研究表明,约13%的癌症发病与微生物感染有关
[1-2]。牙龈卟啉单胞菌(
Porphyromonas gingivalis,
P. gingivalis)是革兰氏阴性厌氧的牙周炎致病菌,被证实与肿瘤发生发展相关
[3]。
P. gingivalis主要毒力因子包括菌毛(FimA)、脂多糖(lipopolysaccharide,LPS),牙龈蛋白酶、血凝素(hemagglutinin,HA)和外膜囊泡(outer membrane vesicles,OMVs)等
[4-6]。口腔菌群稳态对口腔和全身健康均有重要作用,口腔菌群失衡可引起局部慢性炎症和免疫抑制,不仅可以导致口腔鳞状细胞癌(oral squamous cell carcinoma,OSCC)
[7],还可以通过异位定植,参与肺癌
[8]、食管癌
[9]、胰腺癌
[10]、结直肠癌
[11]、宫颈癌
[12]和前列腺癌
[13]的进展(
表1)。其促癌机制涉及调控肿瘤细胞增殖与细胞周期、抑制肿瘤细胞凋亡、促进肿瘤细胞侵袭、诱导炎症反应和化学耐药以及共生菌之间的相互作用。本文将对
P. gingivalis与肿瘤进展的相关性及其病理机制进行综述。
1 P. gingivalis在口腔鳞状细胞癌发生发展中的作用机制
与健康个体相比,OSCC患者肿瘤组织中
P. gingivalis显著富集
[7, 46-47],是正常组织的600倍
[48]。Chang等
[46]发现
P. gingivalis与OSCC患者临床晚分期、低分化及淋巴结转移呈正相关,且
P. gingivalis可通过结肠癌相关转录因子1/三四脯氨酸/丝裂原活化蛋白激酶激活的蛋白激酶2感染口腔上皮细胞抑制锌指蛋白36的表达,从而促进其恶性转化
[49]。综上,表明
P. gingivalis与OSCC之间可能存在着密切的关系(
图1)。
1.1 P. gingivalis促进细胞增殖
肿瘤细胞具有无限增殖的能力,细菌可通过增强肿瘤细胞增殖而促进肿瘤的进展
[50]。
P. gingivalis通过调控miR-21/程序性细胞死亡4(programmed cell death 4,PDCD4)/激活蛋白1(activator protein 1,AP-1)负反馈通路,驱动细胞周期蛋白(cyclin)D1的表达,诱导细胞周期阻滞于S期
[51-52]。同时,
P. gingivalis的毒力因子牙龈蛋白酶通过激活NOTCH信号传导促进细胞增殖。
P. gingivalis还可通过促进细胞自噬
[53]和抑制凋亡蛋白Bad并激活B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma 2,Bcl-2)的表达抑制细胞凋亡促进OSCC细胞增殖
[54]。此外,
P. gingivalis可以通过上调钙结合蛋白1(calbindin 1,CALB1)表达诱导牙龈上皮癌细胞增殖
[55]。Zeng等
[56]发现
P. gingivalis-OMVs可能通过下调抑癌基因锌指蛋白292(zinc finger protein 292,ZNF292)和ATRX(alpha thalassemia/mental retardat)表达促进OSCC细胞增殖。研究表明FimA通过依赖磷酸化蛋白激酶B 1(phosphorylated protein kinase B 1,pAkt1)、磷酸化叉头状转录因子O1(phosphorylated forkhead box transcription factor O1,pFOXO1)通路
[57]以及靶向结合微管相关蛋白1轻链3B(microtubule-associated protein 1 light chain 3 B,LC3B)-鞘氨醇(ceramide)复合物抑制线粒体自噬
[58],促进OSCC细胞增殖。研究发现
P. gingivalis分泌的核苷二磷酸激酶可增加细胞外三磷酸腺苷(adenosine triphosphate,ATP)水解,从而激活ATP-嘌呤能离子通道(purinergic ligand-gated ion channel 7,P2X7)信号通路,上调P2X7的表达和激活钙离子通道,导致细胞内钙离子累积促进OSCC细胞增殖
[59]。目前尚未报道
P. gingivalis其他毒力因子对OSCC细胞增殖影响的机制,需要进一步研究。
1.2 P. gingivalis增强肿瘤干细胞特性
脂质是细胞的重要组成部分,其代谢异常有助于癌细胞获得干细胞特性。脂质硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-coA desaturase 1,SCD1)是一种参与脂质去饱和的酶,是癌细胞生存的重要调节因子
[60]。Zang等
[61]发现
