炎症性肠病（IBD）是一组慢性肠道非特异性炎性疾病，主要包括克罗恩病及溃疡性结肠炎。随着疾病的慢性进展，有一定比例IBD患者会发生癌变，癌变主要与基因功能缺失、炎症反应、氧化应激、肠道菌群改变等多个因素相关。在研究IBD癌变的过程中，学者们通过基因工程、化学致癌物质诱发小鼠肠道肿瘤，建立多种动物模型，以便深入探讨相关机制。本文就IBD癌变的机制及相关动物模型现状作一论述。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一组慢性肠道非特异性炎性疾病，主要包括克罗恩病（Crohn′s disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。近年来结直肠恶性肿瘤的发病率居高不下，IBD患者发生结肠炎相关性结直肠癌（colitis-associated colorectal cancer，CAC）的风险更是进一步增加。慢性炎症作为一种重要的驱动因素，可导致多部位肠段出现异型增生等癌前病变，参与肿瘤的发生发展[1]。虽然CAC与散发性结直肠癌（colorectal cancer，CRC）在机制上有一些共通之处，但参与CAC发病及疾病行为改变的一些特征性分子机制仍有待进一步研究和阐明。本文针对可能的机制展开论述。
CAC普遍从平坦的病变演变产生，而CRC主要从息肉进展而来。随着新一代测序技术的推广与应用，越来越多的研究报道CAC与CRC患者存在不同基因组改变。尽管有一些基因突变在两种疾病中均可出现，但它们出现的时间段却并不相同。比如抑癌基因腺瘤样结肠息肉（adenomatous polyposis coli，APC）基因在CRC早期已出现基因突变及功能丧失，但在CAC进展到中晚期才出现基因异常。而另一个重要的抑癌基因p53在CAC中出现功能丧失的时间早于CRC患者。p53基因杂合性丢失与CAC恶性进展密切相关。超过50%未发生恶变的UC患者肠黏膜炎症部位出现p53基因突变，长期炎症可能加速了突变发生。CAC和CRC患者微卫星不稳定性（microsatellite instability，MSI）发生的频率和时间段大致相同，肿瘤中某个微卫星位点由于重复单元的插入或缺失而出现新的微卫星等位基因的现象在二者疾病早期即可见到[2]。另外，鼠类肉瘤病毒癌基因（kirsten rat sarcoma viral oncogene，KRAS）、结直肠癌缺失基因（deleted in colorectal carcinoma，DCC）、糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK3β）、富含亮氨酸重复序列G-蛋白偶联受体5（leucine-rich repeat-containing G protein-coupled receptor 5，Lgr5）以及SMAD家族成员SMAD4基因在CAC均有不同程度突变。
DNA过度甲基化是CAC的一个重要特征。当CAC早期还未出现肉眼可见的病变时，患者肠黏膜炎症部位可检测出多个基因CpG岛的甲基化，这种甲基化可引起抑癌基因沉默，以及某些DNA修复基因启动子异常。46% CAC患者肿瘤部位人类错配修复基因（human mutL homolog1，hMLH1）启动子发生超甲基化，而这种超甲基化与微卫星不稳定密切相关。另外，抑癌基因p16细胞周期蛋白依赖激酶抑制因子4a（inhibitor of cyclin-dependent kinase 4a，INK4a）在IBD患者肠黏膜组织中也经常出现超甲基化，即使这些患者尚未出现癌变[3]。
目前炎症介质介导的免疫应答包括信号转导及转录激活子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）通路、转录因子核因子κB（nuclear factor kappa B，NF-κB）通路、环氧化酶（cyclooxygenase，COX）-2/前列腺素（prostaglandin，PG）E2通路、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α等细胞因子和微核糖核酸（micro-ribonucleic acid，miRNA）等其他方式。
