张 筱，袁 正，林光武
1.复旦大学附属华东医院医学影像科，上海 200040；
2.上海交通大学医学院附属第九人民医院放射科，上海 200011
［关键字］ 结直肠癌；
脂肪酸；
肿瘤微环境
结直肠癌（colorectal cancer，CRC）为消化系统常见的恶性肿瘤，全球结直肠癌发病率呈逐年升高的趋势［1］。在中国，结直肠癌的发病率仅次于肺癌，居第二位［2］，年死亡率12/10万左右，发病人群也趋于年轻化。
CRC的发生是多因素长期共同作用的结果。在此过程中，由肿瘤细胞、免疫细胞、间质细胞和周围其他非细胞成分共同构成了CRC肿瘤微环境［3］。肿瘤微环境是肿瘤演化的关键因素，其中肿瘤相关的炎症微环境［4］、低氧环境［5］和肠道菌群［6］都是CRC肿瘤微环境的重要组成部分。
人体内的脂肪酸不仅是能源物质，还参与细胞信号转导，调控免疫反应，维持内环境稳态。脂肪酸根据其双键数，分为无双键的饱和脂肪酸（saturated fatty acid，SFA）、含有1个双键的单不饱和脂肪酸（monounsaturated fatty acid，MUFA）和含有至少2个双键的多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）。这些脂肪酸与CRC肿瘤微环境中细胞生长、增殖、分化和凋亡等活动密切相关。因此，了解肿瘤微环境中脂肪酸成分的变化对于认识和理解结直肠肿瘤的发生机制至关重要。本文将重点综述脂肪酸代谢在CRC肿瘤微环境中的研究进展和脂肪酸代谢成像的研究情况。
1.1 SFA与炎症微环境
来自于饮食中的SFA经人体代谢吸收后会储存于脂肪细胞内，当脂肪细胞内储存了过量的SFA时，游离脂肪酸会通过Toll样受体（toll-like receptor，TLR）2或4诱导激活脂肪细胞和免疫细胞内的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和c-Jun氨基末端转移酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）以及丝裂原活化蛋白激酶的磷酸化［7］，诱导炎症反应的发生。NF-κB是炎症反应的核心调节因子，炎症微环境中NF-κB的激活会增加CRC发生的风险［8］。Hu等［9］学者在体外试验中使用棕榈酸（C16:0）处理CRC细胞后发现，SFA不仅增加了TLR4的mRNA表达，同时也增加了TLR4启动子中转录因子PU.1的mRNA表达。证明SFA通过以TLR4依赖性方式促进CRC细胞增殖。SFA对TLR的激活还可以通过诱导环氧合酶-2（cyclo-oxygenase 2，COX-2）表达，增加促炎因子前列腺素（prostaglandin，PG）E2的产生。Sidahmed等［10］学者在一项临床饮食干预试验中发现，SFA的摄入量与结肠组织内PGE2浓度呈正相关。这也反映出SFA可以通过多种途径参与到肿瘤相关的炎症微环境中，促进CRC的发生及发展。
1.2 SFA与缺氧微环境
在肿瘤缺氧微环境中，脂肪酸的代谢方式会发生改变，这可能是由于介导脂肪酸内源合成的硬脂酰辅酶A去饱和酶1（stearyl CoA desaturase 1，SCD-1）被缺氧环境抑制，导致脂肪酸从头合成减少。此时需要通过饮食摄入来满足肿瘤细胞对脂肪酸的需求。Bensaad等［11］通过气相色谱评估了暴露于缺氧环境中细胞内的脂肪酸组成。发现缺氧时棕榈酸、硬脂酸（C18:0）含量显著增加。这反映出缺氧微环境的诱导下肿瘤组织对外源性SFA摄取和储存的增加。Peciuliene等［12］在体外研究中发现，缺氧会增强脂肪酸合酶（fatty acid synthase，FASN）pre-mRNA的可变剪接并降低总FASN mRNA和蛋白质水平。这会进一步减少脂肪酸的从头合成。在CRC肿瘤微环境中，SFA摄取和转运的激活是肿瘤组织对缺氧环境的适应，这会促进肿瘤的进一步发展。
