《Frontiers in Microbiology》：From dysbiosis to tumorigenesis: microbiome-derived metabolites as emerging cancer biomarkers
肠道微生物组是一个复杂且具有高度代谢活性的生态系统，通过产生多种小分子代谢物对宿主生理产生深远影响。越来越多的证据表明，微生物组来源代谢物是连接微生物失调与肿瘤起始、进展、免疫调节及治疗反应的关键桥梁。微生物代谢输出的改变，包括短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、次级胆汁酸（secondary bile acids）、多胺（polyamines）、吲哚衍生物及其他生物活性化合物，可影响肿瘤微环境内的上皮屏障完整性、炎症信号、表观遗传调控及基因组稳定性。这些代谢物作为宿主-微生物通讯的功能中介，可能促进系统性代谢与免疫改变，进而支持多种恶性肿瘤的肿瘤发生。值得注意的是，许多微生物相关代谢物可在粪便、血液、尿液等易获取的生物基质中检测到，凸显了其作为癌症风险筛查、诊断及预后的微创生物标志物的潜在价值。高通量测序、代谢组学及多组学整合的最新进展，使得与癌症发生相关的微生物代谢网络得以全面表征。本综述综合了当前关于微生物组来源代谢物的功能多样性及其在肿瘤生物学中机制作用的见解，进一步探讨了用于代谢物谱分析的分析平台，并讨论了针对微生物组的治疗调节的新兴策略。最后，概述了将微生物组-代谢物相互作用转化为临床可操作框架以实现精准肿瘤学所需的当前方法学挑战与研究重点。
1 引言
人类胃肠道寄居着复杂且代谢活跃的微生物生态系统，在维持宿主稳态中发挥关键作用。微生物组来源代谢物，包括短链脂肪酸、次级胆汁酸和吲哚衍生物等，是宿主-微生物通讯的关键介质。微生物失调及相关代谢改变与恶性肿瘤的起始和进展联系日益紧密。失调源于饮食、抗生素及慢性炎症等因素，其本质不仅是微生物组成的改变，更是微生物代谢活动的功能性破坏。失调并非仅反映微生物丰富度降低，还涉及关键代谢通路的改变、有益功能输出的丧失，以及促进疾病进展的代谢物谱的出现，这些变化共同促成包括癌症在内的疾病状态。
在结直肠癌（colorectal cancer, CRC）中，失调表现为促炎及基因毒性微生物的富集，如具核梭杆菌（Fusobacterium nucleatum）、产肠毒素脆弱拟杆菌（enterotoxigenic Bacteroides fragilis）及携带pks岛的大肠杆菌（Escherichia coli，pks+），同时伴随产短链脂肪酸类群的耗竭，如普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）及双歧杆菌属（Bifidobacterium）。这些转变伴随代谢物失衡，包括丁酸盐减少及次级胆汁酸、多胺和活性物质的增加，与DNA损伤、Wnt/β-连环蛋白（Wnt/β-catenin）信号激活、慢性炎症及免疫逃逸相关。除结直肠癌外，乳腺癌中胆汁酸和短链脂肪酸代谢的改变会影响免疫调节和雌激素信号；肝细胞癌中脂多糖（lipopolysaccharides, LPS）、脱氧胆酸（deoxycholic acid, DCA）、氨和胆汁酸的增加会促进肝脏炎症、脂肪变性和肿瘤进展；胰腺癌研究中也观察到涉及色氨酸、多胺和胆汁酸通路的特征性粪便及血浆代谢物特征。
机制研究表明，微生物代谢物通过多种通路影响肿瘤发生。抑瘤性短链脂肪酸丁酸盐通过抑制组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase inhibition, HDACs）促进上皮分化和凋亡，吲哚衍生物则调节芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor, AhR）信号和免疫反应。相反，DCA、多胺及微生物基因毒素（如colibactin）可诱导氧化应激、DNA损伤、促炎核因子-κB（nuclear factor-kappa B, NF-κB）信号激活，并促进细胞增殖、转移、DNA加合物形成及染色体不稳定性，从而驱动肿瘤起始。代谢组学与多组学技术的进步实现了对多种生物基质中微生物来源代谢物的高分辨率谱分析，这些代谢物正被越来越多地认为是可在粪便、血液和尿液中检测到的非侵入性生物标志物，在癌症检测和分层中具有潜在应用价值。
