于君：全球结直肠癌微生态与代谢物研究进展
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编者按
2022年5月28日，第十八个“世界肠道健康日”前夕，热心肠奖正式揭晓“2022年度科学家”“2022年度产品经理”获奖名单。这是热心肠研究院致力打造中国肠道领域“奥斯卡奖”为目标的国际化、专业化、市场化行业奖项。
本次特别整理发布“热心肠奖·2022年度科学家获得者”，热心肠智库专家、香港中文大学卓敏内科及药物治疗学讲座教授于君的演讲视频及图文实录，以飨读者。
今天非常非常荣幸，有机会跟在座的和在线的朋友、同道，还有学生们分享目前肠道微生态和代谢在结直肠癌（CRC，也称“大肠癌”）方面的研究进展。
本演讲的幻灯片 .pdf 版将在热心肠菌群微信群分享，感兴趣的读者请按以下方法申请入群：
今天获这个奖，我再次感谢热心肠平台，感谢我的团队的每个学生和每个科研人员的辛苦努力。
为什么要把肠癌拿出来重点介绍？一个，我们是做消化道肿瘤的；再一个，微生态跟肿瘤相关性最为密切的可能还是肠癌。
顾名思义，肠道微生态关系，影响最大的还是大肠癌。大肠癌的工作在刚一开始，是一个横向的随访，是比较的阶段。
我今天给大家介绍的主要内容，就是国内外现在研究的一些进展性工作。
这些进展性工作是延续下来的：最初是研究微生态和肠癌的相关性，后续进入机制的探索，它们之间的互动、宿主的基因突变，对于肠道微生态的影响进一步促进了肠癌的过程。另一方面，微生态的改变，对于宿主肠癌的发生发展的内在机制和调节。
微生态的研究，最重要一点是应用到临床，基础研究是服务于临床的。而临床非常关注，也非常重视微生态和临床的相关性。
所以目前大家研究的热点和重点，是看微生态或代谢改变对于免疫治疗的影响，一方面是益生菌的相关性；再一方面是微生态改变对药物的影响，以及药物对微生态的影响。
我们知道，早期诊断的肿瘤基本没有症状，微生态的改变对于早期症状的应用价值就在代谢。现在这也成为新的研究的领域和方向，也是大家感兴趣的地方。
厘清肠道微生态与大肠癌因果
任何研究都是从大人群的比对、筛查入手，所以首先介绍一下肠道微生态和大肠癌相关性方面的工作。
这是一项5个人群的研究，发表在2017年和2018年，一个是中国人群，一个是中国人群加奥地利、德国、法国或者美国人群的整体对比。
比对结果可以看到，大肠癌跟健康人群的肠道微生态出现了显著性差异。进一步分析可以看到，有些促癌细菌是升高的（红点标注），有些细菌是下降的（蓝点标注），有些细菌是消失的。
这就给我们一个最重要的铺垫，看到这种差异，就可以进一步探索它的功能、跟肠癌的相互关系，以及下降的细菌对肠癌有没有保护价值。
除了我们的队列的研究，Zeller教授的团队还做了8个人群队列研究，这是2019年发表的文章。
他总结出来的结果，其实跟我们的5个人群研究结果有很多的重叠。大家公认的，有一些细菌升高，有一些细菌下降。在大肠癌患者，这是粪便研究的基础。
后续我们知道，肠道微生态的细菌在肠道的分布，有些只是局限于肠腔，有些既可以在肠腔，也可以贴附到黏膜，有些就是黏膜贴附菌。
所以，跟促癌相关的细菌多数是黏膜贴附菌。我们就进行了比对，因为看到纵向的CRC跟健康人群只是总体的微生态改变，还不能解释微生态的改变对于这种疾病的发生发展的原因和结果关系。
我们就进行了不同发病阶段，通过从正常腺瘤和到肠癌的活检标本，还进行了不同疾病阶段、黏膜贴附菌的比较，发现了间接性改变过程。这个结果说明，在早期，在肠癌形成之前，微生态在黏膜贴附菌已经发生改变，当然粪便也发生了相应改变。
深挖微生态与大肠癌关联机制
致癌病原体
无论是8个队列研究，还是5个队列研究，也都发现了一些富集升高的细菌。它们能不能促癌？怎么促癌？机制是什么？现在大家都很关注。
幻灯上罗列出了大家比较感兴趣，或者有一些研究结果的细菌，涉及到了这种促癌的，跟大肠癌相关的这种驱动菌。
