Microbiome：結(jié)腸癌患者治療后菌群正常化

發(fā)稿時(shí)間：2017-11-24來(lái)源：天昊生物

副標(biāo)題：結(jié)腸癌患者治療后菌群正常化

英文題目： Normalization of the microbiota in patients after treatment for colonic lesions

中文題目：結(jié)腸病變患者治療后微生物群落正?；?

期刊名：Microbiome           發(fā)表時(shí)間： 2017.11.16    

發(fā)表單位：美國(guó)密歇根大學(xué)微生物學(xué)與免疫學(xué)系

研究背景：

結(jié)直腸癌是世界性的健康問(wèn)題。盡管越來(lái)越多的證據(jù)表明，腸道微生物的成員可以驅(qū)動(dòng)腫瘤發(fā)生，但對(duì)腺瘤或結(jié)直腸癌治療后發(fā)生的情況卻知之甚少。

研究對(duì)象： 

1）第一階段：67例患者（22例腺瘤患者，19例晚期腺瘤患者，26例癌患者）治療前后的糞便樣本

2）第二階段：251個(gè)個(gè)體（67例腺瘤患者，90例晚期腺瘤患者，94例癌患者）治療前后的糞便樣本和172例正常結(jié)腸個(gè)體的糞便樣本

表1 治療前后患者的人口學(xué)資料

表2  擴(kuò)大隊(duì)列人口統(tǒng)計(jì)

技術(shù)手段：16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序（V4）；

研究結(jié)果：

1、 結(jié)腸病變治療改變了細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

治療前后樣品中的微生物群落結(jié)構(gòu)不同（圖1a），其中癌患者治療前后的群落變化要明顯大于腺瘤患者治療前后的群落變化。腺瘤與晚期腺瘤或晚期腺瘤與癌患者之間的微生物群落變化程度沒(méi)有顯著差異。各組治療前后的OTUs個(gè)數(shù)，Shannon 指數(shù)并沒(méi)有明顯的變化。

圖1 腺瘤、晚期腺瘤和癌患者治療后的差異。 A每個(gè)患者治療前后的θYC距離，腺瘤與癌組之間有顯著差異。實(shí)心黑色代表每個(gè)診斷組的中值。

2、 在不同診斷組中，病變的治療并不一致。

使用了兩種方法來(lái)識(shí)別每個(gè)診斷組治療前后之間的細(xì)菌種群。首先我們?cè)噲D找到可以解釋整體群落結(jié)構(gòu)變化的OTUs，然而通過(guò)配對(duì)秩和檢驗(yàn)，無(wú)法確定不同診斷組治療前后有明顯差異的OTUs，這可能是個(gè)體間高度差異和OTUs的不規(guī)則分布限制了統(tǒng)計(jì)效率。接著我們通過(guò)使用隨機(jī)森林模型來(lái)鑒定那些能區(qū)分不同診斷組治療前后個(gè)體的OTUs。腺瘤和癌組別的模型非常好：腺瘤AUC范圍：0.54–0.83；癌AUC范圍：0.82–0.98，然而，晚期腺瘤患者的模型不能可靠地區(qū)分治療前后個(gè)體，其AUC范圍僅為0.34–0.65。然而非常有趣的是：用于不同組別診斷模型的最重要10個(gè)OTUs幾乎沒(méi)有重疊（圖2）。雖然治療對(duì)整個(gè)微生物群落結(jié)構(gòu)有影響，但治療效果在患者和診斷組并不一致。

圖2 用于不同組別（腺瘤，晚期腺瘤，癌）診斷模型的最重要10個(gè)OTUs。A 腺瘤。B晚期腺瘤。C癌。深色圓圈代表來(lái)自100個(gè)不同80 / 20 splits的log10 MDA平均值，普通圓圈代表一次運(yùn)行的值。

3、 癌癥患者的治療樣本更接近正常結(jié)腸

接下來(lái)想確定治療后的菌群是否類(lèi)似于正常結(jié)腸的菌群。接著用相同的標(biāo)準(zhǔn)篩選了423個(gè)個(gè)體，這其中包括正常結(jié)腸、腺瘤、晚期腺瘤或癌患者（表2）。

然后我們構(gòu)建隨機(jī)森林模型對(duì)這些樣本進(jìn)行診斷，其中癌組的診斷模型是最好的（腺瘤AUC范圍： 0.50 - 0.62；腺瘤AUC范圍：0.53 - 0.67；癌AUC范圍：0.71 - 0.82）（圖S1）。腺瘤和晚期腺瘤模型重要性排名前10%的OTUs重疊較多，癌組診斷模型重要性排名前10%的OTUs則與這兩組模型重疊較少（圖3a）。其中，這三類(lèi)模型共享那些OTUs通常被認(rèn)為是有益于他們宿主的菌種，例如，柔嫩梭菌、毛螺菌科、擬桿菌、丁酸弧菌屬、瘤胃球菌（圖3b）。盡管區(qū)分正常結(jié)腸與癌患者的診斷模型也包括多個(gè)重要性排名前10%的OTUs，同時(shí)這個(gè)模型也包括很多與癌患者相關(guān)的菌群，例如梭桿菌屬、卟啉單胞菌屬、微單胞菌屬（這些菌在某些個(gè)體相對(duì)豐度顯著下降）。

