2024年7月发表在《Nature》（IF：50.5）的研究文章：“肠道微生物群依赖性致癌物代谢导致远端组织发生肿瘤 Gut microbiota carcinogen metabolism causes distal tissue tumours”。作者采用无菌小鼠模型，结合16s rRNA测序和全基因测序技术，系统的研究了人类肠道微生物对亚硝胺 (N-butyl-N-(4-hydroxybutyl)-nitrosamine, BBN) 的代谢能力以及其代谢产物对膀胱癌的影响。
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一、背景
环境污染物和人类微生物群的组成是肿瘤发展中的重要因素。类似于药物分子，污染物在体内代谢，这会改变其致癌潜力并通过改变毒代动力学影响组织分布。最近的研究表明，人类相关的微生物可以化学转化多种外源物质，并影响其代谢产物的暴露和分布。BBN作为一种一级致癌物可以诱导膀胱癌的发生；同样其代谢产物BCPN也具有致癌性。
二、结果
1、抗生素治疗对于小鼠膀胱癌的影响
实验设计：抗生素 (ABX) 处理组 (ABX-BBN) 以及对照组 (H2O-BBN) (图1a）。研究比较了抗生素 (ABX) 处理组 (ABX-BBN) 以及对照组 (H2O-BBN) C57BL/6小鼠膀胱肿瘤病理 (图1b)。进一步对各组中具有特定膀胱癌发育阶段的小鼠进行定量分析。并在干预第3、7和12周分别测定膀胱组织中的BBN和BCPN浓度 (图1c) 以及测定代谢笼中收集的尿液中BBN和BCPN的积累浓度 (图1d)。此外还比较了ABX-BBN组和H2O-BBN组的肠道微生物 (图2)；发现ABX-BBN组显著降低了肠道微生物组α多样性改变了群落的整体组成；大多数肠道微生物负荷降低的小鼠 (ABX-BBN组) 完全没有发现膀胱肿瘤病理。表明ABX治疗可减少BBN的化学致癌作用；提示肠道微生物群可能会促进膀胱癌的发展。
2、测定不同组中BCPN的代谢差异
比较两组中小鼠肝脏、肾脏和血浆中BCPN的浓度，发现无明显统计学差异 (p > 0.05) (图3a)；进一步比较了胃肠道中BCPN、BBN和gBBN (葡萄糖醛酸化BBN水平的变化。发现ABX-BBN组和H2O-BBN组小鼠胃肠道的BCPN 、BBN和gBBN水平；H2O-BBN组的小鼠的盲肠和结肠腔内容物中积累了BCPN；BCPN水平从盲肠到直肠逐渐降低，这表明BCPN从下消化道被重吸收 (图3b)。ABX-BBN组和H2O-BBN组中BBN的浓度远低BCPN的浓度 (提示具有其他的代谢底物) (图3c)；ABX-BBN组检测到了gBBN (葡萄糖醛酸化BBN) (图3d)；提示肠道微生物组的β-葡萄糖醛酸酶能够水解gBBN，进一步氧化为BCPN。体外β-葡萄糖醛酸酶治疗后盲肠、结肠和直肠BBN和BCPN水平 (图3e-f)；与上述结果一致ABX-BBN组BBN含量在实验后显著增加；表明肠道微生物可将游离BBN和gBBN经葡萄糖醛酸化后转化为BCPN。以上结果证实，肠道BCPN通过结合gBBN的脱乙酰化和BBN氧化产生，这导致了致癌BCPN的毒性动力学改变。
3、识别小鼠样本能够将BBN转化为BPCN的菌株
在不同氧气条件下培养小鼠盲肠、结肠和直肠样本；提示微生物群落在有氧和微氧环境中具有将BBN转化为BCPN的能力 (图4a)。进一步分离出564个细菌培养物，进行BBN氧化测试识别具有BBN-to-BCPN转换能力的细菌分离株；将样本进行16S rRNA测序，并识别出可映射到BBN-to-BCPN微生物组序列上的所有微生物 (图4b)。通过对活性分离株全长16S rRNA基因的dna测序分析，鉴定出8个不同细菌属和3个不同门。
4、识别能够将BBN转化为BCPN的人类肠道微生物