尽管取得了上述进展，将微生物组-代谢物研究转化为临床应用仍面临重大挑战。现有证据多为横断面研究和关联性研究，限制了因果推断；人群间微生物组成、饮食和分析方法的差异也增加了生物标志物标准化的难度。建立因果关系需要严格设计的纵向研究、机制验证及体外（in vitro）和体内（in vivo）系统的受控实验。此外，微生物代谢物驱动的肿瘤发生不仅由微生物活动决定，还受到宿主因素（包括免疫反应、遗传背景和全身代谢状态）的关键塑造，这些因素调节微生物代谢物对肿瘤起始和进展的影响。不同于现有主要总结单个微生物组-癌症关联的综述，本综述提供了连接微生物组来源代谢物类别与核心致癌信号通路的整合性综合，强调了不同癌症类型中的环境依赖性效应，并结合宿主-微生物组相互作用与多组学整合，以系统水平理解代谢物驱动的肿瘤发生。
2 癌症中的微生物组失调
健康个体与癌症患者的微生物组组成和功能输出存在显著差异，这些改变不仅限于胃肠道恶性肿瘤，也见于肠外癌症，凸显了肠道微生物及其代谢物对宿主生理的系统影响。癌症相关失调通常涉及有益共生生物的耗竭、本土或致病性类群的增加，以及微生物代谢稳态的破坏，进而影响炎症、上皮屏障功能、免疫调节和微生物代谢物产生等多个方面，共同促进局部和全身肿瘤微环境的重塑。
2.1 癌症中的肠道微生物失调：模式与生物学意义
癌症相关失调以微生物群落的一致重构为特征，包括多样性降低、微生物丰度改变和功能稳定性受损。微生物丰富度和均匀度的下降频繁出现，反映了生态系统不稳定和保护性微生物网络的崩溃，这种多样性的减少通过削弱对致病和促炎物种的定植抗性，损害免疫稳态和代谢平衡。失调在不同癌症类型中并非均质，而是表现出共享和疾病特异性特征。由于肿瘤组织与肠道细菌的直接相互作用，结直肠癌和胃癌等肠道恶性肿瘤常表现出微生物组的局部变化；而乳腺癌、前列腺癌和胰腺癌等全身性恶性肿瘤的失调模式则更多受免疫、内分泌和全身代谢紊乱的影响，而非微生物对肿瘤部位的直接定植。尽管如此，各癌症类型的共同特征是出现支持肿瘤生长、促进免疫逃逸和宿主代谢重编程的促炎微生物生态系统。
2.2 微生物群落的定性和定量转变
癌症相关失调由微生物种群的定性和定量改变共同定义，破坏了肠道微生物组的生态平衡，并在多个生物学层面影响宿主-微生物相互作用。定性改变包括主要有益微生物的丧失和罕见或低丰度微生物种类的出现，可能导致维持宿主稳态所必需的保护性代谢机制的丧失，或引入具有致病潜力的新微生物功能。定量改变指特定微生物类群相对丰度的变化，导致潜在有害类群过度生长或有益群落耗竭，显著影响微生物代谢物合成、免疫激活模式和上皮信号通路。这些定性和定量修饰共同支持促肿瘤生长的微生物环境，从而影响癌症进展和治疗反应。
2.2.1 癌症中促肿瘤发生微生物的选择性富集
多种微生物类群在癌症个体中持续富集，并日益被认为是癌症发展中的潜在促肿瘤发生角色。这些微生物通过慢性炎症、基因毒性化合物产生、免疫反应调节和宿主代谢通路破坏等多种机制促进致癌作用。在胃肠道癌症中，梭杆菌属（Fusobacterium）、拟杆菌属（Bacteroides）、大肠杆菌属（Escherichia）和肠球菌属（Enterococcus）物种的丰度增加已被频繁观察到，这些生物与上清细胞相互作用，激活促炎信号级联，促进DNA损伤和免疫逃逸，某些菌株还会产生毒素、脂多糖及基因毒性或促炎代谢物，直接或间接促进肿瘤生长和进展。在胰腺癌、肝癌和乳腺癌等肠外癌症中，失调通常以革兰氏阴性菌和产内毒素细菌的转变为主，这些微生物变化导致全身性低度炎症、肠道通透性增加和免疫信号改变，通过循环微生物代谢物和炎症介质影响远处器官微环境，凸显了肠道微生物失衡如何在局部肠道环境之外发挥促肿瘤作用。
2.2.2 具有抑瘤潜力的共生类群的耗竭
与有害微生物增殖并行的是，癌症相关失调以具有保护作用的有益共生细菌的耗竭为特征。这些共生菌在维持稳态中发挥核心作用，包括保护上皮屏障完整性、调节免疫反应和产生抗肿瘤代谢物（尤其是短链脂肪酸）。各癌症类型中的一个一致观察结果是产短链脂肪酸细菌的减少，这些生物的丧失会损害黏膜防御、削弱免疫监视，并减少通常支持凋亡和抑制异常细胞增殖的代谢物的可用性，导致促炎和抗炎信号之间的失衡，形成利于肿瘤发展的环境。除产短链脂肪酸菌外，其他调节免疫系统和支持上皮修复的共生微生物在癌症进展过程中也常被耗竭，进一步破坏微生物网络并降低微生物恢复力，增加肠道对本土和促肿瘤发生定植的易感性。总体而言，致病类群的同时富集和保护性共生菌的耗竭是癌症相关失调的核心特征，支持了利于肿瘤起始、进展和免疫逃逸的微生物环境。
