幽门螺杆菌及其血清学分型在胃癌中的意义

Significance of Helicobacter pylori and Its Serological Typing in Gastric Cancer

摘要: 胃癌是世界上最常见的恶性肿瘤之一。胃癌是由于多种因素的共同作用而导致，幽门螺杆菌与胃癌的发生发展密切相关，幽门螺杆菌是WHO认定的胃癌首要致癌因子，对胃癌患者的预后有着极大影响。幽门螺杆菌拥有多种毒力因子，包括细胞毒素相关蛋白(CagA)、空泡毒素相关蛋白(VacA)以及尿素酶等，基于这些毒力因子的幽门螺杆菌的血清学分型与其致病力密切相关。因此，继续研究幽门螺杆菌及其血清分型对胃癌的发生发展以及预后是相当重要的。

Abstract: Gastric cancer is one of the most common malignant tumors in the world. Gastric cancer is caused by a variety of factors. Helicobacter pylori is closely related to the occurrence and development of gastric cancer. Helicobacter pylori is the primary carcinogen of gastric cancer recognized by WHO, which has a great impact on the prognosis of patients with gastric cancer. Helicobacter pylori has a variety of virulence factors, including cytotoxin associated gene A (CagA), vacuolating cytotoxin A (VacA) and urease. The serotyping of Helicobacter pylori based on these virulence factors is closely related to its pathogenicity. Therefore, it is very important to continue to study Helicobacter pylori and its serotyping for the occurrence, development and prognosis of gastric cancer.

1. 引言

胃癌(gastric cancer)是全球常见的恶性肿瘤之一，起源于胃黏膜上皮细胞。尽管胃癌发病率总体上呈现下降趋势，但它仍然是全球癌症负担的一部分，2020年全球癌症统计显示，2020年新增病例超过100万，估计有769,000人死亡，胃癌的发病率在全球排名第五位，死亡率排名第四位，男性的发病率要比女性高2倍 [1]。胃癌的发病率具有地域差异大的特点，在东亚、东欧、和南美一些国家发病率比较高 [2]。根据胃内起源的解剖部位不同，可以将胃癌分为贲门癌和非贲门癌，在东亚人群中非贲门型胃癌更常见，而贲门型胃癌在西方人群中更多见。这两种亚型的胃癌不仅有共同的危险因素，还有各自特有的危险因素 [2] [3]。

幽门螺杆菌(Helicobacter pylori, H. pylori)的感染与慢性胃炎、消化性溃疡、胃黏膜相关性淋巴瘤(mucosa-associated lymphoid tissue, MALT)和胃癌等消化系统疾病的发生、发展均密切相关，尤其是胃癌的重要危险因素 [4]。H. pylori定植在胃粘膜，可引发一系列胃组织病理学变化(即：正常黏膜–H. pylori感染胃炎–萎缩性胃炎–肠上皮化生–异型增生–胃癌) [3] [5]。H. pylori感染及其普遍，全世界将近有50%的人感染H. pylori。世界卫生组织(WHO)已经把H. pylori列为I类致癌物质 [6]。慢性H. pylori感染是非贲门型胃癌的主要原因，几乎所有病例都由H. pylori感染，除此之外，已经确定的非贲门型胃癌的其他危险因素还包括吸烟、饮酒以及腌制食物等。贲门型胃癌通常与H. pylori感染无关，甚至在某些人群中可能呈现负相关。新的证据表明贲门型胃癌有双重病因，一些与H. pylori感染有关，另一些与肥胖和胃食管反流有关(类似于食管腺癌的特征) [1]。