在进行驱动菌研究之前，我们首先做了粪菌移植，用大肠癌患者的粪便和健康人群的粪便，移植给不同的小鼠模型，发现大肠癌的粪便可以促进肠癌的发生发展。
尤其是无菌鼠在没有任何处理的情况下，这种粪便就可以促进上皮细胞增殖。这是一个比较直接的证据。
是整个粪便的细菌都参与这个过程，还是有些驱动菌起到重要的促进肠癌作用？通过差异的细菌研究，你就可以进一步探索驱动菌的作用。
其中一个驱动细菌，是厌氧消化链球菌。在电镜下，我们看到它可以贴附到上皮细胞。机制探索发现，这个细菌表面蛋白可以贴附到宿主上皮细胞的表面受体，激活内源性促癌分子通路磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）。
另一个方面，它可以抑制抗肿瘤免疫。单细胞测序发现，它可以影响免疫调节过程。所以，这是一个促癌细菌。
具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）是个明星菌，2013年被首次报道，当时是培养出来的，不是通过基因组测序、二代测序找到的。
培养出这个细菌的最早期，文章就探索出来了具核梭杆菌怎么样去促进肠癌。它主要通过激活上皮细胞内的促癌分子通路——钙黏蛋白E/β-连环蛋白（E-cadherin/β-catenin）信号通路，它的受体是FadA，受体连结促进了大肠癌的发生和发展。
这是比较早的研究促癌的驱动菌对于大肠癌的相关性工作。
房静远教授的团队把具核梭杆菌引入到临床化学治疗相关研究，发现它可以促进化学治疗的抵抗效果，探索的机制主要通过调节自噬性溶酶体来实现。
我们也发现，这种产毒型脆弱拟杆菌通过下调小RNA，促进大肠癌的发生发展。它是第三个大家公认的，也是比较出名的促癌细菌。
这是我们最近在修改的一篇文章，针对的是微单胞杆菌，因为它是在不同大肠癌人群的富集丰度都很高的细菌。我们经过不同的动物模型探索它对促进肠癌发生发展的作用与机制。
这些研究说明，整体的粪便移植可以促进小鼠的肠癌发生发展。这里包含了一系列的促癌细菌，还有待研究发现起重要促进肠癌作用的细菌。
另外的课题是，这些坏的细菌是不是有整合作用？它们很团结很协作，它们的富集呈正相关。下一步就要探索它们之间相辅相成、协同促进肠癌的作用。
微生态与遗传变异互作
现在认为，细菌改变了，黏膜菌也随着改变了。细菌单菌或整个粪便可以促进肠癌，它跟宿主细胞的互动是什么？
我们知道，肿瘤的发生发展，主要是基因组和表观遗传学的改变。细菌的这种改变，或者驱动菌的富集升高，可不可以影响宿主的基因组和表观遗传学改变？
为了回答这个问题，我们对两个队列选取了不同部位取材。第一个想看，你拿一个肿瘤的不同活检位点，它的基因组、表观遗传学都存在异质性。而细菌在不同位点的分布有没有异质性呢？
我们的结论是存在的。而且细菌存在的异质性与宿主的基因突变，即KRAS突变，还有微卫星不稳定性（MSI）是有关系的。
左边的图显示，在同一肿瘤的不同活检位点，细菌的分布是不同的，它们的丰度大小、细菌种类也是不一样的。
除了这个研究，我们也取了同样的活检标本，看细菌对于表观遗传学的改变。结果发现宿主基因组的改变相对来说是稳定的，表观遗传学的改变相对是可逆的，而且随着不同的时间点可以迁移。所以细菌对于宿主的影响，在早期还是跟影响到表观遗传学的改变有关系。
我们继续取同一个活检标本，一部分用16s细菌测序，另一部分平行做了表观遗传学组测序。结果发现，具核梭杆菌、H. hathewayi两个细菌，可以显著增高表观遗传学，尤其肿瘤抑癌基因的启动基因甲基化，让抑癌基因失活，促进肠癌。
宿主的基因改变可不可以影响微生态，进一步影响到代谢，促进肠癌的发生发展？这是另外的问号。
我们就发现了角鲨烯环氧化酶（SQLE），一个促胆固醇合成酶的分泌蛋白，它有可能影响肠道菌群。
我们通过转基因鼠，有或者没有这个基因的情况下，对于微生态的调节的影响，看看它对肠癌的贡献。因为这个促癌基因可以使肠道微生态、代谢变得更不健康。