3 微生物代谢物类别
肠道微生物组的一个关键功能方面是微生物代谢，它作为连接人类生理和微生物群落的生化桥梁。肠道微生物将饮食成分、宿主来源分子和外源性物质代谢为多种生物活性化合物，影响细胞信号、免疫反应和组织稳态。在癌症背景下，这些代谢物作为连接微生物失调与肿瘤起始、进展或在某些情况下抑制的关键介质。根据其化学性质、浓度和局部组织环境，微生物来源代谢物可增强促肿瘤通路或支持抑瘤机制。理解肠道微生物组在癌症生物学中的作用需要了解其功能类别、机制作用及产生它们的特定微生物。重要的是，失调应被解释为微生物代谢活动的功能性失衡，而不仅仅是微生物多样性的减少，强调通路水平的破坏和代谢物输出的改变。
短链脂肪酸是研究最多的微生物代谢物之一，主要由共生菌通过发酵膳食纤维产生。在结直肠癌病例中，产短链脂肪酸的类群（如肠道罗斯拜氏菌Roseburia intestinalis和普拉梭菌）常被耗竭，伴随丁酸盐水平降低，这会对上皮屏障完整性、抗炎信号传导和肿瘤细胞凋亡产生不利影响。丁酸盐被广泛认为通过抑制组蛋白去乙酰化酶来维持上皮稳态和调节肿瘤细胞行为。值得注意的是，短链脂肪酸（尤其是丁酸盐）的作用具有高度环境依赖性：生理浓度促进上皮稳态和抗炎反应，而在肿瘤细胞中浓度升高或代谢状态改变则会对细胞增殖、分化和凋亡产生不同影响，这一现象常被称为“丁酸盐悖论”。因此，这些产短链脂肪酸细菌的丧失有助于从保护性代谢生态系统向促肿瘤代谢生态系统的转变。
相反，次级胆汁酸是一类常与促肿瘤特性相关的代谢物。梭状芽胞杆菌属物种（如Clostridium scindens和Bilophila wadsworthia）参与将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸（包括脱氧胆酸）。这些代谢物可诱导氧化应激、DNA损伤和慢性炎症，尤其在结直肠癌和肝癌中。在失调状态下，这些胆汁酸修饰类群的增加会改变胆汁酸池，促进利于肿瘤发展的肝脏和肠道微环境。次级胆汁酸的生物学效应同样具有环境依赖性，受浓度、暴露时间和组织特异性微环境影响：慢性暴露于高水平会促进炎症和DNA损伤，而生理水平可能参与正常代谢信号通路。
多胺是与微生物活动相关并被证实参与肿瘤生物学的一类关键代谢物。多胺水平升高与促肿瘤类群（如具核梭杆菌亚种Fusobacterium nucleatum subsp. nucleatum、厌氧消化链球菌Peptostreptococcus anaerobius和牛链球菌Streptococcus gallolyticus）的富集相关。这些多胺促进快速细胞增殖、血管生成和免疫抑制，从而促进肿瘤生长和进展。在结直肠癌背景下，这些类群的富集与多胺产生增加相关，并与更具侵袭性和炎症性的肿瘤微环境相关。
色氨酸生成的代谢物（如吲哚及其衍生物）是肠道-宿主通讯中的重要信号中心。罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）等物种可产生吲哚-3-醛和其他吲哚基分子，帮助调节上皮稳态和免疫平衡。这些代谢物通常发挥抑瘤和屏障保护作用，而结直肠癌和乳腺癌中乳杆菌属物种的减少与这些癌症中这种调节功能的丧失一致。相反，在某些微生物环境中，色氨酸代谢失调与长期炎症和免疫耐受相关，间接促进肿瘤进展。
除上述经典代谢物类别外，某些微生物还会产生内毒素、基因毒素和其他致癌化合物。例如，携带pks+岛的大肠杆菌NC101菌株合成基因毒素colibactin，诱导结肠上皮细胞DNA双链断裂和特征性突变特征；产肠毒素脆弱拟杆菌产生BFT毒素和胆汁酸代谢物，激活炎症和Wnt/β-连环蛋白信号，促进肿瘤起始；脱硫弧菌属（如Desulfovibrio piger）等硫酸盐还原菌产生硫化氢（hydrogen sulfide, H2S），这是一种损伤上皮DNA并破坏黏膜完整性的基因毒性代谢物。
