肠道微生物组和雌激素受体阳性女性乳腺癌

摘要

人类在出生时就被微生物群（主要是细菌）定殖（这是本综述的重点）(1,2)90%以上居住在胃肠道内。胃肠道容纳了500多种不同的细菌，估计我们携带的细菌数量达到10种¹¹每克管腔含量(3–5). 细菌负荷以及物种多样性从胃到结肠增加，创造了一个复杂的微生物生态系统(6). 胃肠道微生物群的组成反映了宿主变量，如递送模式、遗传、饮食、酒精摄入、环境暴露和药物，特别是抗生素。通过16S核糖体RNA（rRNA）测序和信息学的进展，现在可以研究细菌微生物组的组成、功能及其基因集合（元基因组）的评估(7–10). 人类和微生物共同进化出复杂复杂的关系，使宿主受益，同时使肠道微生物群在互利平衡中茁壮成长(11–13).

然而，微生物组的扰动可能与发展炎症、自身免疫和恶性疾病的风险相关(14–17). 微生物群落失调是一种病理性失衡，可能有助于肿瘤发生和肿瘤进展，并影响癌症治疗的反应和化疗的毒性特征(18–20). 人体肠道微生物组具有功能性，并对激素中间体、代谢物和免疫信使产生局部和远距离影响(21,22). 因此，宿主与微生物的相互作用有可能通过慢性炎症、诱导基因毒性反应、改变微环境和代谢等机制影响致癌(23,24). 这可能是由微生物生态系统作为一个整体或通过细菌等特定微生物介导的幽门螺杆菌与人类胃腺癌风险增加有关(25–27).

肠道细菌微生物组包括雌激素

Plottel和Blaser将“雌激素”定义为“其产物能够代谢雌激素的肠道细菌基因的集合”(28). 雌激素是C-18类固醇激素，来源于C-27胆固醇的逐步减少。内源性雌激素的主要形式是雌二醇（E2，在绝经前非妊娠妇女中占主导地位）、雌激素（E1，绝经后占主导地位的）和雌三醇（E3，在妊娠期最高）(29). 雌激素以游离或蛋白结合的形式在血液中循环，并发挥多种生物效应。母体雌激素（E2，E1）经历第一次肝脏代谢；类固醇环C-2、C-4或C-16位置的不可逆羟基化导致雌激素代谢物的激素效价和半衰期不同(30). 在肝脏中，雌激素及其代谢物（包括通过羟基化和随后的甲基化的cathechol雌激素）通过葡萄糖醛酸化或磺化结合，以允许胆汁排泄(31). 结合雌激素通过胆汁、尿液和粪便排泄(32,33). 对女性注射放射性标记的雌二醇、雌酮和雌三醇的研究表明，大约65%的注射雌二醇、48%的注射雌酮和23%的注射雌三醇在胆汁中得到恢复(34). 大约10%至15%注射的放射性标记雌二醇、雌酮和雌三醇在粪便中以共轭形式存在(35,36)，相当一部分雌激素在循环中被重新吸收。胆汁中排泄的肝结合雌激素可被肠道中具有ß-葡萄糖醛酸酶活性的细菌物种解偶联，导致其重新吸收进入循环。特别相关的是具有ß-葡萄糖醛酸酶和\223»-葡萄糖苷酶的肠道细菌，它们是与雌激素解偶联有关的水解酶(图1) (37–41).

