Gut Microbiota Carcinogen Metabolism Causes Distal Tissue Tumours: Academic Report

第一部分：研究作者和发表信息

这项研究题为《Gut Microbiota Carcinogen Metabolism Causes Distal Tissue Tumours》，由第一作者 Blanka Roje 及 Boyao Zhang 等研究者共同完成。研究主要涉及以下机构：University of Split School of Medicine（克罗地亚）、European Molecular Biology Laboratory（德国）、University of Split Faculty of Science 等。通讯作者为 Janoš Terzić 和 Michael Zimmermann。本研究于2024年8月29日发表在国际顶级学术期刊《Nature》。

第二部分：研究背景

本研究属于肿瘤学和微生物学交叉领域，重点探讨了肠道微生物群（gut microbiota）对环境致癌物代谢及其诱发肿瘤的潜在影响。已有研究指出，环境污染物和宿主微生物组的构成是肿瘤发生的重要影响因素，但对于微生物代谢环境致癌物如何改变其毒物药代动力学（toxicokinetics）和肿瘤发生，尚不完全清楚。此外，研究表明，肠道细菌可以化学转化多种异生物（xenobiotics），并影响其代谢物的组织分布。

尿路上皮癌（bladder cancer）被选为本研究的具体案例。这是一种全球第十常见的癌症，其发病率和具有侵袭性的病例复发率较高。与该疾病相关的主要风险因素包括吸烟以及暴露于含亚硝胺化合物如 n-Butyl-N-(4-hydroxybutyl)-nitrosamine（BBN）的环境污染物。因其明确的致癌机制，BBN 被常用作动物实验模型，以诱导啮齿类动物的膀胱癌。

研究旨在： 1. 探讨肠道微生物是否通过代谢环境致癌物（如 BBN）直接参与化学性肿瘤的发生； 2. 揭示肠道微生物代谢如何影响环境致癌物的毒性和代谢动力学。

第三部分：研究流程与方法

研究设计

研究流程分为以下几个阶段： 1. 建立小鼠模型评估抗生素处理对 BBN 诱导膀胱癌的影响； 2. 使用 16S rRNA 测序分析抗生素对肠道菌群多样性的影响； 3. 检测 BBN 和其氧化代谢产物 n-Butyl-N-(3-carboxypropyl)-nitrosamine（BCPN）在小鼠体内的分布和排泄情况； 4. 通过分离和培养多种细菌属，开展体外和体内实验以明确细菌的代谢作用； 5. 研究不同人体供者的肠道菌群对 BBN 氧化代谢的个体差异； 6. 进一步探讨其他亚硝胺类化合物的代谢及其致癌过程。

动物实验与抗生素处理

研究首先使用抗生素处理 C57BL/6 小鼠，通过观察膀胱癌的持续发生率评估肠道菌群的作用。处理组给小鼠饮用含 0.05%（v/v）BBN 的水，同时部分小鼠通过抗生素处理减少肠道细菌负荷。抗生素组的小鼠肠道菌负荷显著降低（99.99%），而未经处理的小鼠发展出侵袭性膀胱癌的风险显著增加。

化学分析与数据处理

通过高效液相色谱探究 BBN 在小鼠体内的毒物药代动力学，结合液质联用（LC-MS）检测 BBN 及其代谢产物 BCPN 在尿液、血浆、肝脏、膀胱等多个组织中的浓度。

菌株分离及体外实验

研究进一步从小鼠盲肠和结肠分离出 564 株细菌，并确定 12 个具有氧化能力的细菌物种。体外实验表明，含有 Escherichia 和 Staphylococcus 属细菌的微生物群，能够在特定氧气条件下将 BBN 氧化为致癌产物 BCPN。

人体个体差异与人源化小鼠模型

研究采集了11名人体供者的粪便样本，通过 16S rRNA 测序分析其肠道菌群组成，体外培养后发现，6份样本的菌群具有显著的 BBN 氧化能力。随后将这些“人际化”的菌群移植至无菌小鼠，观察到类似毒物药代动力学变化。

第四部分：主要研究结果

1. 肠道微生物群对肿瘤发生的促进作用：

   • 未经抗生素处理的小鼠中，77% 发展出膀胱肿瘤，而抗生素处理后该比例降低至 19%，说明肠道菌群参与了 BBN 致癌作用。

2. 代谢产物的组织分布：

   • BCPN 在膀胱组织中积累显著减少，同时其尿液中排泄量减少。这表明肠道菌群通过代谢 BBN 改变了其在体内的毒性动力学。

3. 肠道菌群的细菌物种鉴定：

   • Escherichia 和 Staphylococcus 属的细菌是主要氧化 BBN 的菌群成员，且氧化能力与微需氧/需氧环境相关。

4. 人体供者的个体差异：

   • 供者之间菌群 BBN 转化能力差异显著，暗示菌群的代谢功能在个体间存在高度变异。

5. 其他亚硝胺类化合物的研究：

   • 实验表明肠道微生物对于其他亚硝胺，如 EHBN 和 DBN，也具有类似的氧化代谢能力，导致其代谢动力学与肿瘤发生相关联。

第五部分：结论及意义

本研究阐明了肠道微生物可通过代谢环境致癌物（如 BBN）来促进化学性肿瘤形成。此外，研究进一步揭示细菌通过β-葡萄糖醛酸酶对结合型代谢物进行解偶联，并通过氧化反应生成致癌物的双重机制。这强调了多样化、个体化的微生物群代谢在致癌物生物转化中的重要作用。

科学价值： - 提供了肠道微生物参与致癌物代谢的直接证据； - 可为未来基于微生物干预的癌症风险评估提供理论基础。

应用价值： - 可能开创通过调控肠道菌群预防或减缓肿瘤发展的新策略； - 为个性化癌症预防和治疗开发新的生物标志物。

第六部分：研究亮点

1. 首个系统探讨肠道微生物代谢环境致癌物对肿瘤发展的研究；
2. 揭示了微生物在组织特异性肿瘤发生中的关键作用；
3. 应用了人源化小鼠模型验证微生物在致癌物代谢中的跨物种一致性。

第七部分：其他内容

研究指出，尽管部分菌株的相对丰度较低，但其代谢活性显著。这提示社区复杂性可能对个体菌群的代谢功能影响显著，需进一步研究。此外，该研究的方法论（如结合 LC-MS 和 16S rRNA 的策略）为微生物与环境污染物交互的研究提供了重要范例。