H. pylori是一种革兰氏染色阴性、微需氧、带有鞭毛的、螺旋状的细菌，人类的胃是H. pylori唯一的天然宿主，Hp除了产生一种能中和胃酸的尿素酶，还能产生其他多种毒力因子，是少数能够抵御胃部恶劣酸性环境的微生物，鞭毛是H. pylori在胃内移动所必需的，可以使H. pylori到达胃黏膜表面的黏液–碳酸氢盐层 [7] [8] [9] [10]。H. pylori能产生多种毒力因子，如：细胞毒素相关蛋白(CagA)、空泡毒素相关蛋白(VacA)、血型抗原结合黏附因子(BabA)、上皮细胞接触诱导因子(IceA)、十二指肠溃疡诱导因子A (DupA)和前炎症外膜蛋白A (OipA)，其他还包括尿素酶、脂多糖、磷脂酶A等。这些毒力因子有助于H. pylori在宿主胃上皮的移位、黏附、炎症以及感染性。其中毒力因子CagA和VacA是H. pylori致病的决定性的重要因素，可以诱导胃上皮细胞损伤和慢性炎症，最终可能导致胃癌 [11]。通过检测血清中H. pylori毒力因子的表达，可以确定H. pylori感染的类型。H. pylori感染的血清学分型可以分为以下三型：I型、II型和H. pylori感染阴性 [4] [9] [11]。

2. 幽门螺杆菌毒力因子的介绍

(一) 细胞毒素相关蛋白CagA

CagA蛋白是由细胞毒素相关基因毒力岛(CagPAI)所编码的，是H. pylori最重要的毒力因子。CagPAI是一个40 kb的染色体DNA区域，除了编码CagA蛋白，还能够编码IV分泌系统(type IV secretion system, T4SS)。CagA蛋白的转位及转运过程都需要T4SS，T4SS是一种注射器状结构，能够将CagA运送到胃上皮细胞的细胞质中 [4] [12] [13] [14] [15]。CagPAI的完整性对于编码完整的T4SS以及H. pylori和宿主细胞之间相互作用至关重要，但并非所有H. pylori菌株都含有CagPAI，在某些菌株中，它是不完整的，与不含CagPAI的菌株相比，感染含有CagPAI菌株的H. pylori，患胃癌的风险增加。慢性胃炎、消化性溃疡以及胃癌等严重的胃部疾病的发生发展，均与感染表达完整CagPAI的H. pylori菌株有关 [9] [16]。CagA蛋白为CagPAI末端的CagA基因编码的，分子量在125~145 kDa的效应蛋白，能够表达CagA蛋白的H. pylori菌株被认为是高毒力菌株，而不表达CagA蛋白的H. pylori菌株则被认为是低毒力菌株 [16]。在CagA蛋白中，其C端有EPIYA序列(由五个重复氨基酸组成，即谷氨酸–脯氨酸–异亮氨酸–酪氨酸–丙氨酸)，根据EPIYA基因序列的差异，可将CagA分为四型，即EPIYA-A、EPIYA-B、EPIYA-C、EPIYA-D四型 [17]。EPIYA序列有一定地域差异，在西方国家发现的CagA蛋白的EPIYA序列为：EPIYA-A、EPIYA-B和EPIYA-C，而在东亚国家，则为：EPIYA-A、EPIYA-B和EPIYA-D [15]。有研究证实，携带CagPAI基因的东亚型的H. pylori菌株比携带CagPAI基因的西方型的H. pylori菌株拥有更强的毒力 [18]。

CagA蛋白进入宿主细胞后，其EPIYA基序被酪氨酸蛋白激酶Src (c-Src)和酪氨酸蛋白激酶abl (ABL1)所磷酸化 [9]。CagA在宿主细胞中表达，通过感染、转基因或者转导，会导致一种特殊的细胞形态变化，导致细胞形状细长，使细胞运动性和分散性增加，被称为“蜂鸟表型”，蜂鸟表型的形成需要宿主细胞激酶对CagA的酪氨酸磷酸化 [19]。磷酸化的CagA导致宿主细胞与Src同源结构域2-蛋白酪氨酸磷酸酶2 (SHP-2)相互作用，导致多种信号转导通路激活，最终导致胃癌 [9]。CagA-SHP2复合体会导致持续的细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)激活，从而诱导出蜂鸟表型，促进细胞有丝分裂。粘着斑激酶(focal adhesion kinase, FAK)胞质蛋白酪氨酸激酶，通过多种信号转导通路在细胞周期调控、粘附、侵袭、生成等多方面发挥着重要的作用，在多种晚期癌中过度表达和激活 [20]。CagA-SHP2复合体被CagA激活时，会使得FAK去磷酸化并失活，而FAK去磷酸化是诱导蜂鸟表型所必需的 [21]。PAR1/MARK激酶，在建立和维持上皮细胞极性中起着重要作用，CagA与PAR1的相互作用，能够抑制PAR1激酶的活性，导致胃上皮细胞之间的紧密连接和极性被破坏，最终可能引起胃癌 [9] [22]。P53是体内抑癌基因，CagA可以通过多种途径抑制P53的表达，从而可以抑制由P53所介导的细胞凋亡反应，使肿瘤细胞免于凋亡，从而可以促进胃癌 [15]。