相反，几种共生类群显示出抑制肿瘤生长的代谢作用。长双歧杆菌长亚种（Bifidobacterium longum subsp. longum）产生的乙酸盐和叶酸衍生物可改善屏障功能并刺激抗肿瘤免疫反应；嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）通过产生乙酸盐、丙酸盐和黏蛋白衍生代谢物，与肺癌中更好的免疫治疗反应相关；罗伊氏乳杆菌和其他乳酸菌则产生抗炎代谢物并增强上皮防御。具核梭杆菌、沃氏嗜胆菌、产黑色素普雷沃菌和痤疮皮肤杆菌等微生物明确具有促肿瘤发生作用，而普拉梭菌、肠道罗斯拜氏菌、长双歧杆菌和嗜黏蛋白阿克曼氏菌等微生物则明显具有抑瘤作用。这种有害类群与保护性类群的平衡及其代谢物谱是癌症相关失调的定义特征。这些代谢物类别通过一组共享的信号通路（包括炎症级联、表观遗传调控和免疫调节）发挥其生物学效应，理解这些代谢物如何汇聚于共同的致癌机制对于将微生物来源的代谢活动整合到统一的肿瘤进展模型中至关重要。微生物代谢物的功能效应并非严格线性，而是受浓度梯度、局部组织微环境、宿主代谢状态和疾病阶段等多因素影响，这一复杂性强调了在癌症中对代谢物活性进行环境特异性解释的必要性。
4 肿瘤发生的机制通路
微生物组来源代谢物并非独立发挥作用，而是汇聚于有限的一组核心致癌信号通路。主要的代谢物类别（包括短链脂肪酸、次级胆汁酸、多胺和吲哚衍生物）共同影响关键调节轴，如NF-κB介导的炎症、Wnt/β-连环蛋白信号、通过组蛋白去乙酰化酶抑制实现的表观遗传调控，以及免疫检查点调节。这一框架超越了单个代谢物的描述，将不同的代谢物类别整合到肿瘤发生信号的统一模型中，为连接微生物代谢活动与不同癌症类型的肿瘤起始、进展和免疫逃逸提供了机制基础。
在结直肠癌中，具核梭杆菌亚种Fusobacterium nucleatum subsp. nucleatum和厌氧消化链球菌Peptostreptococcus anaerobius显著增加，与多胺和促炎代谢物的产生升高相关。这些微生物类群通过粘附于上皮细胞、激活炎症通路和Toll样受体信号、促进免疫逃逸来促进肿瘤进展。此外，携带pks+岛的大肠杆菌NC101菌株通过产生colibactin导致基因毒性应激，直接诱导DNA损伤；硫酸盐还原菌（如Desulfovibrio piger）产生硫化氢，加剧基因毒性和黏膜损伤；胆汁酸修饰微生物（如Clostridium scindens和Bilophila wadsworthia）则将胆汁酸池改变为促进肿瘤发展的谱型。
在乳腺癌中，具核梭杆菌亚种Fusobacterium nucleatum subsp. Polymorphum在肿瘤组织中的丰度高于邻近正常组织，其代谢副产物和促炎潜力被认为有助于肿瘤微环境中的局部免疫抑制和肿瘤进展。相比之下，罗伊氏乳杆菌可能通过产生短链脂肪酸和吲哚来减轻这些影响，尽管其在恶性条件下的丰度常降低，提示保护性代谢活动的缺失。
牙龈卟啉单胞菌（Porphyromonas gingivalis）在胰腺癌和口腔癌中均为重要类群，产生半胱氨酸蛋白酶（gingipains）、短链脂肪酸和其他促炎代谢物，与组织损伤、免疫逃逸和慢性炎症相关，其在口腔中的存在及与全身性癌症的关联凸显了肠外微生物库在影响癌症风险中的关键作用。
痤疮皮肤杆菌（Cutibacterium acnes，原名Propionibacterium acnes）在前列腺癌背景下与氧化应激和局部炎症相关，通过产生卟啉和短链脂肪酸，促进肿瘤微环境中利于肿瘤的状态。
然而，当有益微生物功能受损时，抑瘤类群（如普拉梭菌、长双歧杆菌和肠道罗斯拜氏菌）在恶性肿瘤中常减少，这种耗竭会降低丁酸盐、乙酸盐和抗炎肽的水平，进而削弱上皮屏障功能、减少肿瘤细胞的凋亡和抗增殖信号，并降低对恶性细胞的免疫耐受。嗜黏蛋白阿克曼氏菌是一种代谢有益物种，其在某些临床环境中的富集与增强的免疫治疗反应相关，尤其是在肺癌和肾癌中。
这些微生物类群通过共同的机制通路发挥其促肿瘤或抑瘤效应，包括NF-κB介导的炎症、Wnt/β-连环蛋白信号、表观遗传调控和免疫调节，凸显了不同的微生物组来源代谢物如何汇聚于驱动肿瘤发生的共享分子过程。
5 肿瘤发生中的宿主-微生物组串扰
肠道微生物组并非独立的生物单元，而是通过代谢、免疫和细胞信号通路与宿主组织定期通讯。这种双向相互作用受到宿主决定因素的强烈影响，包括免疫反应、遗传背景和代谢状态，这些因素共同塑造了微生物组来源代谢物的功能结果。这种动态相互作用被称为宿主-微生物组串扰，在维持生理稳态中发挥关键作用，并在癌症发展过程中显著失调。
微生物代谢物是这种相互作用的重要调节因子，影响全身免疫反应、基因组稳定性和肿瘤微环境动力学。通过这些机制，肠道微生物群落可以影响局部和远处的肿瘤行为。理解这种串扰对于将微生物改变与癌症的功能和生物学结果联系起来至关重要。
