源和它影響癌癥發(fā)生和發(fā)展的各種不同機制方面的進展,。由于炎癥和癌癥的話題已經(jīng)在最近得到了充分的綜述，我們將重點放在胃腸道（GI）惡性腫瘤上,，這些惡性腫瘤發(fā)生在胃腸道,、肝臟和胰腺。我們決定關(guān)注胃腸道癌癥不僅基于我們自己的研究興趣,，還基于為炎癥作用提供重要支持的初始人類流行病學(xué)研究是針對胃腸道惡性腫瘤進行的,。此外，腫瘤促進炎癥的起源在胃腸道癌中是相當清楚的,，其中大部分可歸因于上皮屏障完整性的喪失,。一旦屏障被破壞，共生微生物及其產(chǎn)物就會激活主要的炎癥激活轉(zhuǎn)錄因子NF-κB,，它通過誘導(dǎo)IL-6,、TNF和其他細胞因子而加速結(jié)腸癌,、肝癌和胰腺癌的發(fā)展,。

盡管癌癥是一種不受控制的細胞增殖疾病，但應(yīng)該認識到,，健康的人類肝臟或胰腺幾乎不含有任何增殖細胞,，尤其是在大多數(shù)癌癥被發(fā)現(xiàn)的年齡段。此外,，大腸,，包括結(jié)腸和直腸，這兩個部位是大多數(shù)腸癌最常發(fā)生的部位,，表現(xiàn)出比小腸低的細胞增殖率,，而小腸幾乎沒有發(fā)現(xiàn)原發(fā)癌。

在成熟的肝臟中,，很明顯,，細胞增殖只發(fā)生在慢性乙型肝炎和丙型肝炎病毒（分別為HBV和HCV）感染、過量飲酒,、脂肪堆積或暴露于某些毒物引發(fā)的壞死性炎癥損傷的反應(yīng)中,。這種損傷會引發(fā)慢性炎癥（肝炎),，刺激肝門周雜交肝細胞、幾乎不會引起癌癥的細胞和完全分化的3區(qū)肝細胞的增殖,，這些肝細胞與肝細胞癌(HCC)的發(fā)生有關(guān),，肝細胞癌是肝癌的主要類型。

在胰腺中,，慢性組織損傷引起炎癥（胰腺炎）,，將完全分化的腺泡細胞轉(zhuǎn)化為導(dǎo)管前體細胞，后者通過腺泡向?qū)Ч芑?/span>ADM）具有更高的增殖能力,。

但在結(jié)直腸癌（CRC）中,，細胞增殖和腫瘤發(fā)生之間的關(guān)系更為復(fù)雜，因為結(jié)腸含有大量真正的干細胞（其在成熟肝臟中的存在仍有爭議,，盡管人們普遍認為成人組織干細胞不是胰腺的一部分）,，但它們負責維持粘膜層的完整性。健康大腸黏膜細胞分裂率明顯低于小腸黏膜,。由于炎癥性腸?。?/span>IBD）影響大腸（潰瘍性結(jié)腸炎）或小腸和大腸（克羅恩病）,，這兩部分之間的癌癥發(fā)病率的主要差異不太可能在于它們有無炎癥能力,。取而代之的是，結(jié)腸和直腸中有大量的共生微生物,，其中結(jié)腸細菌占人體細菌總數(shù)的70%,。

如下文所述，腸道屏障完整性的喪失以及由此引起的共生微生物或其產(chǎn)物的移位是引起結(jié)腸炎癥的關(guān)鍵因素,。更令人驚訝的是,，腸屏障完整性的喪失也與導(dǎo)致HCC、胰腺導(dǎo)管腺癌（PDAC）和膽管癌的一些關(guān)鍵炎癥條件有關(guān),，后者是最具侵襲性和治療難治性的惡性腫瘤,，微生物群具有重要作用。此外,，屏障破壞和隨后的炎癥反應(yīng)嚴重影響和調(diào)節(jié)自然免疫監(jiān)視和藥物誘導(dǎo)的抗腫瘤免疫,。