1.3 SFA的摄入与肠道菌群
虽然SFA在肿瘤微环境中起促炎作用，但欧洲癌症和营养前瞻性调查（European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition，EPIC）［13］发现，膳食中 SFA 摄入量与CRC风险呈负相关。这一结果体现在单个偶数链的SFA中，如肉豆蔻酸（C14:0）和棕榈酸。但长期摄入SFA并不会对肠道菌群产生有益影响，反而会减少肠道拟杆菌门菌群，增加厚壁菌门及变形菌门的菌群，导致菌群失调，增加CRC发生的风险。Ye等［14］学者在动物实验中发现，饮食摄入的SFA与厚壁菌门/拟杆菌门的比例、乳杆菌科、瘤胃球菌科和消化链球菌科的丰度呈正相关。SFA还会提高胆汁酸代谢相关的菌群水平［15］，这些胆汁酸会进一步激活氧化损伤、NF-κB的过度表达和炎症来促进CRC的发展［16］。
2.1 MUFA的代谢与肿瘤微环境
内源性MUFA主要是由SCD-1催化，以SFA为底物转化所得的。此前研究［17］认为，SCD-1介导的MUFA合成与CRC肿瘤微环境关系密切。Mason等［18］学者发现，通过抑制SCD-1活性可以降低MUFA的合成，这有助于抑制肿瘤的发展并阻碍肿瘤细胞的扩增。而SCD-1在肿瘤组织中的高表达，会增加CRC的复发风险，并提示预后不良。Ran等［19］发现，使用不同浓度的MUFA油酸（C18:1）处理CRC细胞后发现，当MUFA浓度与SCD-1过表达一致时，会加速CRC细胞的迁移和侵袭。
2.2 MUFA摄入与炎症微环境
饮食摄取的外源性MUFA与内源性MUFA在肿瘤微环境中的作用正相反。研究［20］表明，饮食中摄入MUFA（如油酸）与降低CRC风险有关。这表明外源性MUFA的摄入可以减少肠道炎症和肿瘤发生。多项动物实验［21-22］也发现，增加饮食中油酸的摄入，会减少肠道内肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）和白细胞介素-17（interleukin-17，IL-17）等促炎细胞因子。这些发现提示外源性和内源性MUFA在调节肠道炎症和CRC发生、发展中起着不同的作用。
2.3 MUFA与肠道菌群
富含MUFA的地中海饮食方式有助于恢复肠道微生物群的有益菌群。Haro等［23］在饮食研究中发现，长期采用地中海饮食可以部分恢复患有代谢综合征的患者的异拟杆菌、普氏粪杆菌、青春双歧杆菌和长双歧杆菌的菌群数量。这类具有抗炎特性的肠道细菌，对肠道健康会产生积极影响。
3.1 ω-6 PUFA与炎症微环境
ω-6 PUFA衍生物花生四烯酸（20:4,n-6）会经COX-2代谢生成PG，其中PGE2具有强大的促炎作用［24］，能够上调微环境内的炎症因子和生长因子水平，进而促进肿瘤的发生和发展。因此ω-6 PUFA也被认为在结肠直肠癌发生的早期阶段起促癌作用。Ayiomamitis等［25］对CRC患者的肿瘤组织进行活检发现，COX-2主要在肿瘤细胞内和邻近组织中的基质表达，介导血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）参与新生血管生成，在CRC发生的初始阶段起主要作用。Schumacher等学者［26］还发现，PGE2通过结合受体EP1和EP2促进环磷腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）反应元件结合蛋白调控的转录共激活因子1去磷酸化，增强转录活性，进一步导致结肠炎相关的结肠癌发生。除了PG外，花生四烯酸代谢物还包括血栓素A2（thromboxane A2，TXA2）、白三烯B4（leukotriene B4，LTB4）和脂氧素（lipoxin，LX）。其中脂氧素可以通过限制白细胞浸润来减少炎症过程。张程程［27］在体外试验中发现，花生四烯酸会上调COX-2表达，促进抗炎分子LXA4分泌，抑制CRC细胞生长。这进一步表明ω-6 PUFA及其衍生物既有促进炎症反应的作用，又有消除炎症的功能。