5.1 肿瘤微环境中的微生物代谢物信号
肿瘤微环境是一个动态的复杂生态系统，包含基质细胞、免疫浸润、血管网络、细胞外基质成分和恶性细胞。微生物代谢物显著影响这一环境，改变炎症信号、代谢条件、免疫细胞募集和细胞通讯。微生物代谢物直接与上皮和免疫细胞受体相互作用，启动下游信号通路，改变细胞因子分泌谱、免疫监视和血管生成反应。某些代谢物通过促进细胞毒性免疫细胞的募集和功能来增强抗肿瘤免疫活性，而其他代谢物则促进免疫抑制细胞群体的生长，便于免疫逃逸并增加肿瘤存活。除免疫信号作用外，微生物代谢物还显著影响肿瘤微环境的代谢框架，通过改变营养可用性、氧气消耗和能量代谢，实现代谢重编程——这是癌症的基本特征，使肿瘤细胞能够在缺氧、氧化应激和营养稀缺条件下适应和持续。
5.2 微生物代谢物的循环动力学及其器官水平影响
源自肠道的微生物代谢物并不局限于肠道。大量此类分子穿过肠道上皮屏障进入循环系统，促进其分布到远端器官。吸收后，这些代谢物首先进入循环系统，直接影响肝脏，然后释放到体循环中，到达肺、胰腺、乳腺、前列腺和肾脏等器官。在肝癌中，直接连接体循环的肝细胞更容易受到内毒素和微生物代谢物的暴露，引发局部炎症、纤维化、免疫失调，最终导致恶性转化。而在乳腺癌和前列腺癌等肠外恶性肿瘤中，循环微生物代谢物可能影响激素代谢、免疫反应和肿瘤相关代谢通路。这些系统性效应解释了肠道微生物活动如何支持广泛的代谢和免疫网络，在胃肠道外影响远处解剖部位的肿瘤行为。
5.3 代谢物诱导的基因组稳定性和细胞稳态改变
宿主-微生物组相互作用的一个重要后果是其影响宿主基因组稳定性和细胞命运的能力。某些微生物代谢物表现出基因毒性或诱导持续氧化应激，导致DNA损伤、突变、染色体不稳定性及致癌改变的逐步积累。微生物代谢物还影响调节增殖、凋亡和DNA修复的基本细胞通路。某些代谢物通过激活生长和存活通路或损害检查点机制促进不受控制的细胞生长，而其他代谢物则通过参与促凋亡信号级联促进程序性细胞死亡和生长停滞。值得注意的是，这些代谢物的影响不仅限于肿瘤细胞，还通过改变DNA修复机制、应激反应通路和组织稳态影响邻近的非恶性细胞。这种广泛的影响在建立要么支持要么限制肿瘤生长的微环境中起关键作用，具体取决于主要的代谢物谱。
6 多组学分析方法
理解癌症中微生物组与其代谢输出之间的复杂关系需要复杂的分析框架，以捕获微生物组成和功能活动。测序技术和代谢组学的进步显著增强了我们以更高深度、分辨率和精度分析这些相互作用的能力。每种分析方法提供独特的生物学信息层，其整合对于生成关于癌症相关微生物组改变和代谢物动态的全面见解至关重要。
6.1 多层微生物谱分析
微生物群落谱分析主要通过16S rRNA基因测序进行，该方法阐明细菌种群的分类组成，有助于识别群落多样性、类群相对丰度和与癌症相关的微生物特征。尽管应用广泛且成本合理，16S测序仅提供有限的功能见解，因其分辨率较低，通常仅限于属或种水平。鸟枪法宏基因组测序解决了这些限制，促进菌株水平的鉴定，并能够直接分析微生物群落固有的遗传潜力，使研究人员能够识别与代谢物产生、毒素合成和宿主相互作用机制相关的功能基因，因此在将特定微生物物种与致癌相关的功能通路联系起来方面发挥了关键作用。然而，将16S rRNA测序和鸟枪法宏基因组学与代谢组数据集整合仍然是一项重大的计算挑战。不同平台的测序深度、分类分辨率、数据标准化和特征注释的差异引入了 substantial 变异性，限制了跨研究的可比性和生物学解释。当前多组学研究的一个主要限制是缺乏用于高分辨率整合宏基因组和代谢组数据的标准化计算流程。预处理工作流程、生物信息学工具和统计框架的差异常导致不一致的输出，从而影响可重复性和推断出的生物学关系的稳健性。宏转录组学通过捕获活跃表达的微生物基因来增强这种分析，提供实时功能活动而非仅仅是基因组潜力的见解。此外，将这些整合数据集转化为机制见解仍然具有挑战性，因为将微生物类群与特定代谢物功能和宿主反应联系起来需要先进的计算建模和实验验证。除了高通量测序方法外，几种靶向和基于显微镜的技术也被广泛用于验证微生物发现和分析癌症相关微生物组内的空间分布。定量PCR常用于测量与代谢物相关的特定细菌类群或功能基因，提供高灵敏度和对测序结果的快速验证；荧光原位杂交（Fluorescence In Situ Hybridization, FISH）可以直接可视化组织切片和生物膜中的微生物，提供测序技术无法提供的空间背景；培养组学（Culturomics）是一种基于培养的方法，通过能够从临床样本中分离和生理表征活微生物来补充测序，特别有利于在受控实验室条件下研究功能性代谢物产生和宿主-微生物相互作用。
