代謝組學助力研究香煙煙霧會導致腸道微生物群失調，引發結直腸癌
說到致癌，人人都會恐懼，在我們的日常生活中，很多不好的習慣會導致癌癥的發生，比如說——吸煙，那么吸煙真的致癌嗎？關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，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險，約80%的原發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險。已有研究表明，吸煙與人結直腸癌(CRC) 發病率和死亡率顯著相關，且來自CRC患者的腸道微生物可促進受體小鼠的結直腸腫瘤形成。然而，吸煙促進結直腸癌發生和進展的機制尚不清楚，且腸道微生物群的改變是否代表吸煙與CRC之間的聯系仍不明確。百趣生物代謝組學協助香港中文大學于君教授團隊在Gut（IF=31.793）上發表了題為"Cigarettesmoke promotes colorectal cancer through modulation of gut microbiota andrelated metabolites"的論文，百趣代謝組學為本研究提供了LC-MS非靶代謝組+膽汁酸靶標檢測分析服務。
研究結果
1. 香煙煙霧促進小鼠結直腸癌的發生
為了研究吸煙對結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直腸腫瘤數量和大小顯著增加(圖1B)、發病率增加 (圖1D)、結直腸上皮細胞的增殖升高(圖1E-F)。
圖1. 香煙煙霧增加小鼠結直腸癌致癌性
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展，對不同處理組的不同豐度細菌間相互作用的生態網絡圖進行分析，發現富集的E.lenta與下降的腸道有益菌之間存在拮抗關系(圖2E )。
圖2. 香煙煙霧對小鼠腸道菌群的調節
3. 香煙煙霧改變糞便中腸道微生物相關代謝物
對小鼠糞便代謝組學進行分析，非靶代謝組學結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，膽汁酸靶標驗證結果顯示促癌的牛磺去氧膽酸（TDCA）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性分析顯示，E.lenta的豐度與糞便中TDCA濃度呈正相關（圖3E-F）。這些結果表明，腸道微生物的生態失調和代謝產物的改變可能共同作用于結直腸癌的形成。
圖3. 香煙煙霧改變糞便中腸道微生物相關代謝物
4. 香煙煙霧損害腸道屏障功能、增強結直腸上皮中致癌信號傳導及促炎信號基因的表達
通過對結直腸緊密連接蛋白表達水平及血清脂多糖(LPS)水平的測定，發現香煙煙霧暴露導致緊密連接蛋白claudin-3和ZO-1水平顯著降低，血清LPS顯著升高，這一結果反應香煙煙霧導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
進一步的分子水平研究結果顯示，香煙煙霧暴露誘導MAPK/ERK途徑中關鍵介質蛋白ERK1/2磷酸化水平升高，激活MAPK/ERK信號通路，促進結直腸腫瘤形成（圖5A-C）。此外，香煙煙霧暴露還誘導白介素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量增加和抗炎性因子表達下降，促進結直腸癌形成中的炎癥（圖5D-F）。
圖5. 香煙煙霧增強致癌的MAPK/ERK通路和促炎通路在結直腸上皮中的
5. 無菌小鼠糞便微生物移植再現常規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直腸癌形成中的直接作用，本研究在無菌小鼠中進行了糞便微生物群移植(圖6A)。無菌小鼠宏基基因組測序結果與常規小鼠測序結果相似，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，對兩個小鼠模型進行的分析，結果表明與供體小鼠相比，無菌小鼠的糞便移植后生態網絡模塊更保守(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組小鼠結直腸上皮細胞增殖明顯增加（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量下降、LPS水平增加，腸道屏障功能受損（圖7C-E）。這一結果與常規小鼠模型結果一致，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，可能進一步促進腫瘤形成。進一步的分子水平研究發現了與常規小鼠模型一致的結果：香煙煙霧改變的微生物群誘導TNF和IL-17信號傳導和致癌性MAPK/ERK信號傳導（圖7F-K）。這些結果表明，香煙煙霧引起的腸道微生物群的改變有助于結直腸癌的發生。
結論
本研究首次證明香煙煙霧通過誘導腸道微生物群生態失調來促進結直腸腫瘤形成。香煙煙霧誘導腸道微生物菌群失調改變了腸道代謝物并對腸道屏障功能造成損傷，激活結直腸上皮中致癌MAPK/ERK信號及促炎性IL-17和TNF信號通路，促進結直腸癌的發展（圖8）。
百趣生物為本研究提供了LC-MS非靶代謝組+膽汁酸靶標檢測分析服務，定性定量準，構建物質標準曲線，提供物質的絕對含量；技術成熟穩定、分辨率高、選擇性好；團隊經驗豐富，有專業的研發和數據分析團隊。有興趣采用LC-MS非靶代謝組+膽汁酸靶標檢測進行樣本檢測分析的老師，歡迎垂詢服務熱線：400-664-9912。
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