STAT3是肠上皮细胞中主要的致癌性转录因子，其磷酸化后可调控抗凋亡基因（Bcl-2和Bcl-x1）、细胞周期调控子（cyclin D1和c-Myc）、血管生成基因（bFGF和VEGF）及一些特异性因子（Hsp70、Reg3、S100A9）表达，上述基因均与CAC肿瘤侵袭、转移及预后相关。CAC患者中活化的STAT3蛋白表达水平显著升高[4]。在CAC小鼠体内实验中，STAT3可调控白细胞介素（interleukin，IL）-6、IL-11参与肿瘤发生发展，如果抑制肠上皮细胞中STAT3磷酸化水平，可减缓肿瘤形成及生长，这也进一步验证STAT3在CAC中的致病作用。此外，STAT3还可通过与Wnt/β-catenin、NF-κB、PI3K/Akt/mTOR、Notch等其他通路交互作用，在炎症及肿瘤中发挥生物学效应[4]。
NF-κB与食管癌、胃癌、结肠癌、乳腺癌等大多数肿瘤生长密切相关。有研究表明，NF-κB基因缺陷小鼠的肠上皮细胞凋亡增加，抗菌肽生成减少，细菌易位受阻。由此可见，NF-κB主要通过调控上皮细胞完整性及其与肠黏膜中免疫细胞相互作用，从而发挥调控效应[5]。另外，NF-κB可调控大量促炎细胞因子和趋化因子表达，参与结肠炎症，在偶氮甲烷（azoxymethane，AOM）/葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium，DSS）诱导的CAC小鼠模型中，NF-κB对肿瘤的生长发挥重要调控效应[6]。
多项研究认为非甾体抗炎药对CRC具有一定保护作用，长期服用非甾体抗炎药可降低40%~50% CRC发生风险[7]。非甾体抗炎药可抑制COX活性，而COX作为一种活性酶可催化PG合成。COX包含2种亚型，即COX-1和COX-2，其中非甾体抗炎药主要通过抑制COX-2活性发挥抗肿瘤作用，而PGE2是PG家族中主要的一员，在人体内广泛存在，其合成主要依赖于COX-2的作用。在IBD患者炎症部位，COX-2表达显著升高，CAC患者中也同样升高。在ApcMin和AOM/DSS小鼠模型中，敲除COX-2基因或使用选择性COX-2抑制剂可减少结肠肿瘤的数量、缩小肿瘤体积及降低肿瘤多样性[8]。COX-2通过诱导抗凋亡蛋白Bcl-2表达来抑制肿瘤细胞凋亡，过表达COX-2基因还可增加肿瘤细胞的迁移能力[9]。
TNF-α参与细胞增殖、分化及凋亡等多种细胞内调控机制。小鼠急慢性肠炎动物模型中，肠黏膜组织中TNF-α表达显著上调，当使用抗体中和TNF-α后可控制部分肠道炎症发展。TNF-α可通过损伤DNA刺激CAC生成，还可激活NF-κB通路参与CAC发展[10]。IL-1β主要由巨噬细胞及中性粒细胞分泌产生，可诱导IL-6表达，活化STAT3通路参与调控CAC。敲除TIR8基因（IL-1受体负性调控因子），可加快肠道炎症及CAC进程，抑制IL-6信号通路亦可减轻CAC小鼠症状及成瘤情况[11,12]。IL-17家族如IL-17A、IL-17C和IL-17F也参与结肠肿瘤发生。在AOM/DSS诱导的CAC小鼠模型中，IL-17A功能缺陷可减少结肠肿瘤数量，缩小肿瘤体积；上皮细胞分泌的IL-17C可抑制肿瘤细胞凋亡，促进结肠肿瘤发展；而IL-17F则对结肠肿瘤有一定抑制作用[13,14]。另外，IL-23可促进IL-17A表达，参与肠道炎症及CAC[15]。在Rag2-/-感染肝螺杆菌的CAC小鼠模型中，IL-22通过诱导一氧化氮产生从而损伤隐窝上皮细胞DNA，最终导致肿瘤形成。许多研究证实IL-22/STAT3轴参与UC相关肿瘤发生[16,17]。
研究证实miRNAs参与了结肠肿瘤的发生发展，如miR-18a、miR-19a、miR-21、miR-31、miR-155和miR-214在肿瘤组织中表达均升高，而miR-124、miR-193a-3p和miR-139-5p表达均下降[18]。我们课题组发现IBD和CRC患者的肠道组织中miR-301a表达均升高，miR-301a通过靶向作用于B细胞易位基因1（B cell translocation gene 1，BTG1），破坏上皮完整性，促进小鼠结肠炎及肿瘤发生；而下调结肠组织中miR-301a表达，则有望治疗IBD和CAC[19]。另外，不同疾病阶段肿瘤微环境中，细胞自噬也参与肿瘤恶变及进展[20]。