1 腸屏障及其與肝臟和胰腺的連接

鑒于腸屏障破壞在大多數(shù)胃腸道惡性腫瘤發(fā)生中的重要作用，我們討論了腸上皮屏障的主要特征及其與粘膜免疫系統(tǒng)的關(guān)系（圖1）,。胃腸道對免疫系統(tǒng)來說是一個獨特的挑戰(zhàn),，它必須能耐受腸道微生物群，保持體內(nèi)平衡,，防止微生物失調(diào)和兼性病原體的過度增殖,。雖然對食品和微生物成分沒有反應(yīng)，但免疫系統(tǒng)需要保護宿主免受入侵細菌和潛在有害的攝入抗原的侵害,。

腸上皮由單細胞層組成,，對維持腸道內(nèi)環(huán)境平衡至關(guān)重要,，它不僅是一個物理屏障，而且還是抗菌肽和蛋白質(zhì)的來源,，如α-防御素,、溶菌酶和不同區(qū)域的等形物。小腸絨毛和隱窩以及大腸隱窩經(jīng)歷著不斷的上皮細胞（IEC）的補充和更新周期,，在穩(wěn)態(tài)條件下,，每4-5天更換一次完整的隱窩。

隱窩由腸上皮細胞組成（負責營養(yǎng)和水分吸收的最主要的腸上皮細胞類型）,、分泌粘蛋白的杯狀細胞,、分泌激素的腸內(nèi)分泌細胞、釋放抗微生物因子/肽（AMPs）的Paneth細胞和腸干細胞組成,。

Paneth細胞是小腸特有的細胞,，它們是α-防御素、溶菌酶,、核糖核酸酶（如血管生成素4）和分泌型磷脂酶A2的主要來源,。然而，盡管Paneth細胞在胃腸道中分布不均,，腸細胞也能表達不同的AMPs,，如REG3γ和REG3β，在大腸中β-防御素和抗菌肽是由IECs產(chǎn)生的,。

杯狀細胞在大腸中含量較多,，表達類似AMPs的RELMβ、ANG4,、REG3γ和REG3β,，這些細胞都表達緊密連接蛋白（TJPs），包括clauddins,、claudins,、zonula occludens等，連接粘附分子（JAM）提供一個緊密但高度調(diào)節(jié)的密封,，允許基本分子通過，但限制有害物質(zhì)和細菌的進入,。緊密連接由細胞外刺激調(diào)節(jié),，包括細胞因子，通過小GTPase和蛋白激酶,，盡管單個TJP的確切機制和功能仍不清楚,。緊密連接形成兩種屏障：細胞間屏障和膜內(nèi)屏障，第一種屏障調(diào)節(jié)選擇性細胞間通透性,，即分子在組織內(nèi)和身體不同部位之間的被動運輸,。膜內(nèi)屏障限制頂端和基底外側(cè)細胞表面結(jié)構(gòu)域之間膜成分的交換（柵欄功能）,。

上皮細胞IECs與微生物群直接接觸，表達多種模式識別受體（PRRs）,，如Toll樣受體（TLRs）,，它們通過myd88和TRIF信號激活NF-κB和IRF信號，并促進NLRP3炎癥反應(yīng)活化,。

圖1 描述胃腸道,、肝臟和胰腺在穩(wěn)定狀態(tài)下相互作用的示意圖。

在穩(wěn)態(tài)條件下,，RORγt表達的淋巴細胞,，包括CD4⁺ T輔助型17（Th17）細胞、γδ T細胞和固有淋巴細胞（ILCs）,，支持宿主防御和免疫修復(fù),。分泌IL-10的T調(diào)節(jié)細胞（Tregs）在健康組織中大量表達，并負責防止過度炎癥,。

產(chǎn)生IgA的B細胞（下文將更詳細地描述）維持微生物內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,，并防止致炎細菌的過度存活。強致病菌,，如Citrobacter rodentium,，可以誘導(dǎo)IgG反應(yīng)，而不是由共生或無毒病原體誘導(dǎo)的,。然而,，在炎癥條件下（圖2），轉(zhuǎn)位細菌或微生物產(chǎn)物刺激局部髓細胞產(chǎn)生IL-23,，促進IL-17相關(guān)的炎癥反應(yīng),，并抑制Treg的生成。這些改變不僅會導(dǎo)致慢性腸道炎癥,，還會影響全身,、肝臟和胰腺炎癥。