而不健康的细菌、不健康的代谢产物构成，对SQLE本身的促癌过程起到推波助澜的作用。你可以看到，细菌跟宿主、宿主跟细菌，是互动的，是相互作用的。
微生态与大肠癌的危险因素
为什么中国人群肠癌发生率越来越高，有年轻化趋势，就因为现在的营养状况越来越好，大家不运动、不锻炼，体重就会增加。所以，肥胖是大肠癌的重要促进因素。
第二个因素是吸烟，也是公认的肠癌促进因素。以前研究发现，吸烟主要通过产生尼古丁，引起宿主细胞、促癌通路激活，促癌基因表达升高。微生态或代谢有没有参与这个过程？这是一个很大的问号，是需要探索的。
这是我们近期的发表的一个工作。抽烟组小鼠，每天抽两个小时万宝路，对照组不抽烟。可以看到，抽烟小鼠的肠道微生态和代谢变得非常不健康。
我们找到一些不好的细菌和代谢产物，也探索了它们对于宿主的促癌机制、促癌基因的影响。它们通过损伤肠黏膜屏障，引起宿主细胞的一些促癌基因的表达。
所以，抽烟的确可以引起肠道的微生态改变和代谢改变，影响肠癌的发生发展。
再一个重要的因素就是高脂饮食，它也是肠癌的明确危险因素。
大家可以看到左图在没有高脂饮食的情况下是正常的，而高脂饮食下就出现肿瘤。模拟无菌环境或者用抗生素变成低菌环境的时候，高脂饮食对于肿瘤的影响就不明显，说明微生态和代谢在起作用。
我们进行了微生态分析和代谢分析，看到高脂饮食可以改变微生态环境，还有代谢环境，促进肠癌。
这也是今年的工作，来诠释这两种危险因素。
第三种危险因素，就是纤维素，有可溶性纤维素和不可溶性纤维素，我们看到了它对肠癌的影响。希望近期我们修改完成后，能够在不久的将来得到发表。
微生态与临床治疗
肠道微生态与免疫治疗
微生态跟免疫治疗，是大家非常感兴趣的地方，研究也非常火热。
最早期，2018年Science发表一篇有关黑色素瘤的文章，发现对于免疫治疗药物有反应和没反应的病人，他的肠道构成是不同的。这说明，肠道微生态可能影响免疫治疗。
这是Science在2018年发表的一篇文章，发现阿克曼氏菌（Akkermansia）可以增强抗PD1治疗反应。这是在上皮细胞肿瘤，做的是动物实验。
后续的这是Mager教授团队做的一个经典研究，开始做了3种肿瘤，有黑色素瘤、大肠癌，还有膀胱癌；发现了3种细菌，分别是假双歧杆菌、约氏乳杆菌、奥尔塞内拉。
它们可以提高抗PD1的治疗效果，尤其假双歧杆菌。它通过产生肌苷，促进免疫检查点抑制剂的治疗效果。机制探索发现，它主要通过结合T细胞腺苷受体，激活T细胞的活力。
我们在肠癌的研究，目前也发现了两个细菌，包括鼠李糖乳杆菌、共生梭菌。
这是两个队列的研究，是2021年和2022年发表的文章，显示对肠癌可以增加抗PD1的治疗效果。
当然，对不同细菌的效果，他们也进行了不同老鼠模型的验证。如果真的是细菌调节抗PD1治疗，可以增加受益人群，这将是非常理想的研究方向。
这是我们近期还未发表的研究结果：这个菌可以明显增加抗PD1效果，通过增加有活力的CD8+的T细胞。
我们进行了机制研究，包括通过哪些代谢产物调节免疫细胞，怎样影响免疫细胞，跟免疫如何互动，从而阐明在大肠癌的作用和增加大肠癌治疗效果的意义。
关键是我们知道，只有10%~15%的大肠癌人群从抗PD1治疗受益，仅占一小部分。研究告诉我们，对于微卫星稳定的大肠癌患者，细菌可以增加抗PD1治疗效果。这就意味着，微卫星稳定的大肠癌患者的可能适用范围扩大，临床意义就更加深远了。
截至目前在Nature发表的文章，2019年报道了11个细菌。它们整成1个组合，可以调高CD8+T细胞的活力，增加抗PD1疗效。目前正在进行二期临床试验。
把免疫治疗的内容进行概括和总结，我们发表了两篇综述性文章。个体化菌群的免疫治疗调节是将来的研究热点和重点方向，也是大家比较关注的话题。
抗癌益生菌
这是我们在Gastroenterology发表的封面文章，2021年发表的这篇文章发现，嗜热链球菌通过产β-半乳糖苷酶起到抗肿瘤的效果。