6.2 微生物代谢组谱分析的高级分析平台
代谢组学包括液相色谱-质谱（liquid chromatography-mass spectrometry, LC-MS）、气相色谱-质谱（gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS）和核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）波谱，被广泛用于直接分析微生物代谢物产生。这些方法有助于检测和量化生物样本（如粪便、血浆、尿液和组织标本）中的小分子。LC-MS特别适用于以高灵敏度分析多种极性和非极性代谢物；GC-MS常用于分析挥发性化合物和短链脂肪酸，因其具有高分辨率和可重复性；NMR波谱虽然灵敏度低于质谱，但提供高度可重复和非破坏性的分析，样品制备最少且定量可靠性强。当这些分析平台整合时，它们能够全面表征恶性和非癌症条件下的代谢物谱。然而，微生物组来源代谢物作为临床生物标志物的应用受到显著的个体间变异性的挑战，这种变异性由饮食、微生物组组成、宿主遗传和环境暴露的差异驱动。此外，许多代谢物表现出昼夜和时间波动，显著影响可重复性并使跨研究的标准化复杂化。因此，建立标准化的采样方案、时间控制的研究设计和稳健的归一化策略对于提高微生物组来源代谢物生物标志物的临床适用性至关重要。除了传统的LC-MS和GC-MS平台外，基质辅助激光解吸电离质谱成像（Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass Spectrometry Imaging, MALDI-MSI）等先进的质谱技术已成为检查组织中代谢物空间分布的有力方法，能够直接在肿瘤和邻近组织中可视化代谢物定位，提供对肿瘤代谢和微环境异质性的见解。此外，靶向代谢组学平台正越来越多地用于绝对量化预定义的微生物代谢物，包括胆汁酸、短链脂肪酸、多胺和色氨酸衍生物，这些平台在临床转化阶段验证候选生物标志物方面发挥着重要作用，但其成功实施需要仔细考虑生物变异性、时间动态和标准化限制。
6.3 多组学数据的计算整合
虽然单个组学方法产生有价值的数据，但癌症相关微生物组的研究越来越依赖于整合多个数据输出结果。多组学整合将微生物组测序数据与代谢组学、转录组学、蛋白质组学和临床数据集结合起来，以提供肿瘤-微生物组相互作用的系统水平理解。先进的计算工具和机器学习技术被用于分析这些复杂的数据集，识别模式，构建预测模型，并发现与疾病状态相关的代谢物特征。这些技术便于区分相关性和因果关系，根据代谢和微生物特征对患者进行分组，并找到可能的治疗靶点。尽管潜力巨大，多组学整合受到若干挑战的限制，包括跨平台的数据异质性、批次效应、分析流程标准化的局限性以及整合多层次数据集的困难。此外，复杂多组学输出的解释仍然具有挑战性，常常限制生物学推断和临床转化。这些限制凸显了对稳健的计算框架、标准化工作流程和改进跨平台数据整合方法的需求，以增强癌症研究中多组学分析的可靠性和可解释性。解决这些问题对于提高基于微生物组的癌症研究的可重复性和转化相关性至关重要。
7 癌症特异性代谢物特征
尽管在各恶性肿瘤中观察到共同的机制主题，但微生物组来源代谢物的效应具有高度的组织特异性，并受局部代谢、免疫微环境和器官特异性生理差异的影响。这些差异导致不同癌症类型中不同的代谢物驱动通路。虽然各癌症类型显示出共同的机制主题，但每种肿瘤类型都表现出独特的微生物失调和代谢物改变模式。理解这些癌症特异性特征对于识别靶向潜在生物标志物和了解相同类别的代谢物如何在不同组织环境中产生不同效应至关重要。
7.1 肺癌
肺癌是全球癌症相关死亡的主要原因，2022年报告约250万新发病例和180万死亡病例。传统上与烟草暴露和环境污染物相关，现在日益被认为是一种受全身炎症和免疫失调影响的疾病。最近的研究确定了功能性的肠-肺轴，其中肠道微生物组来源的代谢物调节肺部免疫状态和炎症反应。色氨酸微生物代谢的改变尤为显著，在肺癌中观察到循环吲哚及其衍生物水平降低，表明色氨酸代谢受损。这些代谢物是通过芳香烃受体信号调节黏膜免疫和上皮完整性的关键调节因子，其耗竭可能损害免疫监视并替代利于肿瘤起始和进展的促炎环境。此外，失调相关的短链脂肪酸减少，以及促炎和基因毒性微生物代谢物暴露增加，可能进一步损害全身免疫功能障碍、T细胞失衡和呼吸道上皮反应。这些发现共同强调了循环微生物代谢物特征作为肺癌风险评估和早期疾病检测的辅助工具的潜在效用。