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图1。

雌激素的雌激素和肠肝循环。雌激素主要产生于卵巢、肾上腺和脂肪组织，以游离或蛋白结合的形式在血液中循环，并首先在肝脏中进行代谢，其中雌激素及其代谢产物结合在一起。结合雌激素通过代谢转化为水溶性分子而从体内清除，这些水溶性物质通过尿液或胆汁排入粪便。胆汁中排泄的结合雌激素可被肠道中具有β-葡萄糖醛酸酶活性的细菌物种解偶联（“雌激素样”的成分），随后导致雌激素重新吸收进入循环。循环雌激素对包括乳房在内的靶组织产生影响，从而刺激细胞生长和增殖。雌激素通过调节雌激素的肠肝循环，影响雌激素的排泄和循环。反过来，雌激素的组成可以由抗生素、其他药物和调节其功能活动的饮食等因素决定。改编自Plottel SC，Blaser MJ。微生物组和恶性肿瘤。细胞宿主微生物。2011;10（4）：324-335。

细菌ß-葡萄糖醛酸酶催化肝脏中产生的内源性\223»-葡萄糖醛酸苷和饮食中发现的外源性ࢹ-糖醛酸苷的水解，如复合碳水化合物(42–44). 许多代谢物、类固醇激素和外源性物质在肝葡萄糖醛酸化后通过胆汁排泄到肠道。肠道细菌ß-葡萄糖醛酸酶从结合底物中去除葡萄糖醛酸（解结合），促进其各自苷元在肠肝循环中的再吸收。已描述了人类肠道微生物群中的独特细菌ß-葡萄糖醛酸酶基因(39,40). 性格鲜明的格斯基因普遍存在于肠道细菌中(40,45)而BG基因最近通过宏基因组分析进行了描述(39). 在人类胃肠道中，BG基因在拟杆菌门和厚壁菌门中有很好的代表性，而格斯在厚壁菌中更常见(41).

ß-葡萄糖醛酸酶活性可由饮食和细菌环境调节。据报道，食用高脂肪或高蛋白饮食的健康人粪便ß-葡萄糖醛酸酶活性增加，而食用纤维会降低活性(46–48). 在大肠杆菌在培养基中生长，ß-葡萄糖醛酸酶活性受细菌种群密度控制，表明体内群体感应影响酶水平(49).

重要的是，细菌ß-葡萄糖醛酸酶是潜在的药物靶点，最近使用\223»-葡萄糖苷酸酶抑制剂显示了这一点(19,50). 细菌ß-葡萄糖醛酸酶的独特结构已被阐明，该酶在调节功能活性的活性位点中含有天冬酰胺和赖氨酸（N-K）残基(19,50). 这个N-K基序在ß-葡萄糖醛酸酶中保守，但在ࢹ-半乳糖苷酶中不保守，这是一种在C-4和C-5位置不同的同源物；两者都催化类似糖苷底物的水解(51). 抑制剂结构的微小变化可以改变ß-葡萄糖醛酸酶活性部位的构象，导致催化活性和药理抑制的差异；这表现在化疗药物伊立替康（CPT-11）减轻小鼠胃肠道毒性(50). 在该研究中，抑制ß-葡萄糖醛酸酶不会影响药物或其代谢物的血清药代动力学。

人类肠道中的许多细菌属和种含有编码人类ß-葡萄糖醛酸酶的基因(表1;补充表1，在线提供），强调了该酶的普遍性，并扩展了早期对从人类粪便中获得的表达体内硫酸酯酶（解共轭）活性的单个细菌的观察(40,41,52). 循环中的非活性类固醇也通过肝脏硫酸酯酶途径转化为生物活性雌激素(32,52,53). 据推测，表达硫酸酯酶活性的肠道细菌能够水解经过肝脏硫酸化和胆汁排泄到胃肠道的雌激素分子。由于这些假定的细菌酶活性及其对类固醇代谢和雌激素的肠肝循环的影响尚未被研究，它们仍有待确定。

对健康志愿者粪便样本的研究证实了β-葡萄糖醛酸酶和β-葡萄糖苷酶在人类中的生物活性，并确定了最佳收集和处理技术(54,55). 雌激素的其他潜在酶活性包括脱氢；对前基因组时代体外人类粪便提取物的研究表明，氧化和还原反应都会影响几种雌激素(56,57). 肠道细菌β-葡萄糖醛酸酶和β-葡萄糖苷酶活性也被证明是由高pH值诱导的，这也可能增加结肠癌的风险(58,59). 细菌β-葡萄糖醛酸酶和β-葡萄糖苷酶活性在乳腺癌风险（或风险降低）中的作用目前尚不清楚。