3.2 ω-6 PUFA的摄入与肿瘤微环境
但是关于ω-6 PUFA是否具有抗结肠癌作用存在争议。此前的一篇meta分析［28］表明，ω-6 PUFA摄入量与癌症风险之间没有关联，但血液中高水平的ω-6 PUFA与较低的癌症风险相关。目前有越来越多的研究［29］表明，ω-6 PUFA可能参与抑制肿瘤细胞的发展和转移过程。细胞外基质环境及缺氧微环境可诱导肿瘤休眠，针对这一机制，Ogata等［30］研究发现，亚油酸（18:2,n-6）诱导的细胞内能量代谢改变，导致糖酵解的基因MycC和氧化磷酸化的基因过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，Pgc1α）的表达减少，促使肿瘤细胞内能量产生减少，从而抑制结肠癌细胞的增殖和生长，减少肿瘤转移的可能性。
3.3 ω-6 PUFA与缺氧微环境
处于缺氧微环境中的肿瘤细胞内经COX-2合成的PGE2增多会起到增加细胞内cAMP的量和活性的作用［31］，进而对T细胞的增殖和淋巴因子激活的杀伤（lymphokine-activated killer，LAK）细胞的功能产生抑制［4］；
此外，花生四烯酸还在缺氧诱导因子-1α（hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α）诱导下参与缺氧微环境内巨噬细胞TNF-a的表达［32］，进一步增强肿瘤微环境内的炎症反应。
4.1 ω-3 PUFA与炎症微环境
与ω-6 PUFA的促炎作用相反，二十碳五烯酸（eicosapentaenoic acid，EPA）和二十二碳六烯酸（docosahexaenoic acid，DHA）等ω-3 PUFA有着明显抗炎作用。EPA可以代替花生四烯酸作为COX-2的底物，减少促炎因子PGE2的生成［33-34］，转而增加能抑制CRC细胞、诱导其凋亡的PG3系的合成。DHA会抑制NF-κB的活性，减少促炎细胞因子生成，如IL-1、IL-6和TNF-α［35］。DHA还能够抑制TLR参与的促炎信号通路。Oh等［36］的研究表明，DHA可以通过G蛋白偶联受体磷酸化后β-arrestin 2结合位点与TLR介导的信号通路中的下游信号分子转化生长因子β活化激酶1结合蛋白1（TAK1-binding protein 1，TAB1）的相互作用来抑制JNK和NF-κB通路，从而抑制炎症反应。此外有研究［37］表明，DHA和EPA能够抑制COX阴性的CRC细胞的增殖并诱导其凋亡，说明ω-3 PUFA还可以在不依赖COX-2的情况下，抑制CRC细胞生长。
EPA和DHA衍生的脂质介质如脂氧素、消退素（resolvins）、保护素（protectins）等，又被称为专一性促消退介质（specialized pro-resolving mediator，SPM）。这些脂质介质也参与了炎症微环境的构成，它们不会直接抑制炎症反应，而是通过抑制趋化因子和炎性细胞因子产生，从而促使炎症反应进入消退阶段［38］。这也表明ω-3 PUFA可以通过不同的途径抑制肿瘤相关的炎症微环境。
4.2 ω-3 PUFA与缺氧微环境
肿瘤缺氧环境相关的HIF-1通过PGE2诱导的HIF-1α蛋白来介导VEGF在CRC细胞中的表达，促进新生血管的形成。EPA和DHA则可以通过以剂量依赖性的方式抑制HIF-1α的表达，从而减少缺氧微环境下肿瘤血管的生成。而且EPA在此方面的作用比DHA更加有效。此外，亚油酸还可以通过抑制脂肪酸合酶和甾醇调节元件结合蛋白来改变线粒体应激，激活下游胆碱能抗炎标志物，并调节缺氧微环境，抑制肿瘤细胞进一步发展［39］。