所謂的“腸肝軸”,，是建立在肝臟和腸道通過膽道和門靜脈之間的解剖和生理聯(lián)系的基礎(chǔ)上,，允許肝臟產(chǎn)生的膽汁酸輸送到胃腸道，而富含脂質(zhì)和內(nèi)毒素的血液則從小腸中排出,，經(jīng)肝臟過濾,，由于大部分細菌代謝產(chǎn)物和食物抗原在肝臟中被清除，肝臟和腸道具有一些共同的免疫特征,。考慮到胃腸道包含的免疫細胞比任何其他器官系統(tǒng)都要大,，許多免疫細胞也能到達肝臟。重要的是,，兩種組織都需要協(xié)同工作,，在免疫反應(yīng)性和耐受性之間保持微妙的平衡,，這可能使它們更容易受到慢性炎癥疾病的影響。

非實質(zhì)性肝細胞被認為負責建立耐受性,，包括常駐樹突狀細胞（DCs）,、漿細胞樣樹突狀細胞、肝竇內(nèi)皮細胞和枯否細胞,，以及肝星狀細胞（HSCs）,、樹突狀細胞和IgA漿細胞。這些細胞通過表達IL-10和TGF-β等抗炎細胞因子以及負性共刺激分子程序性細胞死亡配體1（PD-L1）介導(dǎo)免疫抑制,。肝臟和腸道之間的密切相互作用使它們能夠在疾病條件下影響和調(diào)節(jié)彼此的命運,。例如，一個相對常見的腸外表現(xiàn)的IBD是肝脂肪變性,。

此外,，高營養(yǎng)、果糖攝入和酗酒在一定程度上通過屏障破壞,、生物失調(diào)和腸道免疫穩(wěn)態(tài)紊亂促進脂肪性肝炎的發(fā)展,。有趣的是，非酒精性脂肪肝（NAFLD）常與結(jié)直腸腺瘤有關(guān),。盡管詳細的機制仍不清楚,，但炎癥和耐受誘導(dǎo)之間的平衡似乎與所有這些病理學(xué)有關(guān)，屏障破壞引起的炎癥起著重要作用,，如下所述,。

圖2 描述炎癥條件下胃腸道、肝臟和胰腺之間相互作用的示意圖,。

2 結(jié)直腸癌的炎癥

早期對炎癥及其在結(jié)直腸癌發(fā)生中的作用的研究主要集中在結(jié)腸炎相關(guān)癌（CAC）,，這是一種很可能出現(xiàn)在IBD患者中的特殊形式的CRC。CAC僅占所有CRC的2%,，盡管它是導(dǎo)致IBD患者死亡的所有原因的15%,；但與散發(fā)性CRC不同，它與炎癥很明顯,，因此早期對這種特殊的惡性腫瘤很感興趣,。表1提供了結(jié)直腸癌和CAC的比較。值得注意的是,，CAC的風險隨著疾病的長度和嚴重程度的增加而增加,。潰瘍性結(jié)腸炎中，約2%的患者在10年后發(fā)展為癌癥,，20年后為8%，30年后為18%,。大約8%的克羅恩病患者在30年后出現(xiàn)癌前病變,。偶氮甲烷（AOM）加右旋糖酐硫酸鈉（DSS）是目前最流行的大鼠結(jié)直腸癌模型之一,，該模型是以DSS誘發(fā)的大鼠實驗性結(jié)腸炎和致癌物（AOM）聯(lián)合暴露為基礎(chǔ)的。

本文討論了一方面引起CAC的突變機制與另一方面引起散發(fā)性和家族性CRC的關(guān)鍵差異：

（1）盡管在散發(fā)性和家族性CRC中,，抑癌基因APC的丟失或失活是第一個遺傳事件,，其次是MAD和TP53突變，但下一代測序已確定在CAC中P53功能缺失突變和反復(fù)的功能缺失或獲得突變KRAS,、APC,、EGFR2、MLL和P300,。