毒力因子CagA与胃癌的发生密切相关，与不表达CagA的H. pylori菌株相比，表达CagA的H. pylori菌株更有活力，同时表达CagA的H. pylori菌株也与严重的胃肠道疾病有关(如胃癌、消化性溃疡等)，CagA导致胃癌的机制多种多样，比如通过破坏胃上皮细胞之间的粘附和紧密连接、破坏细胞极性、激活炎症细胞、促进细胞有丝分裂、减少细胞凋亡等，最终诱发胃癌 [9] [12] [23]。CagA是十分值得我们深入研究的毒力因子，虽然我们已经了解了一切其导致胃癌的机制，但是还是有很多机制是我们不知道的，作为Hp最重要的毒力因子，我们仍要继续对CagA的研究。

(二) 空泡毒素相关蛋白VacA

VacA是H. pylori产生的另一重要毒力因子，VacA是一种多功能毒素，因其可以使上皮细胞空泡化而得名空泡毒素，该毒素可通过多种途径导致胃癌，如刺激细胞凋亡、抑制T细胞增殖、破坏上皮细胞完整性等。VacA基因被证实存在于几乎所有H. pylori菌株中，但不同菌株的毒力有着明显差异，VacA蛋白活性通过VacA基因的无义突变或移码突变而表现出来 [24]。VacA基因序列具有很大的变异性。VacA基因包含信号肽区域(s)、中间区域(m)、媒介区域(i)以及缺失区域(d)等可变区域，这些可变区域可分为以下亚型：s1 (s1a、s1b、s1c)和s2，m1和m2，i1和i2，d1和d2等 [4] [25]。研究表明，与感染含有s2、m2或i2型VacA等位基因的H. pylori菌株相比，感染含有s1、m1和i1型VacA等位基因的H. pylori菌株的患者有着更高的患胃癌或癌前病变风险 [25]。

VacA是由幽门螺杆菌T4SS所分泌的，一旦VacA进入细胞就会导致细胞空泡化 [9]。VacA在囊泡膜形成一个选择性阴离子通道，使Cl⁻内流增加，通过Cl⁻依赖的方式，VacA可以引起vATP酶的激活，从而导致胃上皮细胞渗透性肿胀以及空泡形成，最终损害胃上皮细胞 [6] [24]。VacA还可以作为一种免疫抑制剂，抑制T细胞增殖并减弱宿主免疫反应，从而使H. pylori逃逸机体免疫机制，造成Hp持续感染，最终可能导致胃癌 [26]。除了T细胞，VacA还可以抑制其他多种免疫细胞的功能与增殖，比如：B细胞、巨噬细胞等 [25]。VacA通过MHC-II类分子干扰B细胞的抗原提呈 [24]。VacA干扰巨噬细胞吞噬小体的成熟和细胞内转运等过程，使得吞噬作用延迟 [24]。VacA导致IL2基因转录下调，阻断T细胞的增殖。此外，VacA与内质网钙感应蛋白STIM1结合，抑制细胞内钙内流。VacA抑制巨噬细胞的吞噬小体成熟。VacA会导致细胞增殖增加，使得胃上皮细胞不断增殖从而引发胃癌。VacA还能破坏胃上皮细胞，从而促进致癌物质进入胃上皮细胞，最终导致胃癌 [27]。VacA还通过其他多种途径引发细胞调亡，如增加细胞色素C的释放，阻断连接蛋白Cx43的表达等 [24] [28]。

VacA可以通过多种途径导致胃癌，此外，研究发现VacA与CagA之间存在相互作用。VacA可以通过损害自噬而促进Hp感染时CagA在胃上皮细胞积聚 [29]。VacA与CagA之间也存在拮抗作用，研究证明VacA可以通过减少蜂鸟表型的形成从而降低CagA的毒力 [28]。所以，VacA和CagA等位基因的某些组合可能会通过提供VacA和CagA活性的最优平衡而给予菌株选择优势 [25]。但是VacA与CagA之间作用的具体机制还需要进一步研究。