7.2 乳腺癌
乳腺癌是全球诊断最频繁的恶性肿瘤，2022年估计有230万新发病例和67万死亡病例。乳腺癌的发病机制显著受激素调节、代谢状态和全身炎症的影响。肠道微生物组通过estrobolome（一组能够代谢雌激素和雌激素结合物的细菌）参与乳腺癌生物学。与胃肠道癌症不同，乳腺癌中的代谢物效应主要通过体循环和内分泌相互作用介导，反映了组织特异性代谢和免疫信号环境的差异。如表3所示，循环中雌激素样微生物代谢物水平升高可增加活性雌激素的生物利用度，从而促进激素依赖性肿瘤的生长和增殖。除激素效应外，乳腺癌患者还观察到微生物短链脂肪酸和吲哚衍生物的失调，这些代谢物影响全身炎症、脂肪组织免疫信号和氧化应激，均促进肿瘤进展。因此，来自血清和尿液的微生物代谢物谱已被提议成为乳腺癌亚型分类、风险识别和疗法反应跟踪的有前景的补充潜在生物标志物。
7.3 结直肠癌
2022年，结直肠癌在全球造成约193万病例和93万死亡。结直肠癌是微生物组-代谢物研究中最常研究的癌症模型，因其与肠道微生物组的物理接近性。结直肠癌的一个独特代谢组学特征是丁酸盐（一种抑瘤性短链脂肪酸）水平降低，以及次级胆汁酸（如脱氧胆酸）水平升高。产丁酸盐细菌（如普拉梭菌和罗斯拜氏菌属）的减少会损害上皮屏障功能、减少抗炎信号传导，并降低结肠细胞的凋亡诱导。这些效应在结直肠癌中尤为明显，因为肿瘤细胞与肠道微生物组直接相邻，导致微生物代谢物的局部浓度更高，并形成独特的肿瘤微环境。相反，初级胆汁酸向次级胆汁酸的微生物转化增加会促进DNA损伤、氧化应激，并激活促肿瘤通路（如EGFR信号、Wnt/β-连环蛋白和NF-κB）。这些代谢物驱动的变化创造了可在粪便和血清中检测到的结直肠癌特异性分子指纹，凸显了其在早期检测和监测疾病进展中的潜在临床效用。
7.4 前列腺癌
2022年，前列腺癌在全球造成约147万新发病例和39.7万死亡病例。前列腺癌的一个显著代谢特征是多胺代谢改变。如表3所示，精脒和精胺水平升高已被一致观察到，这些代谢物促进快速细胞增殖、染色质稳定和肿瘤进展。肠道微生物失调可能导致全身性多胺失调，间接影响前列腺肿瘤生物学。微生物组来源代谢物（包括多胺）可通过肠道吸收进入体循环并到达前列腺等远端器官，通过受体介导机制和代谢信号通路影响细胞增殖、免疫反应和肿瘤进展。此外，肠道微生物组调节雄激素代谢和全身炎症，这两者都是前列腺癌发病机制的核心。尿液多胺及相关微生物代谢物谱分析为前列腺癌的诊断和监测提供了一种有前景的非侵入性方法。然而，尽管已有系统性关联报道，前列腺癌中涉及的精确分子机制和器官特异性靶点仍未完全阐明，需要进一步研究。
7.5 肝癌
2022年，原发性肝癌（主要为肝细胞癌）在全球造成约91万新发病例和83万死亡病例。肠-肝轴是肝细胞癌发生的核心，肠道微生物失调诱导的次级胆汁酸过量产生会导致肝细胞DNA损伤、氧化应激和慢性炎症信号通路。这些效应因微生物内毒素（如脂多糖）通过门静脉循环易位增加而被加剧。胆汁酸代谢的改变，以及微生物脂质和氨基酸代谢的破坏，会改变肝脏肿瘤微环境，促进纤维化重塑和恶性转化。这些发现表明胆汁酸衍生物既是机制介质，也被提议作为肝癌进展的潜在循环生物标志物。
7.6 膀胱癌
2022年，膀胱癌在全球造成约61.4万新发病例和22万死亡病例。源自肠道微生物组并通过肾脏系统排泄的代谢物在尿液代谢组中发挥重要作用。如表3所示，芳香族氨基酸衍生物水平升高与膀胱癌相关，这些代谢物可能引发慢性尿路上皮炎症和氧化DNA损伤，从而促进肿瘤起始。尿液代谢组学提供了一种高度可及且非侵入性的方法来识别癌症相关代谢物特征，使肠道来源代谢物成为膀胱癌诊断和复发监测的有前景的候选者。
7.7 卵巢癌
2022年，卵巢癌在全球造成约31.4万病例和20.7万死亡病例，因晚期诊断而具有高死亡率与发病率之比。如表3所示，色氨酸代谢物（如犬尿氨酸）水平升高与卵巢癌相关。犬尿氨酸通路的激活通过抑制细胞毒性T细胞反应和促进调节性免疫表型来导致免疫抑制。这些代谢变化可能促进肿瘤免疫逃逸和疾病进展。新兴的血清代谢组学研究表明，微生物色氨酸代谢物可能作为卵巢癌早期检测和治疗监测的有前景的生物标志物。