胆固醇前体合成雌激素的一系列还原反应部分由羟基类固醇脱氢酶（HSD）催化，HSD是一组醇氧化还原酶(60,61). HSD的生物信息学注释基本上存在于所有完整的细菌基因组中，表明HSD广泛存在于正常的人类肠道微生物群中(62). 富含细菌羟基类固醇去结合活性的雌激素样体可能有助于调节共轭形式雌激素和雄激素分子的相互转化，所有这些都与雌激素宿主的整体环境有关(56). 因此，雌激素样蛋白酶的作用范围可能超出去共轭作用。

雌激素生理学与摄动

几十年前，人们注意到肠道细菌在雌激素代谢中发挥中心作用的实验证据。无菌大鼠排泄的游离类固醇激素数量太少，无法用气相色谱-质谱技术进行表征，而常规大鼠排泄出的游离类甾醇激素数量更大，可以量化，反映了其宿主细菌的解偶联活性(63). 将细菌引入这种无菌小鼠的肠道，显示其生殖参数受损，导致雌性发情周期正常化，雄性精子数量增加，所有这些都导致整体生育能力和生殖能力的恢复(64).

Goedert及其同事在一项对60名健康绝经后妇女进行的横断面研究中评估了粪便微生物组分和多样性与尿中雌激素和雌激素代谢物水平的关系(65). 尿雌激素（E₂和E₁)并使用标准化方法测量其代谢物(66,67)，并使用细菌16S rRNA基因测序评估粪便微生物群。粪便样本中的微生物多样性与雌激素代谢物与母体雌激素的关系在统计学上显著相关（E₂和E₁); 重要的是，代谢物与亲本雌激素的比例随着系统发育多样性的增加而增加。这些观察结果支持这样一种假设，即雌激素代谢和水平的差异与肠道微生物多样性的变异有关。Goedert及其同事还证明了健康绝经后女性和男性的肠道微生物丰富度、全身和粪便雌激素以及β-葡萄糖醛酸酶活性之间的关系(68).

雌激素暴露与乳腺癌风险

在美国，八分之一的女性患有乳腺癌，是女性癌症死亡的第二大原因，仅次于肺癌(69). 最常见的乳腺癌亚型是激素受体（HR）阳性/人表皮生长因子（HER）2阴性，占70%以上的患者(70)，大多数发生在绝经后妇女(71).

根据监测、流行病学和最终结果（SEER）数据库以及美国人口普查局的预测，新的乳腺原位肿瘤和侵袭性肿瘤的数量预计将增加(72). 预计2011年至2030年间，70至84岁女性HR阳性侵袭性肿瘤的发病率每年将增加4%（从47 800至95 300名患者/年），50至69岁女性的发病率将增加1.6%（从98 000至125 700名患者/年间）。在所有年龄组中，原位HR阳性肿瘤的数量预计也会增加（从53900名患者/年增加到127400名患者/每年）。

雌激素被认为是HR阳性乳腺癌病因学中的一个致病因素，在启动和促进肿瘤生长方面起着重要作用(73,74) (图2). 几十年前，特里科普洛斯（Trichopoulos）提出了一个假设，即妊娠期雌激素浓度越高，后代数年后患乳腺癌的可能性越大，这引起了人们对雌激素潜在致癌意义的关注(75). 妊娠期雌激素相对过剩状态，如双胎妊娠，与这些妊娠所生女儿患乳腺癌的相对风险增加有关(76)如乌司他丁内暴露于合成雌激素己烯雌酚(77).