慢性炎症时体内巨噬细胞和中性粒细胞等固有免疫细胞可产生大量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）和活性氮（reactive nitrogen species，RNS），造成氧化应激。氧化应激可损伤肠上皮细胞DNA，导致癌变及肿瘤细胞增殖。活动期UC及CD患者肠黏膜炎症部位ROS及RNS表达升高，ROS进一步与DNA反应可导致染色体断裂，增加染色体不稳定性。在UC癌变患者的病变部位，可明显观察到染色体端粒缩短等异常。在另一项动物研究中发现核因子E2相关因子2（nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2）基因缺陷小鼠的CAC临床症状及成瘤情况均更为严重，该类小鼠抗氧化功能受损。由此可见，炎症驱动的氧化应激可促进CAC发生发展[21]。
肠道菌群在维持肠黏膜稳态中发挥重要作用。正常生理情况下，肠道菌群通过调控宿主细胞功能使机体免受病原体入侵；菌群失调则可能引起肠道炎症及CAC发生。有研究应用SPF级小鼠构建AOM/DSS结肠炎癌模型，发现小鼠肠道内菌群多样性明显下降，而予以抗生素处理则可一定程度上防止结肠炎癌发生。另外，若将APCMin CAC小鼠饲养于无菌环境中，小鼠成瘤率显著下降[22]。还有研究分别提取CAC小鼠及正常小鼠肠道菌群移植到无菌小鼠体内，结果发现，与正常小鼠比较，CAC小鼠的肠道菌群可导致肿瘤发生率及肿瘤负荷显著增加[23]。由此可见，结肠肿瘤尤其是炎症介导结肠肿瘤的发生发展与肠道菌群密切相关[2]。
与健康对照者相比，CAC患者粪便中细菌α多样性显著降低。CAC患者与散发性CRC患者体内菌群组成也不尽相同，CAC患者粪便中肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）含量丰富，而梭菌属（Fusobacterium）及瘤胃球菌属（Ruminococcus）含量明显减少。
目前研究热点大肠杆菌（Escherichia coli）是促进肿瘤生成的菌种之一。携带聚酮合酶（polyketide synthase，pks）基因组岛的大肠杆菌可产生一种名为colibactin的毒素，该毒素可造成肠上皮细胞DNA双螺旋断裂、染色体畸变。在AOM-IL-10-/-和APCMin-IL-10-/- CAC小鼠模型中，敲除大肠杆菌pks基因组岛可显著降低结肠肿瘤的发生率[24]。
脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）是一种机会致病菌，可通过产生肠毒素，诱导清除E-钙黏素，破坏肠道屏障功能。有研究表明在APCMin小鼠CAC模型中，产肠毒素型脆弱拟杆菌（enterotoxigenic Bacteroides fragilis，ETBF）可促进Th17细胞作用，激活肠上皮细胞内NF-κB/STAT3信号通路，参与CAC发生发展；在此基础上，若中和Th17细胞产生的IL-17A或阻断IL-23受体通路，可抑制ETBF诱导的结肠肿瘤。在AOM/DSS CAC小鼠模型中，ETBF还能通过诱导释放大量的炎性因子如γ干扰素、IL-17A、IL-6、TNF-α引起息肉生长[25]。
具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）是导致慢性牙周炎的一种主要病原菌，近期研究表明其在CAC进展过程中亦发挥重要作用。在APCMin小鼠体内定植具核梭杆菌可募集更多的髓系细胞归巢至肠道，促进肿瘤形成[26]。具核梭杆菌还能促进上皮细胞间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）[27]，而EMT在结直肠肿瘤进展、转移和耐药中具有重要作用。
牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）常常与具核梭杆菌共存于牙周病患者口腔内，也有报道可见于CRC患者的粪便和结肠组织样本中。一项队列研究证实，CRC患者结肠肿瘤组织内牙龈卟啉单胞菌的丰度与不良预后呈正相关。在另一项APCMin小鼠模型研究中，牙龈卟啉单胞菌可通过活化NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3，NLRP3）促进IL-1β的产生，从而参与CAC形成[28]。