(三) 尿素酶(Urease)

H. pylori在体内可以产生大量尿素酶(占总蛋白质重量的10%~15%)，尿素酶被认为是一种巨大的复合物，其分子量估计约为600 kDa。尿素酶是由两个结构亚单位(UreA和UreB)以及辅助蛋白(UreD、UreE、UreF和UreG等)组成，其中UreA分子量为26.5 kDa，UreB分子量为61.7 kDa [30] [31] [32]。尿素酶是H. pylori在胃内的存活和定植所必须的，尿素酶在体内发挥作用需要依靠镍(Nickel, Ni)，在Ni不足或者完全缺乏的时候，尿素酶不能被激活而发挥作用 [12] [30]。尿素酶阴性的H. pylori在生理PH水平下无法在胃内定植 [33] [34]。H. pylori所产生的尿素酶存在于细菌的胞质内以及细菌表面，细菌表面尿素酶在PH值为5.0~8.5时最有效，而细菌胞内尿素酶在PH值为2.5~6.5时活性大 [34]。

尿素酶具有催化作用，可以分解尿素生成氨(NH₃)和二氧化碳(CO₂)，NH₃中和胃酸，给H. pylori提供适宜生存的环境，作为一种毒性物质，NH₃能够破坏细胞间的紧密连接，破坏细胞的完整性，从而损害胃上皮细胞 [7] [12] [33]。NH₃还可以通过抑制VacA的降解从而增强VacA的毒性 [35]。产生的CO₂能够保护H. pylori免受一氧化氮等代谢物质的杀菌作用和免受吞噬的细胞的吞噬杀伤 [12]。尿素酶具有非催化抗氧化作用，H. pylori感染的患者胃黏膜活性氧物质的含量较高，尿素酶的抗氧化作用可以使H. pylori在活性氧物质中存活，从而造成机体长期H. pylori感染 [36]。血管生成被认为与肿瘤的生长、侵袭以及转移有着密切关系，研究表明，尿素酶诱导胃腺癌细胞(AGS)表达促血管生成因子，使血管生成增加，故而促进肿瘤的生长、侵袭和转移，在胃癌的发生发展中起着十分重要的作用 [32]。UreA以胃上皮细胞细胞核为靶点，靶向诱导AGS细胞使其发生形态学变化，如细胞伸长 [37]。在胃细胞中诱导缺氧诱导因子-1α (HIF-1α)的表达也需要尿素酶的存在，HIF-1α可以促进血管生成、使细胞周期阻滞，HIF-1α与包括胃癌在内的多种癌症的发展过程有关 [38]。

检测幽门螺杆菌感染的一些重要试验，如快速尿素酶实验(rapid urease test, RUT)、尿素呼气试验(urea breath test, UBT)，都是基于尿素酶的存在 [39]。RUT属于侵入性检查方法，需要借助胃镜检查，在胃黏膜取得活组织从而进行RUT，RUT基于尿素酶分解尿素，形成氨和二氧化碳，而氨会导致PH值增加，使得指示剂酚红变色，从而检测H. pylori感染 [40]。而UBT属于非侵入性检查方法，包括¹³C-UBT和¹⁴C-UBT两种，患者摄入同位素¹³C/¹⁴C标记的尿素溶液，尿素酶可将摄入的溶液分解，产生的CO₂通过呼气排出，通过测定¹³C/¹⁴C标记的CO₂检测H. pylori感染，UBT在H. pylori感染的诊断中应用非常广泛 [41]。另外，很多药物通过抑制尿素酶来抑制H. pylori感染，如：黄连中的巴马汀 [42] 和黄连碱 [43]、新型二氢嘧啶–异羟肟酸螯合物 [44] 等。同时尿素酶(UreB)也是H. pylori疫苗研发的主要抗原 [45]。所以，尿素酶在H. pylori感染的致病机制、预防、诊断以及治疗等方面都有着非常重要的价值，仍值得我们进一步研究。