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图2。

雌激素对雌激素的潜在影响。内源性雌激素（E）的形式包括E2（雌二醇）和E1（雌酮）、雌激素代谢物（如甲氧基化部分）和外源性雌激素与乳腺组织致癌有关。雌激素通过包括典型途径（α和β受体）和非经典机制在内的多种途径充当信号分子。雌激素受体广泛分布于组织中。雌激素既自由循环，又与蛋白质结合。在肝脏中，雌激素经历E2和E1的相互转换和第一次代谢。雌激素的肝脏结合允许结合雌激素和结合雌激素代谢物在胆汁中排泄到胃肠道，在胃肠道中，细菌来源的β-葡萄糖醛酸酶、葡萄糖苷酶和羟基类固醇脱氢酶（微生物的雌激素组分）再生这些分子的“游离”形式。因此，肠-肝循环有助于提高雌激素及其代谢产物的血浆水平。一个富含雌激素的细菌，其酶活性在解偶联和羟基化功能方面更高，将导致循环游离雌激素的相对水平更高。

雌激素相对过剩状态与绝经后女性激素性乳腺癌的关系(78)9项前瞻性研究的荟萃分析证实，绝经后女性内源性性激素水平（包括E2和E1）与乳腺癌之间存在统计学意义上的相关性(79). 例如，与雌二醇水平最低的女性相比，雌二醇水平最高的女性患乳腺癌的相对风险为2.0（95%置信区间[CI]=1.47至2.71）。

雌激素代谢物与母体雌激素的比例也与绝经后乳腺癌风险有关。随着母体雌激素（E2和E1）循环浓度的升高，风险增加。通过肝细胞色素P450的羟基化，随着2-和4-通路雌激素代谢产物与母体雌激素比率的增加，风险降低(80)和代谢途径有利于雌激素2-羟基化而非16α-羟基化(81–83). 此外，2-、4-和16α-羟基雌激素可能被视为致癌物(84).

在安慰剂对照的女性健康倡议试验中，外源性雌激素的使用时间为5至7年（n=27 347名绝经后妇女）在雌激素和孕激素联合治疗的干预期内和干预期后，乳腺癌的发病率在统计学上显著增加，但单用雌激素治疗的情况除外(85).

雌激素如何影响雌激素水平和乳腺癌风险

肠道微生物组的一个重要作用是调节全身雌激素(38–41)因为它影响雌激素的肠肝循环及其再吸收。我们假设，从理论上讲，富含有利于解偶联酶的雌激素将促进游离雌激素的重吸收，从而增加相对总雌激素负荷，可能会增加激素驱动的恶性肿瘤（如乳腺癌）的发病风险(图3). 反过来，雌雄同体的细菌组成可能会受到宿主因素的影响，如年龄和种族，以及终生环境影响，包括饮食、酒精和抗生素的使用，这可能会对细菌种群产生选择性压力(86–88). 其中一些因素也与乳腺癌风险独立相关。下面讨论了可能的重叠或加性调制器。

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图3。

肠道雌激素和乳腺癌风险的潜在联系。雌激素/微生物组调节循环雌激素水平，从而调节内源性激素环境，这可能直接或间接影响激素驱动的恶性肿瘤的风险，包括乳腺癌和子宫内膜癌，例如通过免疫调节。肠道中的高解偶联活性可能导致雌激素和代谢物的相对血浆水平升高，从而可能增加癌症风险，而低解偶联活性则可能产生相反的影响。相反，微生物组受环境、宿主变量以及可能的性类固醇水平等因素的调节。

人类乳腺组织的微生物组

几十年前，人类肠道中的胆汁酸和囊性乳腺组织之间的联系被发现(143,144). 在患有纤维囊性疾病的女性乳腺囊肿液的抽吸液中发现了胆汁盐石胆酸盐，其浓度远高于血清中的浓度，该胆汁盐结石胆酸盐经证实来源于肠道(143). 虽然维持乳腺囊肿内高胆汁浓度的机制尚待研究，但在良性和恶性乳腺微环境中已发现了一种胆汁酸受体，即法尼样X受体（FXR）(145). 胆汁酸如脱氧胆酸（DCA）已被证明通过FXR刺激乳腺癌细胞的生长和转移，这表明胆汁酸可能在乳腺癌的发生中起作用。