P. gingivalis通过含核苷酸结合寡聚结构域蛋白 1(nucleotide-binding oligomerization domain-containing protein 1,NOD1)/Krüppel样因子5(Krüppel-like factor 5,KLF5)轴上调SCD1的表达,促进OSCC细胞脂质合成,诱导癌症干细胞标志物簇分化抗原(cluster of differentiation 44,CD44)和簇分化抗原(cluster of differentiation 133,CD133)的表达,增强OSCC的干性和致瘤性,提示
P. gingivalis在OSCC发生发展中具有重要的作用。靶向SCD1抑制肿瘤细胞干性有望抑制肿瘤进展、复发和耐药。
1.3 P. gingivalis重塑炎性微环境
研究发现
P. gingivalis感染口腔内皮细胞后促进口腔内皮细胞分泌促炎OMVs,激活Toll样受体4(Toll-like receptor,TLR4)/核因子-κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)信号通路,诱导炎症反应
[62]。同时还发现
P. gingivalis通过激活炎性小体NLRP3过表达引起白细胞介素(interleukin,IL)-1β(IL-1β)大量释放,形成慢性炎症微环境
[52],其毒力因子LPS通过激活P38/c-Jun NH2末端激酶1(c-Jun N-terminal kinase,JNK)通路,促进炎症反应
[63]。此外,
P. gingivalis诱导免疫细胞分泌趋化因子,C-C趋化因子2(C-C motif ligand 2,CCL2)和C-X-C趋化因子2(C-X-C motif chemokine ligand 2,CXCL2)以及细胞因子IL-6、IL-8等,激活髓系抑制细胞(myeloid-derived suppressor cells,MDSC)
[64]和肿瘤相关中性粒细胞(tumor-associated neutrophil,TAN)
[54],TAN可通过释放中性粒细胞外陷阱(neutrophil extracellular traps,NETs)改变肿瘤微环境从而促进OSCC进展
[65]。TAN分为肿瘤抑制型TAN1和肿瘤促进型TAN2,有研究发现
P. gingivalis下调黏蛋白-1和C-X-C趋化因子17(C-X-C motif ligand 17,CXCL17)的表达
[66],其中CXCL17可能激活N1型TAN,释放活性氧和活性氮直接杀死肿瘤细胞,从而抑制OSCC生长,提示
P. gingivalis在OSCC发生发展中具有双重作用。因此,通过诱导TAN极化为TAN1,从而可能开发基于TAN极化的肿瘤治疗新方法。
1.4 P. gingivalis促进肿瘤细胞侵袭
P. gingivalis介导IL-8上调基质金属蛋白酶1(matrix metalloprotease 1,MMP-1)和基质金属蛋白酶10(matrix metalloprotease 10,MMP-10)的表达
[67],增强OSCC侵袭。同时,
P. gingivalis菌毛蛋白FimA激活锌指E-box结合同源框1蛋白表达,上调间充质标志物如波形蛋白和基质金属蛋白酶9的表达,诱导上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)
[68],协同增强OSCC细胞迁移和侵袭的能力。Liu等
[69]首次发现
P. gingivalis-OMVs中sRNA23392可下调OSCC细胞中桥粒蛋白2(desmocollin-2,DSC2),进一步促进EMT、细胞迁移和侵袭。本课题组
[70]还发现
P. gingivalis-OMVs可以通过NF-κB信号通路抑制铁死亡从而促进OSCC的EMT进程。此外,精氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶R牙龈蛋白酶(arginine-specific cysteine proteinase R gingipain,Rgp)通过降解宿主屏障蛋白促进细胞侵袭和诱导细胞凋亡
[71]。LPS还可以诱导程序性死亡配体1(programmed death ligand 1,PD-L1)的表达和EMT促进OSCC的侵袭
[72]。不同毒力因子对肿瘤细胞侵袭能力的调控不同,抑制或敲除促癌成分(FimA、Rgp、OMVs和LPS)是达到精准治疗目的的有效途径。肿瘤细胞侵袭表型的获得是肿瘤细胞从原发灶向远处转移的基础,也是治疗失败的主要原因。基于上述,发现
P. gingivalis毒力因子在OSCC进展中发挥着重要作用,因此通过靶向
P. gingivalis毒力因子抑制细胞的侵袭可能可以提高治疗效果。
1.5 P. gingivalis促进肿瘤细胞逃避宿主免疫反应
研究发现
P. gingivalis在OSCC免疫逃避中具有重要作用,
P. gingivalis上调巨噬细胞中的DOK3
[73],抑制巨噬细胞对OSCC细胞的吞噬作用,并诱导巨噬细胞极化为M2肿瘤相关巨噬细胞
[74],有助于OSCC免疫逃逸从而促进OSCC进展。此外,Ren等
[75]发现