10份进行了16S rRNA测序分析的人类粪便样本；同样进行BBN-to-BCPN实验只有6个产生BCPN；提示个体间肠道微生物存在代谢差异但拥有BBN-to-BCPN能力 （图5a）。然后进行人源肠道微生物群定植，对人源化小鼠进行相同的动物实验设计 (图1a)；证明了人类肠道微生物能够产生BCPN (图5b)。对样本进行了16S rRNA测序证实了大肠杆菌是人类微生物组中唯一发现的和小鼠微生物组相同的BBN-to-BCPN转换菌属，且不同的大肠杆菌菌属都具有这种能力 (图5c-e)。然后利用单一大肠杆菌定植无菌小鼠；并定植多个菌属；结果发现常规小鼠实验与“人源化”小鼠实验结果相同，BCPN在下肠道内积累和吸收 (图5f-j)。研究进一步测试了人类肠道微生物对BBN的代谢能力。结果表明，某些人类肠道微生物群也能氧化BBN生成BCPN，尽管人与人之间的微生物代谢能力存在显著差异。
通过在无菌小鼠中移植人类粪便微生物群，研究人员证实了人类肠道微生物在体内也能代谢BBN，并产生与小鼠相似的代谢产物。
5、肠道微生物代谢可以改变不同亚硝胺致癌物的毒代动力学
研究进一步探索了与BBN相关的亚硝胺致癌物的微生物依赖性毒代动力学 (图6a)。对三种亚硝胺致癌物进行了类似的动物实验；微生物群改变了亚硝胺致癌物的毒代动力学，亚硝胺和其氧化代谢物的尿分泌减少 (图6b-d)。例如EHBN暴露的小鼠发生膀胱癌，而ABX-EHBN处理的动物的肿瘤发生减少；gEHBN仅在非ABX处理组中的小鼠大肠中积累，这与上述BBN处理组中结果一致 (图6e-h)。结果表明肠道微生物代谢可以改变亚硝胺致癌物的毒代动力学，从而影响化学诱导的肿瘤发生。
三、主要研究发现
1.肠道微生物与致癌物代谢的关系：
实验结果表明，肠道微生物能够代谢亚硝胺类致癌物，如N-丁基-N-(4-羟基丁基)-亚硝胺(BBN)，从而产生致癌代谢产物N-丁基-N-(3-羧基丙基)-亚硝胺(BCPN)。
在使用抗生素（ABX）处理小鼠后，研究人员观察到小鼠肠道中的细菌负荷显著减少，亚硝胺代谢产物BCPN的水平也随之下降，这表明肠道微生物在这种代谢过程中起着重要作用。
2.膀胱癌的实验模型：
研究采用BBN诱导的膀胱癌小鼠模型，发现肠道细菌的减少显著降低了膀胱癌的发生率。在经过12周的BBN处理后，大多数抗生素处理的小鼠（ABX-BBN组）完全没有膀胱肿瘤病理，而未处理的小鼠（H2O-BBN组）中有77%发生了肿瘤。
此外，侵袭性肿瘤（最具侵略性的肿瘤表现形式）在H2O-BBN组小鼠中占53%，而在ABX-BBN组中仅占12%。
3. 致癌物质在体内的分布：
研究还显示，ABX处理后小鼠膀胱组织中的BCPN浓度显著降低，尿液中的BCPN排泄也减少，这表明肠道微生物影响了BCPN的生成和分布。
通过液相色谱-质谱法测定发现，BCPN主要在盲肠和结肠中积累，而抗生素处理后小鼠肠道内容物中的BCPN水平明显降低。
4. 人类肠道微生物的作用：
研究进一步测试了人类肠道微生物对BBN的代谢能力。结果表明，某些人类肠道微生物群也能氧化BBN生成BCPN，尽管人与人之间的微生物代谢能力存在显著差异。
通过在无菌小鼠中移植人类粪便微生物群，研究人员证实了人类肠道微生物在体内也能代谢BBN，并产生与小鼠相似的代谢产物。
四、结论与展望
这项研究揭示了肠道微生物在环境致癌物代谢中的重要作用，并指出肠道微生物代谢可能是化学诱导的致癌过程中的一个关键因素。这一发现为未来通过调节微生物群以改善癌症风险评估和预防提供了新的可能性。
研究结果表明，肠道微生物不仅能再生原致癌物质，还能通过去葡糖醛酸化和氧化反应生成致癌代谢产物，显著影响致癌物在体内的毒代动力学和分布。这提示我们，个体间的微生物群组成差异可能在化学诱导的肿瘤发展中起到重要作用。因此，进一步研究肠道微生物代谢环境污染物的机制，对于理解其在癌症发生中的角色以及开发基于微生物群的癌症预防策略具有重要意义。未来的研究应致力于识别微生物群编码的化学致癌物代谢能力的个体差异，并探索如何通过调控肠道微生物群来预防癌症。这将为开发新型癌症预防和治疗方法提供重要的科学依据。
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