4.3 ω-3 PUFA的摄入与肠道菌群
Aglago等［40］发现，通过增加富含ω-3 PUFA的海洋鱼类或鱼油的摄入量，会使普通人群的CRC发病风险降低。并且有研究［41］发现，ω-3 PUFA补剂可能对CRC患者预后生存有保护作用。这背后的机制不仅包括ω-3 PUFA的抗炎作用，还可能与ω-3 PUFA对肠道菌群的调节有关。在饮食上通过提高ω-3 PUFA的比例和摄入量，会有助于提高大肠肠道内的有益菌群多样性，这其中包括双歧杆菌、乳酸杆菌及罗斯氏菌［42］。ω-3 PUFA的增加不仅通过提高跨上皮抵抗力和降低IL-4介导的通透性来有效维持肠道屏障的完整性，还与乳酸杆菌增强肠道屏障的功能有关。Zhang等［43］在动物实验中发现，ω-3 PUFA摄入增加会促进乳酸双歧杆菌抑制NF-κB信号通路相关的基因表达水平，减少结肠炎症的发生。
4.4 ω-6/ω-3 PUFA 的比例
除了对PUFA代谢产物的研究，ω-6/ω-3 PUFA的比例关系在肿瘤微环境中的作用也不容忽视。在旧石器时代原始人的食物中海产品含量高，种子和植物油含量低，饮食中ω-6/ω-3 PUFA比例约为1∶1，而伴随着现代工业和农业的发展，西化的饮食方式中ω-6与ω-3 PUFA的比例达到了10∶1到20～25∶1，其中缺少了对ω-3 PUFA的摄入。较高比例的ω-6/ω-3 PUFA还会增加肠道炎症和相关综合征发生的可能性，而降低ω-6/ω-3 PUFA比例可以减少这类炎症反应［44］。Zhang等［45］的研究还发现了CRC肿瘤组织中的ω-6/ω-3 PUFA比例显著高于相邻正常组织。高ω-6/ω-3 PUFA比例的饮食还会导致肠道菌群失调。有研究［46］发现，产生短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）的菌群的相对丰度在高ω-6/ω-3 PUFA比例组中降低，但在低ω-6/ω-3 PUFA比例组中增加。ω-3和ω-6 PUFA之间的相互作用十分复杂，想要进一步了解ω-6/ω-3 PUFA的比例在CRC发生、发展中的作用，还需要开展进一步的研究。
在脂质代谢的研究中，通常运用于脂肪酸的分析和量化的技术包括液相色谱（liquid chromatography，LC）与质谱（mass spectrometry，MS）、气相色谱/质谱（gas chromatography，GC/MS）和磁共振波谱成像（magnetic resonance spectroscopy，MRS）［47］。其中，质谱法和色谱法的技术能够检测单一脂肪酸的成分含量，但缺点是需要使用侵入性的检测方法获取标本，不便于临床研究。而MRS能够简化检测过程，用非侵入性方法来研究疾病相关生物标志物的分布和动态变化。虽然MRS不能测量单个脂肪酸的相对丰度，但可以评估各种饱和度脂肪酸的定量分数，并且与实验室测量方法有良好的一致性［48］。
5.1 肿瘤中的脂肪酸代谢变化
在脂滴中的甘油三酯构成了MRS上脂质信号的主要来源。MRS中的共振频率反映了甘油三酯分子中质子的不同位置。因此，根据每个脂肪峰的相对幅度，可以得到甘油三酯分子具体的化学成分信息。最终量化为脂肪分数或脂肪酸分数。体内MRS研究最初使用单体素定位方法（例如STEAM和PRESS），而目前包括化学位移成像在内的多体素光谱方法越来越多地应用于肿瘤微环境的研究之中，以此来评估肿瘤中的脂质。
丝氨酸蛋白酶抑制剂Kazal 1型（serine protease inhibitor kazal-type 1，SPINK1）在包括CRC在内的多种癌症中均呈高表达。Nigam等［49］通过1H-MRS观察沉默SPINK1的CRC细胞中脂滴积累情况，分析显示在这些肿瘤细胞中，MUFA和磷脂酰胆碱的含量增加，而PUFA的水平保持不变。考虑到MUFA在抗炎反应中的作用，这种变化提示CRC肿瘤组织中SPINK1的抑制会导致抗炎信号环境的激活，并且会体现在MUFA的改变上。