P. gingivalis可通过蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)-信号转导与转录激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)信号通路上调树突状细胞上的PD-L1的表达,促进PD-1与其配体PD-L1结合,抑制CD8+ T细胞毒性以逃避免疫攻击;同时,
P. gingivalis细胞壁表面的肽聚糖可激活受体相互作用蛋白激酶2(receptor-interacting protein kinase 2,RIP2)-丝裂原活化激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)轴,上调PD-L1的表达
[76],从而促进肿瘤细胞逃逸。此外,
P. gingivalis通过募集趋化因子受体6(chemokine receptor 6,CCR6)阳性(CCR6
+)调节性T(regulatory T cells,Treg)细胞以减少CD8
+ T细胞的占比
[77],而CD8
+ T细胞是抑制OSCC进展的重要防线和预后指标,因此,靶向抑制
P. gingivalis有望抑制OSCC进展。
1.6 P. gingivalis诱导化学耐药
研究发现,
P. gingivalis通过FimA与膜联蛋白A2(annexin A2,ANXA2)结合,靶向OSCC细胞中的LC3B-ceramide复合物抑制线粒体自噬,导致OSCC细胞产生耐药
[58]。
P. gingivalis感染OSCC后诱导OSCC细胞中NOTCH1的激活导致OSCC细胞对紫杉醇耐药
[78]。同时,
P. gingivalis还可通过磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphoinositide 3-kinase,PI3K)/Akt信号通路诱导口腔角质细胞失巢凋亡耐药
[79]。此外,还发现
P. gingivalis可以引发小鼠炎症反应且促进肿瘤生长,炎症是肿瘤耐药的促进因素,抗炎治疗不仅可以抑制
P. gingivalis的聚集,还可以增强荷瘤的小鼠对化疗药物的敏感性
[80],提示控制
P. gingivalis及其相关炎症对治疗OSCC耐药具有重要作用。
1.7 P. gingivalis与口腔共生菌间的相互作用
研究发现
Fn与OSCC进展密切相关
[81],将
P. gingivalis和
Fn共培养后,
Fn通过激活烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶1(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX1)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase,NOX2)
[82],增加
P. gingivalis对牙龈上皮的黏附和侵袭能力,促进OSCC进展,但Zhang等
[83]发现,
P. gingivalis-OMVs中的蛋白酶通过降低
Fn表面黏附相关蛋白梭杆菌黏附素A(Fusobacterium adhesin A,FadA)和具核梭杆菌外膜蛋白A(
Fusobacterium nucleatum outer membrane protein A,FomA)的表达,抑制
P. gingivalis侵入口腔上皮细胞,从而可能抑制OSCC进展。此外,Fukuda等
[84]还发现奈瑟球菌属也能通过其与
P. gingivalis之间的相互作用抑制
P. gingivalis侵入上皮而抑制OSCC进展,尤其是黏液奈瑟球菌和延长奈瑟球菌抑制效果最显著,但
P. gingivalis与奈瑟球菌属之间相互作用的机制尚不清楚需要深入研究,以期为治疗OSCC寻找新策略。因此,深入研究细菌间的相互作用对控制OSCC的发生发展具有重要作用,但目前对于
P. gingivalis与口腔其他细菌间的作用研究较少。
2 P. gingivalis在其他癌症发生发展中的作用机制
P. gingivalis除了可参与OSCC进展外,还可通过异位定植影响肺癌、消化道及生殖系统肿瘤的发生发展。根据2022年的国际癌症研究机构报告,肺癌已超过乳腺癌、前列腺癌等成为全球癌症死亡的主要原因
[85]。Liu等
[8]对三种类型肺癌组织和癌旁组织进行免疫组织化学染色,首次在肺癌组织中检测到
P. gingivalis,且
P. gingivalis阳性的肺癌患者5年生存率和中位生存时间显著低于阴性组,提示
P. gingivalis可能与肺癌患者不良预后相关,但是
P. gingivalis具体的致癌机制尚未明确,需要进一步深入研究,从而提高患者的生存率及改善患者的预后。
研究发现
P. gingivalis激活Sonic hedgehog信号通路诱导正常食管上皮恶性转化,表明高丰度的
P. gingivalis可能会增加食管癌发生的风险
[86]。Meng等
[87]通过16S rRNA基因测序和LEfSe分析比较正常人和食管鳞状细胞癌(esophageal squamous cell carcinoma,ESCC)患者唾液细菌,发现
