代謝組學(xué)助力研究香煙煙霧會導(dǎo)致腸道微生物群失調(diào)，引發(fā)結(jié)直腸癌
說到致癌，人人都會恐懼，在我們的日常生活中，很多不好的習(xí)慣會導(dǎo)致癌癥的發(fā)生，比如說——吸煙，那么吸煙真的致癌嗎？關(guān)于吸煙致癌你知道多少呢？
香煙的煙霧中含有大量的有害物質(zhì)，吸入人體后會對人體造成諸多的傷害，比如吸煙會增加患肺癌的風(fēng)險，約80%的原發(fā)性肺癌可歸因于吸煙，除此之外，吸煙還會增加其他不直接接觸香煙煙霧的器官患癌癥的風(fēng)險。已有研究表明，吸煙與人結(jié)直腸癌(CRC) 發(fā)病率和死亡率顯著相關(guān)，且來自CRC患者的腸道微生物可促進(jìn)受體小鼠的結(jié)直腸腫瘤形成。然而，吸煙促進(jìn)結(jié)直腸癌發(fā)生和進(jìn)展的機(jī)制尚不清楚，且腸道微生物群的改變是否代表吸煙與CRC之間的聯(lián)系仍不明確。百趣生物代謝組學(xué)協(xié)助香港中文大學(xué)于君教授團(tuán)隊在Gut（IF=31.793）上發(fā)表了題為"Cigarettesmoke promotes colorectal cancer through modulation of gut microbiota andrelated metabolites"的論文，百趣代謝組學(xué)為本研究提供了LC-MS非靶代謝組+膽汁酸靶標(biāo)檢測分析服務(wù)。
研究結(jié)果
1. 香煙煙霧促進(jìn)小鼠結(jié)直腸癌的發(fā)生
為了研究吸煙對結(jié)直腸腫瘤形成的影響，本文使用氧化偶氮甲烷(AOM)對C57BL/6小鼠進(jìn)行28天香煙煙霧暴露處理(2h/d，圖1A)。與無煙對照組小鼠相比，暴露于香煙煙霧小鼠的結(jié)直腸腫瘤數(shù)量和大小顯著增加(圖1B)、發(fā)病率增加 (圖1D)、結(jié)直腸上皮細(xì)胞的增殖升高(圖1E-F)。
圖1. 香煙煙霧增加小鼠結(jié)直腸癌致癌性
2. 香煙煙霧改變小鼠腸道微生物群的組成和微生物的相互作用
采用16S測序排除籠子效應(yīng)對本實驗小鼠腸道微生物群落的影響后，宏基因組測序確定香煙煙霧暴露誘導(dǎo)的腸道微生物群潛在變化。與無煙對照組小鼠相比，暴露于香煙煙霧的小鼠α多樣性更低(圖2A)。β多樣性結(jié)果顯示，暴露于煙霧的小鼠與對照組小鼠的腸道微生物群聚類有顯著差異 (圖2B)。20種腸道菌發(fā)生了顯著變化，其中E.lenta顯著富集，腸道有益菌減少(圖2C-D)。微生物之間的互作可能會影響疾病的發(fā)展，對不同處理組的不同豐度細(xì)菌間相互作用的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)富集的E.lenta與下降的腸道有益菌之間存在拮抗關(guān)系(圖2E )。
圖2. 香煙煙霧對小鼠腸道菌群的調(diào)節(jié)
3. 香煙煙霧改變糞便中腸道微生物相關(guān)代謝物
對小鼠糞便代謝組學(xué)進(jìn)行分析，非靶代謝組學(xué)結(jié)果顯示香煙煙霧暴露小鼠的代謝特征與無煙小鼠顯著不同 (圖3A-B)。差異代謝物主要富集途徑為膽汁酸生物合成途徑，膽汁酸靶標(biāo)驗證結(jié)果顯示促癌的�；侨パ跄懰幔═DCA）在香煙煙霧暴露小鼠中含量顯著增加（圖3C-D）。微生物和代謝物的相關(guān)性分析顯示，E.lenta的豐度與糞便中TDCA濃度呈正相關(guān)（圖3E-F）。這些結(jié)果表明，腸道微生物的生態(tài)失調(diào)和代謝產(chǎn)物的改變可能共同作用于結(jié)直腸癌的形成。
圖3. 香煙煙霧改變糞便中腸道微生物相關(guān)代謝物
4. 香煙煙霧損害腸道屏障功能、增強(qiáng)結(jié)直腸上皮中致癌信號傳導(dǎo)及促炎信號基因的表達(dá)
通過對結(jié)直腸緊密連接蛋白表達(dá)水平及血清脂多糖(LPS)水平的測定，發(fā)現(xiàn)香煙煙霧暴露導(dǎo)致緊密連接蛋白claudin-3和ZO-1水平顯著降低，血清LPS顯著升高，這一結(jié)果反應(yīng)香煙煙霧導(dǎo)致腸道屏障功能受損（圖4）。