螺杆菌属与IBD及CAC发生发展也有一定关联。IL-10-/-小鼠感染鼠螺杆菌后可引起CAC，若给予抗菌治疗则可起到一定防治作用[29]。而Rag2-/-小鼠感染肝螺杆菌后TNF-α和IL-6的分泌增加，小鼠亦会发生CAC。另有研究报道，Rag2-/-小鼠感染肝螺杆菌后可导致一氧化氮蓄积，引起结肠肿瘤，该现象可被TNF-α中和抗体抑制[30]。但在AOM/DSS CAC小鼠模型中，感染幽门螺杆菌的小鼠CAC肿瘤形成减少，肿瘤相关性巨噬细胞局部浸润减少[31]。
嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，AKK）是一种黏蛋白分解细菌，在调节肠黏膜稳态方面发挥重要作用[32]。AKK与炎症状态成负相关，但其在CAC中的作用仍存在争议。有研究证实在IBD患者及AOM/DSS小鼠体内AKK丰度降低，但研究者将AKK移植到小鼠体内后，发现肠道内巨噬细胞浸润减少，CAC发生率降低。在IL-33基因缺陷的AOM/DSS CAC小鼠中，AKK丰度显著增加。仍需要更多的动物研究及临床研究进一步阐明AKK在CAC形成中的作用。
双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）是一种受到广泛认可的益生菌，可通过改变肠道菌群及代谢产物组成来减少肠道肿瘤[33]。在AOM/DSS小鼠中，定植双歧杆菌可增加瘤胃球菌科及毛螺菌科丰度，这两种细胞均具有一定的抗炎作用。另外，对上述小鼠的代谢产物进行分析发现，短链脂肪酸也发生变化。
除了双歧杆菌以外，乳酸杆菌也是一种重要的益生菌[34]。在AOM/DSS小鼠中，保加利亚乳杆菌（Lactobacillus bulgaricus）可通过减少促炎因子，减轻肠道炎症，抑制炎症相关性肿瘤发展。罗伊氏乳杆菌可将组氨酸转变成组胺，而缺乏组氨酸脱羧酶的小鼠组胺生成受损，该小鼠体内有大量CD11b+Gr-1+髓系细胞积聚，进一步促进CAC发展，由此可见乳杆菌具有一定的抗肿瘤作用。在AOM/DSS诱导CAC小鼠中，给予罗伊氏乳杆菌可减少小鼠成瘤数量，缩小肿瘤体积[35]。
除了肠道微生物本身，肠道微生物代谢产物在CAC的发生发展中也发挥了重要作用。如短链脂肪酸乙酸、丙酸、丁酸可减少IL-6、IL-17A和TNF-α的产生，减轻肠道炎症和结肠肿瘤。
固有免疫在对抗微生物入侵时发挥了重要的作用，其中最关键的因素是模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR），尤其是toll样受体（toll-like receptor，TLR）[36]。TLR2-/- AOM/DSS CAC小鼠的IL-6、IL-17A水平升高，STAT3通路被激活，肿瘤进展迅速，由此可见TLR2在此模型中发挥一定的抗肿瘤效应。而CAC患者肿瘤组织中肠上皮细胞TLR4表达水平上调。敲除AOM/DSS CAC小鼠TLR4基因，肠道炎症及肿瘤形成均得以缓解；若给予小鼠TLR4阻断抗体也可降低CAC发生率。上述研究结果表明PRR在CAC中的作用，但更多的机制及治疗方案仍需进一步开发及挖掘。
目前为止，IBD癌变的动物模型基本以小鼠模型为主[37]，主要通过基因工程、化学物质或致癌物质诱发小鼠肠道肿瘤发生。IL-10基因敲除小鼠可出现T细胞介导的自发性结肠炎，并且在随后的6个月中，约有60%的小鼠可发展为结肠腺癌。另外，可使用一些具有肠道肿瘤易感性的小鼠（如Apc突变、p53或Msh2缺失小鼠），在小鼠饮用水中加入DSS，使肠道出现损伤，或将上述转基因小鼠感染特定细菌如肝螺杆菌等可诱发结肠肿瘤。但受限于肿瘤发生率、饲养环境及小鼠品系等客观因素，上述模型在实际动物研究中使用有限，常规应用较广的仍是AOM结合DSS的诱导方式。首先给C57BL/6小鼠腹腔内注射AOM（剂量12.5 mg/kg）诱导DNA突变作为始发因素，随后继续使用2.0%~2.5% DSS饮用水饮用1周，之后更换为正常饮用水2周，此为1个循环，连续3个循环后结束，DSS可触发促炎因子释放及氧化应激反应强化肿瘤形成。该方法可精确控制诱导突变及慢性炎症，提供更为灵活有效的动物模型，目前广泛应用于研究疾病相关的发病机制及潜在治疗方法的有效性。
综上所述，尽管目前越来越多的研究着眼于IBD及其癌变的发病机制，但仍有许多未知的问题和方法有待继续探索，如更深入的分子机制、特定菌种的治疗、基因工程的应用等。另外，IBD动物模型也需进一步优化，使模型更易于操作及推广，且更贴近于人体的发病过程。
所有作者均声明不存在利益冲突