3. 幽门螺杆菌血清学分型及其临床意义

(一) H. pylori血清学分型

H. pylori所表达的一些免疫优势蛋白，如CagA、VacA和尿素酶等，已经作为检测H. pylori感染的候选蛋白，被认为是诊断H. pylori感染的血清学标志 [46]。H. pylori的血清学分型主要依据H. pylori是否表达CagA、VacA、UreA和UreB [11]，从而通过使用蛋白芯片法(如蛋白质微列阵 [47] )或者免疫印迹法，将H. pylori分为：I型、II型和H. pylori感染阴性 [4] [11]。I型：CagA(+)或VacA(+)；II型：CagA(−)和VacA(−)，仅出现UreA和(或) UreB(+)；H. pylori感染阴性：CagA、VacA、UreA和UreB均为阴性 [4] [11]。

(二) H. pylori血清学分型的临床意义

不同的H. pylori菌株具有的致病潜力不同，所导致H. pylori感染的特点也不同，一些H. pylori菌株可以通过其产生的毒力因子而更容易诱发胃癌 [11] [48] [49]。I型H. pylori能产生毒力因子CagA和VacA，毒力因子的存在增加了机体患胃癌的风险，CagA和VacA能通过多种机制(如：破坏胃上皮间的紧密连接、促进细胞增殖、抑制细胞免疫等)诱导机体癌变，又称毒力型H. pylori [4] [29]。II型H. pylori产生尿素酶A、B亚单位(UreA、UreB)，不产生毒力因子CagA和VacA，毒力显著弱于I型H. pylori，又称非毒力型H. pylori [4] [50]。在这里我们主要探讨I型H. pylori和II型H. pylori感染。

胃泌素(gastrin)又称促胃液素，是一种重要的胃肠激素，主要由胃窦G细胞分泌，能够刺激胃酸和胃蛋白酶的分泌，促进胃黏膜细胞分裂增殖，能够反映胃黏膜的功能状态，胃泌素-17 (gastrin-17, G-17)是血液循环中最重要的胃泌素形式，G-17被认为与胃癌细胞的生长和转移有关，在胃癌的发生发展中起着重要作用 [11] [48] [50] [51]。H. pylori感染使的胃内氨生成增加，氨中和胃酸，使胃酸减少，从而导致G-17分泌增加 [50]。有研究表明，I型H. pylori感染者血清G-17水平高于II型H. pylori感染者，提示I型H. pylori感染对胃黏膜的致病性更强 [11] [48] [50]。胃蛋白酶原(pepsinogen, PG)是胃蛋白酶的无活性前体，可以分为PGI和PGII两个亚群，PGI和PGII均可以由胃底腺的主细胞和黏液颈细胞分泌，除此之外，PGII还可以由贲门腺和胃窦的幽门腺的黏液颈细胞以及十二指肠上段分泌，PG能够反映胃黏膜功能状态，多项研究表明，PGI浓度降低和PGI/PGII比值下降是胃萎缩的指标，而胃萎缩与胃癌风险增加有关 [48] [51] [52]。胃炎时可以增加PGI和PGII释放到血流中，其中PGI的增加更明显，而H. pylori感染可以引起胃部慢性炎症，研究表明，与II型H. pylori感染者相比，I型H. pylori感染者血清PGI和PGII水平升高，PGI/PGII比值降低 [11] [48]。I型H. pylori感染又可能通过独特的机制增加对胃黏膜的侵袭性从而加速萎缩性胃炎的发展，增加机体患胃癌的风险 [11]。I型H. pylori是影响G-17、PGI、PGII以及PGI/PGII比值的主要因素，I型H. pylori在萎缩性胃炎的恶化中起着重要的因素 [11] [48]。可见，I型H. pylori能产生CagA和VacA，对胃黏膜的致病能力更强，在上消化道疾病甚至是胃癌的发生发展中起着重要作用 [48] [50]。

全球许多地区H. pylori感染的主要类型是I型H. pylori感染，H. pylori的致病性取决于其确切菌株，并不是所有H. pylori感染都会导致胃癌，与II型H. pylori相比，I型H. pylori感染往往导致严重

的胃疾病，与胃癌的发生有着更加密切的关系，目前根除H. pylori仍然是预防胃癌的首要任务，了解H. pylori血清学分型有助于将H. pylori感染类型加以区分，从而提高临床对胃癌的预测能力，筛查出胃癌的高危人群，个体化根除H. pylori使更多人获益 [9] [11] [12] [28] [48] [53]。