圖4. 香煙煙霧損害腸道屏障功能
進(jìn)一步的分子水平研究結(jié)果顯示，香煙煙霧暴露誘導(dǎo)MAPK/ERK途徑中關(guān)鍵介質(zhì)蛋白ERK1/2磷酸化水平升高，激活MAPK/ERK信號通路，促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤形成（圖5A-C）。此外，香煙煙霧暴露還誘導(dǎo)白介素17(IL-17)和腫瘤壞死因子(TNF)等信號通路的改變，引起促炎性因子表達(dá)量增加和抗炎性因子表達(dá)下降，促進(jìn)結(jié)直腸癌形成中的炎癥（圖5D-F）。
圖5. 香煙煙霧增強(qiáng)致癌的MAPK/ERK通路和促炎通路在結(jié)直腸上皮中的
5. 無菌小鼠糞便微生物移植再現(xiàn)常規(guī)小鼠模型中腸道微生物群變化
為了證實香煙煙霧改變腸道菌群在結(jié)直腸癌形成中的直接作用，本研究在無菌小鼠中進(jìn)行了糞便微生物群移植(圖6A)。無菌小鼠宏基基因組測序結(jié)果與常規(guī)小鼠測序結(jié)果相似，與喂食來自無煙小鼠糞便的無菌小鼠(GF-AOM)相比，喂食香煙煙霧暴露小鼠糞便的無菌小鼠(GF-AOMS)的α多樣性顯著降低，且β多樣性分析顯示糞便移植后的兩組無菌小鼠之間腸道微生物群的顯著分離，E.lenta顯著富集，腸道有益菌減少(圖6B-E)。TDCA在GF-AOMS小鼠糞便中的含量顯著升高(圖6H)。此外，對兩個小鼠模型進(jìn)行的分析，結(jié)果表明與供體小鼠相比，無菌小鼠的糞便移植后生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模塊更保守(圖6G)。
圖6. 煙霧暴露的普通小鼠糞便微生物群移植后無菌小鼠腸道微生物群
6. 香煙煙霧暴露改變腸道微生物群對無菌小鼠造成影響
與GF-AOM組相比，GF-AOMS組小鼠結(jié)直腸上皮細(xì)胞增殖明顯增加（圖7A-B）。香煙煙霧改變的微生物群還影響著無菌小鼠的腸道屏障功能，GF-AOMS組小鼠的緊密連接蛋白表達(dá)量下降、LPS水平增加，腸道屏障功能受損（圖7C-E）。這一結(jié)果與常規(guī)小鼠模型結(jié)果一致，表明香煙煙霧引起的微生物群和代謝物的改變會損害腸道屏障功能，可能進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤形成。進(jìn)一步的分子水平研究發(fā)現(xiàn)了與常規(guī)小鼠模型一致的結(jié)果：香煙煙霧改變的微生物群誘導(dǎo)TNF和IL-17信號傳導(dǎo)和致癌性MAPK/ERK信號傳導(dǎo)（圖7F-K）。這些結(jié)果表明，香煙煙霧引起的腸道微生物群的改變有助于結(jié)直腸癌的發(fā)生。
結(jié)論
本研究首次證明香煙煙霧通過誘導(dǎo)腸道微生物群生態(tài)失調(diào)來促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤形成。香煙煙霧誘導(dǎo)腸道微生物菌群失調(diào)改變了腸道代謝物并對腸道屏障功能造成損傷，激活結(jié)直腸上皮中致癌MAPK/ERK信號及促炎性IL-17和TNF信號通路，促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)展（圖8）。
百趣生物為本研究提供了LC-MS非靶代謝組+膽汁酸靶標(biāo)檢測分析服務(wù)，定性定量準(zhǔn)，構(gòu)建物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線，提供物質(zhì)的絕對含量；技術(shù)成熟穩(wěn)定、分辨率高、選擇性好；團(tuán)隊經(jīng)驗豐富，有專業(yè)的研發(fā)和數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊。有興趣采用LC-MS非靶代謝組+膽汁酸靶標(biāo)檢測進(jìn)行樣本檢測分析的老師，歡迎垂詢服務(wù)熱線：400-664-9912。
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