（2）最重要的是,，最近的證據(jù)還表明炎癥是引起伴發(fā)性和家族性CRC的原因，這使得它們與先前認為的APC無關(guān)的CAC沒有那么大的區(qū)別,。生活方式因素,，包括肥胖、吸煙和久坐的生活方式,，已被描述為支持結(jié)直腸癌,，可能是通過誘發(fā)或促成炎癥。例如,，我們發(fā)現(xiàn)小鼠IECs中NF-κB的激活,，也發(fā)生在CAC和散發(fā)性/家族性CRC中，導(dǎo)致NO合成酶（iNOS）的誘導(dǎo),，而NO合成酶（iNOS）則對亞硝基損傷的DNA產(chǎn)生抑制作用,。當這種情況發(fā)生在含有單個Apc等位基因的小鼠IECs中時，iNOS誘導(dǎo)的DNA損傷加速了剩余等位基因的丟失,，導(dǎo)致結(jié)腸腺瘤前的癌前病變——異常隱窩病灶（ACFs）,。實際上，DNA損傷如何加速雜合性的喪失還不完全清楚,，但一個可能的機制是基于重組的DNA修復(fù),。然而，含有野生型APC的IECs中亞硝基DNA損傷可能導(dǎo)致不同的癌基因突變,。

人類CAC炎癥的起源可以是自身免疫性疾病,，潰瘍性結(jié)腸炎或克羅恩病也是如此，盡管克羅恩病不是典型的自身免疫性疾病,，但其特征是免疫細胞,，特別是T細胞的不受控制的激活。這兩種疾病都與腫瘤壞死因子和其他炎性細胞因子（如IFN-γ和IL-17）的分泌失調(diào)有關(guān),。

然而,，在DSS治療的小鼠中，炎癥是由屏障破壞和微生物或微生物產(chǎn)物（如內(nèi)毒素和核酸）的強化移位引起的，這些微生物或微生物產(chǎn)物激活粘膜巨噬細胞中的TLR信號,。在NF-κB和NLRP3炎癥膜的某些激活上,，這些巨噬細胞產(chǎn)生多種促腫瘤細胞因子，包括TNF,、IL-6和IL-1β,。除了內(nèi)毒素和核酸，IgG免疫復(fù)合物還通過Fcγ受體（FcγRs）激活NF-κB和NLRP3炎癥小體,。

此外,，樹突狀細胞中新生Fc受體（FcRn）的IgG免疫復(fù)合物交聯(lián)促進Th1/Tc1細胞因子的分泌，對小鼠CRC具有保護性免疫作用,。DSS-AOM模型的早期工作主要集中在IL-6的作用上,，IL-6激活STAT3，以增加含有AOM誘發(fā)的癌基因突變的IECs的存活和增殖,。另一種促進CAC中STAT3活化的細胞因子是IL-11,，與IL-6不同，IL-11主要由活化的基質(zhì)成纖維細胞產(chǎn)生,。

另一種用于故意誘導(dǎo)非原發(fā)性結(jié)腸炎癥的模型是感染幽門螺桿菌,，除了巨噬細胞，DSS和H. felis都是激活產(chǎn)生IL-22的ILC,。IL-22是一種激活腸干細胞的再生誘導(dǎo)細胞因子,。然而，IL-22并不是唯一的再生誘導(dǎo)細胞因子,，因為IL-6對創(chuàng)傷后屏障修復(fù)更為關(guān)鍵,。除了STAT3，IL-6的再生活性,，可能還有IL-22,，依賴于關(guān)鍵再生和修復(fù)轉(zhuǎn)錄激活因子YAP的激活。其中sil-6誘導(dǎo)的STAT3激活依賴于酪氨酸激酶的JAK亞群,，YAP激活依賴于Src酪氨酸激酶,。值得注意的是，STAT3,、JAK,、YAP和Src/Yes激活并不局限于CAC的小鼠模型，而是在70%的人CRC中發(fā)生,。