P. gingivalis在ESCC患者中显著富集,表明
P. gingivalis与ESCC之间可能存在关联。另一研究发现唾液中的
P. gingivalis可作为食管癌的特征性标志物
[88],因此,研究
P. gingivalis的致癌机制对于治疗食管癌具有重要作用。研究指出,
P. gingivalis通过抑制程序性细胞死亡因子4(programmed cell death factor 4,PDCD4)的表达,增强ESCC细胞干性和耐药
[89],同时通过FimA、毒力因子LPS激活TLR4/髓样细胞分化因子(Myeloid differentiation factor 88,MyD88)/JNK信号通路
[90]以及上调MicroRNA-194,抑制果蝇头状因子(Grainy head-like 3,GRHL3)/磷酸酯酶与张力蛋白同源物(phosphatase and tensin homolog,PTEN)/Akt信号通路
[91]促进ESCC增殖
[89, 92]。同时,
P. gingivalis定植引起菌群失调诱导食管黏膜慢性炎症
[93],激活NF-κB
[87],促进IL-6分泌
[94],形成慢性炎症微环境促进ESCC进展。此外,
P. gingivalis还通过YTH N6-甲基腺苷RNA结合蛋白2(YTH N6-methyladenosine RNA binding protein 2,YTHDF2)抑制凋亡相关因子Fas的表达,协助ESCC细胞逃避宿主免疫监视,从而促进ESCC的进展
[95](
图2)。食管微生物失衡可作为检测食管疾病的标志物,直接靶向FimA或MicroRNA-194可能是治疗食管癌的新策略。
牙周病主要是由口腔正常菌群生态失调引起,最近研究发现牙周病可增加胰腺癌的发病风险
[96]。一项荟萃分析表明
P. gingivalis与胰腺癌相关
[10]。Tan等
[97]发现
P. gingivalis通过诱导趋化因子募集中性粒细胞,促进中性粒细胞弹性蛋白酶分泌,加速胰腺癌的进展。
P. gingivalis还可激活Toll受体(Toll-like receptor,TLR)信号通路,TLR9诱导胰腺癌细胞纤维化并产生刺激上皮细胞增殖的细胞因子,促进肿瘤纤维化和上皮细胞异常增殖
[98]。虽然
P. gingivalis能促进胰腺癌的发生发展,但目前仍缺乏明确口腔微生物可以作为胰腺癌风险评估的研究。
研究发现
P. gingivalis在结直肠癌(colorectal cancer,CRC)组织中富集
[35, 99],其可通过血行或经肠道途径在肠道定植
[100]。Mu等
[101]通过建立侵袭CRC感染模型,发现
P. gingivalis激活丝裂原活化激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)/细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)信号通路促进CRC细胞增殖,同时上调AP-1的表达调节肿瘤细胞周期。还可通过募集IL-1β、IL-6和干扰素α,激活炎性小体NLRP3形成炎性微环境,促进CRC进展
[11]。此外
P. gingivalis上调几丁质酶3-like-1蛋白(Chitinase 3-like-1 protein,CHI3L1)表达,损害抑制性天然T细胞毒性功能,促进肿瘤免疫逃避
[102](
图3)。因此,开发靶向CHI3L1的治疗策略有望克服CRC免疫逃避。
有研究表明阴道细菌与宫颈癌(cervical cancer,CC)之间存在一定的联系,Wu等
[12]通过分析宫颈黏液微生物,发现
P. gingivalis是CC的生物标志物之一,然而目前对于
P. gingivalis如何定植于阴道的研究有限,其致癌机制尚未明确,需要进一步探索
P. gingivalis在CC发生发展中的作用。
最近一项荟萃分析明确了牙周炎与前列腺癌(prostate cancer,PCa)风险的相关性
[103],
P. gingivalis通过肽聚糖介导PCa细胞中PD-L1的表达,诱发慢性炎症和肿瘤细胞免疫逃避促进PCa的进展
[13]。前列腺与口腔在生理上没有连续性,如果能够明确
P. gingivalis与前列腺癌之间的致癌机制,则可以此为靶点引入新的治疗方法。
3 小 结
本文综述了P. gingivalis与肿瘤发生发展之间的密切关系及其作用机制。该菌不仅可以通过多种机制参与OSCC的发生发展,还可通过异位定植影响肺癌、消化道及生殖系统肿瘤的发生发展。目前对于P. gingivalis在肺癌、宫颈癌和前列腺癌中的致癌机制研究相对较少,需要深入探索具体机制,寻找特异性靶点。在致癌过程中,唾液中细菌群落组成在定性和定量上都会发生变化,收集唾液或牙菌斑简单且无创,分析唾液或牙菌斑中的细菌群落组成,有望成为癌症风险评估的一种有效检验手段。因此,明确P. gingivalis在全身肿瘤中发生发展的生物机制至关重要,为未来治疗癌症提供诊断和治疗的新思路,还有助于通过识别相应部位致病性微生物。