醋酸盐是一种由人体肠道丙酸杆菌分泌的短链脂肪酸。目前有研究［50］认为这类外源性醋酸盐是癌细胞的重要替代能源，并且醋酸盐还能够以乙酰辅酶A合成酶2（acetyl-CoA synthase 2，ASCC2）和HIF-2依赖性方式刺激肿瘤生长和转移［51］。Zhang等［52］使用1H-MRS对淋巴结转移的CRC患者组织样本进行代谢分析，发现与正常对照组和非转移性组相比，在转移患者的肿瘤组织标本中醋酸盐含量显著增加，提示醋酸盐在CRC发展和转移中发挥关键作用。
5.2 肿瘤周围脂肪组织的脂肪酸代谢变化
在肿瘤微环境中，由于癌细胞对周围结构的侵犯，肿瘤周围的脂质成分也可能发生改变。Mosconi等［53］使用1H-MRS，在CRC术后标本上对病灶周围的脂肪组织进行了检测，结果发现，靠近和远离肿瘤的脂肪组织在成分上没有显著差异。但在TNM分期较高的患者中，靠近病灶的脂肪组织MUFA显著增加，而远离病灶的MUFA则没有出现这一改变。可能是由于SCD-1表达的改变，导致脂肪组织中储存高水平的MUFA。
5.3 粪便内的脂肪酸代谢变化
肠道微生物群代谢会产生多种化合物，包括支链脂肪酸、维生素K等，其中部分产物会参与肿瘤微环境，并通过免疫和代谢途径导致CRC的发生。由于粪便在解剖学上附着于结肠直肠上皮并携带大量肠道微生物的代谢衍生物。因此，Lin等［54］使用1H-MRS对肠道微生物与CRC相关的代谢改变进行研究。通过分析CRC患者和健康人的粪便代谢物，发现Ⅰ/Ⅱ期CRC患者粪便中短链脂肪酸（乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）的含量降低，这表明短链脂肪酸提供了与CRC分期相关的分子信息。短链脂肪酸通过抗炎作用和其引发的癌细胞凋亡，以此预防结肠直肠癌的发生。而粪便中短链脂肪酸的消耗可能表明肠道菌群失衡与结直肠肿瘤的发生有关。
5.4 其他脂肪酸成像技术
脂肪酸定量的成像技术，除了MRS以外，还包括基于Dixon技术的化学位移编码磁共振成像（chemical-shift-encoded magnetic resonance imaging，CSE-MRI）［55］。其原理也是根据化学位移现象，通过测量甘油三酯分子中的双键数等化学信息，结合相应的甘油三酯模型，也可以得到不同饱和度脂肪酸的分数。
Chan等［56］使用该技术研究乳腺癌肿瘤周围脂质成分对肿瘤细胞增殖和分化的影响，结果发现，肿瘤周围MUFA的空间分布与Ki-67增殖指数密切相关，这也证明脂质的分布与肿瘤细胞的分化和增殖存在关联。此外该技术也可应用于脂肪组织的脂肪组成分析，尤其是在皮下和内脏脂肪组织之中。Nemeth等［57］结合临床营养学实验，研究正常人脂肪组织脂质的异常累积情况。CSEMRI所得到的研究结果与气相色谱法的结果之间一致性良好。考虑到肥胖人群的肿瘤易感性，未来也可将其应用于对CRC患者肿瘤微环境的分析研究之中。
综上，在研究脂肪酸成分时不仅要考虑膳食摄入，还要考虑皮下及体内的脂肪组织。因此，脂肪酸成分检测的非侵入性方案，如MRI等［58］影像学手段将简化和提高未来临床研究的可行性。未来还需要更多使用影像学技术的临床研究来充分探索其潜力。
CRC肿瘤微环境内的炎症、组织缺氧和肠道菌群与脂肪酸之间有密切的关系，部分特定脂肪酸可作为CRC的生物标志物或作为生存的预测因素。我们希望通过对脂肪酸成分进一步研究，了解肿瘤微环境与脂肪酸成分两者之间的关系，并为之后CRC的预防和治疗提出新的方法。
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