4. 根除幽门螺杆菌对胃癌的意义

H. pylori感染属于一种传染病，H. pylori感染往往有一定的家族聚集性，H. pylori可以通过粪–口传播、口–口传播和胃–口传播等方式在人与人之间进行传播，但具体的传播机制尚不清楚 [12] [26]。所以，切断传播途径可以有效预防H. pylori感染，比如：家庭内部实行分餐，彻底消毒餐具，使用公筷、饭前便后认真洗手等。但是一旦感染H. pylori，如果不经药物治疗则很难治愈 [54]。

H. pylori的感染率和流行率在中国很常见，早期发现和根除H. pylori对预防胃癌有着重要的意义，可悲的是，H. pylori通过耐药相关基因突变获得耐药性，使得H. pylori对抗生素的耐药性逐渐增加，

根据WHO的数据，所有地区对于左氧氟沙星、甲硝唑以及克拉霉素的耐药率都随着时间的推移而有所上升，这使得根除H. pylori变得越来越困难，个体化根除H. pylori可以减少不同人群的胃癌负担，这是十分必要的 [11] [49] [55]。根除H. pylori被广泛用于改善胃黏膜炎症、促进溃疡愈合、降低胃癌发生率，但是根除H. pylori的标准治疗方法因地区和国家而有所不同。我国常用含有铋剂的四联疗法(1种PPI + 2种抗生素 + 1种铋剂，疗程10~14天)。由于H. pylori的耐药性逐渐增强，根除H. pylori越来越成为一种挑战。理想的根除H. pylori的理念是“使用一种简单、耐受性良好的方案，可以促进患者的依从性，并具有成本效益”。伏诺拉生(一种新型钾离子竞争性酸阻断剂)和阿莫西林组成的双重疗法(疗程7天)，这是最简单的一种治疗方案，可以提供足够的根治率、安全性和耐受性，值得在临床中借鉴并推广 [56]。

H. pylori感染被认为是胃癌最重要的、可控的危险因素，根除H. pylori可以在一定程度上降低胃癌发生率，有效预防胃癌，H. pylori血清学分型能够使我们了解所感染H. pylori的类型，使得治疗的准确性有了进一步的提高。但由于H. pylori耐药性的不断增加，人们对于抗H. pylori药物治疗的依从性差，迫切需要我们进一步的研究来开发出新型的、短疗程的、能够有效根除H. pylori的方法，从而减少H. pylori感染所导致的胃癌，降低胃癌总体发病率 [9] [54]。

5. 结语

胃癌是全球最常见的恶性肿瘤之一，多种原因可以导致胃癌，比如幽门螺杆菌(H. pylori)、高盐饮食、吸烟、饮酒等，其中H. pylori感染是导致胃癌最重要、可控的危险因素。H. pylori是一种革兰氏染色阴性的螺旋状细菌，能够侵入并定植在胃黏膜中，也可以产生包括CagA、VacA、尿素酶等在内的多种细胞毒素，这些毒力因子不仅有利于H. pylori在胃内的定植和转移，还通过各种途径破坏胃黏膜，从而促进胃癌的进展。根据毒力因子可将H. pylori感染分型，即I型：CagA(+)或VacA(+)；II型：CagA(−)和VacA(−)，仅出现UreA和(或) UreB(+)；H. pylori感染阴性：CagA、VacA、UreA和UreB均为阴性。与II型H. pylori相比，I型H. pylori能产生毒力因子CagA和VacA，毒力较强，往往导致严重的胃黏膜损伤，与胃癌的发生密切相关。早期诊断和治疗H. pylori对于降低胃癌的发病率十分重要，通过H. pylori血清学分型将患者所感染H. pylori分型，可以筛选出胃癌高风险人群，从而对高危人群进行随访并且个体化根除H. pylori，使更多人获益。H. pylori自1983年被发现以来一直备受消化界关注，H. pylori所产生的毒素如何破坏胃黏膜导致胃癌仍然值得进一步研究。根除H. pylori能够降低胃癌的发病率，但随着H. pylori耐药性的增加，根除H. pylori越来越困难，这就迫切要求我们研究新型的能够有效根除H. pylori的方法。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。