这是我们2021年底发现的另一个益生菌——鸡乳杆菌，也可以抑制大肠癌的发生发展，并对机制进行了探索和汇报。
这是今年在Cancer Cell发表的一篇文章，显示罗伊氏乳杆菌通过产生罗伊菌素抑制肠癌。
所以，大家还是非常关注，也非常感兴趣益生菌的研究。除了抑制肠癌，它对于免疫的调节也是大家非常重视的。
细菌或可调节药效
药物一定会影响到细菌，而细菌对药物也有一些反应。
这是我们2020年发表的一篇文章。因为临床长期使用小剂量阿司匹林预防肠癌，但个体差异还是蛮大的，原因不知道。
这项研究发现，球形芽孢杆菌可以降解阿司匹林，使阿司匹林的治疗活力明显减弱。这就提出新的问题：如果细菌影响某些药物的降解，将来在应用药物时是否要考虑细菌的存在、丰度，是否要判断适不适合用药，是否需调整药量。
尤其是一些常用的药物，细菌对它们的影响有待于进一步研究和开发。
微生物标志物
在转化方面，就谈谈细菌标志物。
我们团队相对来说，比较早就找到一些大肠癌跟对照组的差异标志物。
除了找到肠癌的标志物，也找到了早期肠癌、腺瘤阶段的标志物。
这些细菌标志物，目前我们申请了专利，已经在香港地区、东南亚应用到临床，用于早期监测。这也是一个成功转化的个例。
跟我们研究结果相似，去年Nature Communication发表的研究做了一个不同人群的大样本，1000多个样本的研究，发现它可以早期诊断肠癌或腺瘤，也找到跟肠癌相关的一些细菌标志物。
除了细菌标志物，细菌的整个基因组改变，也是一个新的概念。2019年，Nature Medicine发表的文章提到了cutC基因。这个细菌基因是可以有效诊断一些肠癌的标志物，临床应用可能还需要进一步的探索和研究。
细菌的基因标志物，和细菌本身的标志物，将来可能对于早期诊断有所贡献。
揭开大肠癌的代谢组学面纱
再跟大家介绍一下代谢，也是现在研究的非常热的领域。
我们的代谢研究，首先进行了筛查，看代谢跟大肠癌有没有关系。做了386例代谢组学分析，包括肠癌腺瘤和健康对照。大家可以看到，这种代谢差异在不同人群还是存在的。
关键是，代谢和细菌的整合。从幻灯可以看到，左边是正常的，中间是腺瘤的，右边是肠癌的。它们的相互关系，是一个渐进性改变过程，说明代谢可能参与了细菌相应的大肠癌发生和发展，而且有相辅相成的关系。
此外，粪便代谢也可以作为一个诊断指标。虽然它的表现没有细菌那么亮眼，但是可以作为辅助诊断标志物。
这是2019年Nature Medicine上的一篇文章，日本的Tamada教授团队通过粪便代谢和代谢组学发现了大肠癌相应的标志物。
除了作为标志物，代谢产物对于大肠癌的影响也是大家最重视的。尤其短链脂肪酸，它可以降低大肠癌的发生发展。
可以看到，丁酸盐可以促进抗PD1的治疗效果。
再可以看到，生酮饮食，大家在探索的一个新的研究领域和方向，它通过产生β-羟基丁酸酯抑制肠癌。
我们经过探索还发现，嗜热链球菌可以产生β-半乳糖苷酶，后者通过生成半乳糖起到抑制大肠癌的作用。
再者，鸡乳杆菌通过产生3-吲哚乙酸起到抑制大肠癌的作用。
所以，代谢可以参与抑制肠癌作用，也可以作为益生元参与调节免疫治疗效果。
总结
最后，概括性总结下目前国内外肿瘤与微生态的研究的一些进展。
第一，肠道微生态与大肠癌呈正相关，而且肠道微生态的驱动菌可促进肠癌，益生菌则可抑制肠癌。
第二，细菌改变，跟宿主也有直接互动，无论是遗传学还是表观遗传学。
第三，肠癌相关微生物，通过改变肠道微生态和代谢，对促进肠癌起到重要作用。
第四，无论粪菌移植（FMT），还是有益肠道的个体细菌干预，对于免疫的调节作用都是备受关注的研究热点或方向。
第五，微生态的异常或异同，可以影响药物降解，影响药物的疗效。
第六，无论细菌还是代谢，将来都有可能作为早期诊断标志物，提升肠癌的早期诊断效率。
第七，代谢越来越受到重视，因为它参与大肠癌的发生发展，它调节大肠癌的治疗，尤其免疫抑制剂治疗。
最后，非常感谢整个团队。
谢谢大家的聆听！