虽然超出了肠道微生物组和乳腺癌这一综述的范围，但也对人类乳腺组织的微生物群进行了研究，并揭示了乳腺癌组织与配对正常组织之间的差异(146–148). 目前尚不清楚这些发现是否反映了局部生物失调，创造了有利于乳腺肿瘤形成的环境，即致癌触发因素，或反映了宿主对适应乳腺组织中富含脂肪酸环境的微生物的选择。然而，这表明，与身体其他部位一样，乳房组织也有独特的微生物组。

结论和进一步的方向

人们对微生物组在人类健康和疾病中的动态作用越来越感兴趣。探索肠道微生物组与乳腺癌之间潜在相互作用的研究跨越了转化研究的范围，需要基础科学家之间的合作，包括免疫学家、细胞生物学家和微生物学家，临床医生，如肿瘤学家和内分泌学家，动物研究人员，流行病学家，生物统计学家和生物信息学家。正在进行的微生物质量控制项目(149)和国际人体微生物标准（IHMS）项目(150)解决样品采集、样品存储、标准化和再现性问题(151–153); 微生物组研究人员在规划研究时应遵循他们的建议。特别是，粪便样本生物银行应纳入纵向流行病学调查的研究设计中。

我们对雌激素的肠肝循环的大部分了解都来自于1970年之前的研究。分析方法的最新进展，包括准确、灵敏地测量血清和尿液中的不同结合雌激素和非结合雌激素，应为个体间的有意义比较提供工具(67,154). 动物模型用于在受控条件下测试假设。需要进行大规模的观察性人类研究，以确定和确认相关性，同时控制影响微生物组和癌症风险混杂因素的其他（遗传、表观遗传、饮食和环境）变量。最近一项调查绝经后妇女肠道微生物组分差异的研究表明，与健康对照组相比，新诊断的乳腺癌患者（87%为ER阳性肿瘤）的粪便微生物组分变化较小，且在统计学上有显著改变(155)这一发现值得后续跟进。

还需要进一步研究来评估雌激素样体假说，并确定微生物组的代谢能力对雌激素代谢和宿主生理学的影响。确定不同微生物群相对于去共轭活性的“功能性”至关重要。我们目前正在对绝经后妇女进行一项前瞻性病例对照研究，以评估肠道细菌微生物群/β-葡萄糖醛酸酶活性、循环雌激素水平和乳腺癌之间的关系。如果雌激素代谢-肠道微生物组轴功能正常，雌激素水平存在潜在的个体差异，那么雌激素可能会增加激素驱动的恶性肿瘤（包括乳腺癌）的风险，因此可以作为潜在的生物标志物(156). 此外，可能包括使用益生元、益生菌或抗菌剂的干预措施可以专门针对具有β-葡萄糖醛酸酶活性的肠道细菌种类进行设计(19,50)降低雌激素相关癌症风险或成为未来治疗的组成部分。总之，微生物组和雌激素驱动的乳腺癌之间的联系正在增加，我们希望研究将确定肠道微生物组的具体特征，可用于开发乳腺癌风险评估、预防和治疗的新方法。

基金

这项工作得到了国家癌症研究所的部分支持：R01 CA161891号（SA）、Shifrin-Myers乳腺癌发现基金（SA），R01 DK098989（MB）来自国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所（NIDDK），以及戴安·贝尔弗人类微生物生态学计划（MB）。

笔记

资助者在撰写评论或决定将其提交出版方面没有任何作用。

我们感谢托马斯·巴塔利亚在建造表1和补充表1（在线提供）。

补充材料

参考文献