表格1 結(jié)直腸癌與結(jié)腸炎相關(guān)癌癥的異同

STAT3和YAP在散發(fā)性CRC中的常見激活表明,，在炎癥過程中，也以CRC的主要形式激活,。事實上,，大規(guī)模的流行病學(xué)研究表明,，在服用非甾體抗炎藥（包括阿司匹林）的人群中，結(jié)直腸癌的發(fā)病率明顯較低,。然而,，我們花了一段時間來理解炎癥是如何在散發(fā)性和家族性結(jié)直腸癌中發(fā)生的,。如上所述,，散發(fā)性和家族性結(jié)直腸癌的關(guān)鍵致癌事件是癌抑制因子的丟失。

利用結(jié)腸腺瘤的形成依賴于雜合性丟失的大腸癌CPC-APC小鼠模型,，我們發(fā)現(xiàn)除了β-catenin的激活外,，APC的丟失也預(yù)示著屏障的完整性破壞。在早期ACF病變中,，連接粘附蛋白JAM-A,、B和C以及粘蛋白2（Muc2）的表達減少。此外,，利用可減少的APC雙等位基因缺失,，我們檢測到APC缺失后3周內(nèi)，在RNA和蛋白質(zhì)水平上JAM-A,、JAM-B和Muc2下調(diào),。屏障破壞導(dǎo)致內(nèi)毒素和其他微生物產(chǎn)物進入，導(dǎo)致髓樣固有層細胞TLR2/4/9依賴性誘導(dǎo)IL-23,。重要的是,，IL-23的高表達在人結(jié)直腸癌中也被觀察到，它與更糟糕的預(yù)后結(jié)果相關(guān),。在CPC-APC小鼠中,，切除Il23p19或Il23r基因可減弱結(jié)腸腺瘤的發(fā)展，并降低其組織病理學(xué)分級,。

然而,，IL-23受體（IL-23R）在正常或轉(zhuǎn)化的上皮細胞中不表達,，其對腫瘤生長的影響是通過IL-17產(chǎn)生的T細胞（包括Th17和γδT細胞）的分化介導(dǎo)的,。相應(yīng)地，IL-17受體A（IL-17RA）的消融抑制了CPC-APC小鼠結(jié)腸腫瘤的生長,。IL-17RA在IECs中表達,，介導(dǎo)NF-κB和ERK的活化，刺激ACF病變內(nèi)的細胞增殖,，從而導(dǎo)致結(jié)腸腺瘤的形成,。在感染Bacteroides fragilis的APC小鼠中，對IL-17A和IL-17RA信號的重要性也有類似的發(fā)現(xiàn),。IL-17A的高表達在早期人結(jié)直腸癌中也有作用,，高表達的IL-17A比低表達的IL-17A更易導(dǎo)致致命的轉(zhuǎn)移性疾病。同樣，IL-17A基因多態(tài)性（rs2275913,，G198）與CRC風險增加和預(yù)后惡化有關(guān),。此外，T細胞特異性消融IL-1R1可降低腫瘤引起的炎癥依賴性IL-17A和IL-22,，從而減少CRC進展,。然而在晚期結(jié)直腸癌患者中，高IL-17A表達與改善預(yù)后相關(guān),，提示IL-17A在某些時候可能刺激抗腫瘤免疫,。這些觀察結(jié)果是與大多數(shù)CRC對檢查點抑制劑療法不敏感的一般觀察結(jié)果不一致，后者的成功需要激活腫瘤駐留T細胞,。另一個IL-17家族成員,，IL-17C，也被發(fā)現(xiàn)通過微生物失調(diào)在小鼠CRC中上調(diào),。盡管其機制基礎(chǔ)尚不清楚,，屏障破壞似乎也是導(dǎo)致非典型蛋白激酶Cζ（PKCζ）和PKCλ/ι IEC特異性破壞小鼠鋸齒狀腺瘤發(fā)生的炎癥驅(qū)動因素。正如首次在CPC-APC小鼠中發(fā)現(xiàn)的那樣,，抗生素抑制了Prkci^fl/flPrkcz^fl/flVillin-Cre小鼠的腺瘤發(fā)育,。由于aPKC在人鋸齒狀腫瘤中也被檢測到下調(diào)和炎癥，因此在各種類型的CRC中,，屏障喪失是一個普遍而關(guān)鍵的事件,。屏障損失可能先于微生物失調(diào)，但微生物因素可進一步增加屏障損失（圖3）,。