7.8 胰腺癌
2022年，胰腺癌在全球造成约51.1万新发病例和46.7万死亡病例，凸显其预后极差和侵袭性。胰腺癌的一个显著代谢特征是支链氨基酸代谢物水平升高。这些代谢物与代谢重编程、胰岛素抵抗和全身炎症相关，均促进胰腺肿瘤发生。肠道微生物组影响全身性支链氨基酸水平和代谢稳态，将失调与胰腺癌风险联系起来。微生物组来源代谢物可通过肠道吸收和门脉运输进入体循环，使其能够分布到胰腺等远端器官。在分子水平上，这些代谢物通过受体（包括G蛋白偶联受体GPR41和GPR43、芳香烃受体）和其他代谢信号通路发挥作用，从而调节炎症、免疫反应和肿瘤相关代谢过程。此外，肿瘤内微生物组还与调节化疗耐药性和免疫逃逸有关，凸显了微生物组-代谢物相互作用在胰腺癌进展中的关键作用。然而，尽管这些系统性相互作用日益得到认可，精确的器官特异性转运机制和分子靶点仍有待充分阐明。
7.9 肾癌
2022年，肾癌在全球造成约40万新发病例和17.5万死亡病例。最近的证据强调了肠-肾轴在肾细胞癌中的重要性。如表3所示，吲哚硫酸盐（一种通过微生物色氨酸代谢产生的肠道来源尿毒症毒素）水平升高与肾肿瘤微环境的重塑日益相关。机制上，吲哚硫酸盐通过有机阴离子转运蛋白OAT1（SLC22A6）和OAT3（SLC22A8）从循环转运至肾近端小管细胞内，促进其在肾微环境中的细胞内积累。一旦内化，它会激活芳香烃受体信号并促进氧化应激介导的通路，导致促炎基因表达、内皮功能障碍和代谢重编程，共同促成利于肿瘤的微环境。然而，尽管这些机制得到了实验和疾病相关研究的支持，它们对肾肿瘤发生的直接贡献仍有待在癌症特异性模型中充分验证。此外，微生物代谢物影响对免疫检查点抑制剂的反应，有益类群（如嗜黏蛋白阿克曼氏菌）与肾细胞癌免疫治疗结果的改善相关。这些观察结果表明，虽然微生物组来源代谢物具有共同的功能作用，但由于组织特异性代谢通路、免疫景观和暴露动态的差异，其生物学影响在不同癌症类型中差异显著。
8 微生物代谢物作为癌症诊断中的新兴生物标志物
微生物组来源代谢物代表宿主-微生物相互作用的功能读数，因此为癌症生物标志物开发提供了有前景的候选者。与主要反映分类组成的微生物DNA谱分析不同，代谢物分析捕获了微生物组的功能输出及其与饮食、免疫和宿主代谢过程的相互作用。许多这些代谢物可在粪便、血液和尿液等易获取的生物标本中定量，通过已建立的分析平台，为无创癌症检测和风险评估提供了机会，尽管还需要进一步验证。本节强调了微生物代谢物在肿瘤学中的预测意义、其向无创生物标志物平台的演变，以及与其临床应用相关的关键方法学挑战。
8.1 微生物代谢物作为早期肿瘤学筛查的预测指标
尽管早期癌症检测可显著改善患者预后，但当前的筛查策略仍受限于侵入性、成本和人口适用性。在此背景下，微生物代谢物已被研究作为潜在的预测生物标志物，因为其浓度改变常在早期或癌前阶段观察到，并可能早于临床或放射学诊断。在结直肠癌中，粪便和血清代谢物的转变（包括短链脂肪酸减少、次级胆汁酸升高和多胺增加）已在腺瘤和早期病变中报道。在乳腺癌、肝癌和胰腺癌中也描述了类似的代谢组学改变。这些发现表明，微生物代谢物谱可能反映多种恶性肿瘤的早期肿瘤相关代谢重编程。鉴于其对炎症、免疫活动和代谢应激的动态反应性，微生物代谢物可能提供对过渡性疾病状态的见解。当与人工智能和多组学方法结合时，代谢物组合已被探索用于人群水平的风险分层；然而，在临床应用之前，仍需稳健的纵向验证。
8.2 基于代谢物的无创生物标志物平台
微生物代谢物生物标志物的主要临床益处之一是能够在无创或微创生物样本中检测到。各种生物流体提供不同但互补的代谢数据，促进对癌症相关微生物代谢的多维评估。
8.2.1 用于无创癌症检测的粪便代谢物谱
粪便样本可直接洞察肠道微生物活动，是检查微生物组来源代谢物的主要基质，尤其是在胃肠道癌症背景下。粪便代谢组学组合已报道可通过分析短链脂肪酸、次级胆汁酸、多胺和色氨酸衍生物等代谢物，区分结直肠癌患者与晚期腺瘤患者和健康对照。粪便代谢组学的主要优势是无创性、适合重复采样以及对腔内微生物功能的强代表性。然而，方法学挑战仍然存在，包括饮食、样本处理、储存条件和微生物组多样性个体差异引起的变异性。解决这些因素对于实现临床标准化至关重要。
8.2.2 肿瘤学中的循环微生物代谢物
血清和血浆中的循环代谢物反映了肠道来源产物对远端器官的系统影响。这些代谢物包括胆汁酸、吲哚衍生物、多胺、脂