圖3用于區(qū)分正常結(jié)腸與腺瘤，晚期腺瘤和癌患者的3個(gè)診斷模型共有的重要性排名前10%的OTUs。A 維恩圖顯示各模型之間的重疊OTUs。B 共有OTUs在每個(gè)診斷模型運(yùn)行中的重要性等級(jí)。

最后，我們將這三種模型應(yīng)用于每個(gè)診斷組治療前后的樣本，對(duì)模型陽(yáng)性概率（positive probability）的變化進(jìn)行了量化。陽(yáng)性概率的減少表明患者治療后的細(xì)菌菌群與正常結(jié)腸細(xì)菌菌群更相似。腺瘤或晚期腺瘤組治療前后的陽(yáng)性概率無(wú)顯著變化(P value > 0.05)（圖4）。癌癥患者治療后的陽(yáng)性概率相對(duì)治療前顯著降低（P = 0.001），這表明大多數(shù)癌患者治療后都傾向于正常結(jié)腸的微生物菌群， 26例癌患者中只有7例（26.92%）在治療后仍然有較高的陽(yáng)性概率，其中一例在隨訪中被重新診斷為癌癥。這些結(jié)果表明，盡管不同組別治療后相關(guān)微生物群發(fā)生了變化，但只有經(jīng)過(guò)治療的癌癥患者產(chǎn)生與正常結(jié)腸相似的腸道細(xì)菌群落。

圖4 腺瘤、晚期腺瘤或癌診斷模型的治療反應(yīng)。A腺瘤患者初始至治療后陽(yáng)性概率的變化。B晚期腺瘤患者初始至治療后陽(yáng)性概率的變化。C 癌癥患者初始至治療后陽(yáng)性概率的變化。

4、 難以確定特定治療手段對(duì)微生物菌群變化的影響

不同診斷組患者接受的治療手段不同：腺瘤和晚期腺瘤患者接受手術(shù)切除（腺瘤n = 4，晚期腺瘤，n = 4）或在結(jié)腸鏡檢查時(shí)接受息肉切除（腺瘤，n = 18；晚期腺瘤，n = 15）；癌患者接受手術(shù)切除（n＝12），切除手術(shù)加化療（n＝9），切除手術(shù)加化療和放療（n＝5）。無(wú)論使用什么類(lèi)型治療手段，這些治療手段對(duì)OTUs數(shù)目、Shannon多樣性、Shannon均勻度都沒(méi)有顯著影響。此外，這些治療手段對(duì)群落結(jié)構(gòu)的變化程度也沒(méi)有顯著影響。最后，這些治療手段對(duì)陽(yáng)性概率的變化也無(wú)顯著性差異。由于每個(gè)治療組的樣本數(shù)量相對(duì)較少，很難就特定治療手段對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)變化的影響作出明確的說(shuō)明。

結(jié)論：

• 治療前后，與腺瘤或晚期腺瘤相關(guān)的細(xì)菌群落有微小的變化，而與癌癥相關(guān)的細(xì)菌群落變化很大。治療后癌癥患者的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相比于腺瘤發(fā)生顯著改變。
• 接著通過(guò)使用隨機(jī)森林模型來(lái)區(qū)分不同診斷組治療前后個(gè)體，腺瘤和癌組別的診斷模型非常好，然而，晚期腺瘤患者的模型不能可靠地區(qū)分治療前后個(gè)體。不同診斷模型重要性排名前10%的OTUs重疊較少。
• 為了確定治療后的菌群是否類(lèi)似于正常結(jié)腸的菌群，使用了一個(gè)更大的隊(duì)列（這其中包括正常結(jié)腸、腺瘤、晚期腺瘤或癌患者），再次建立了隨機(jī)森林模型，并對(duì)三種診斷模型陽(yáng)性概率的變化進(jìn)行量化，以評(píng)估患者治療后的細(xì)菌菌群是否與正常結(jié)腸細(xì)菌菌群相似，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大多數(shù)癌患者治療后都傾向于正常結(jié)腸的微生物菌群。
• 最后，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)單獨(dú)手術(shù)治療的患者和那些經(jīng)過(guò)化療或放療治療的患者菌群沒(méi)有任何顯著差異。
• 通過(guò)更好地了解微生物對(duì)腺瘤和癌治療效果的相應(yīng)，生物標(biāo)志物最終可能被驗(yàn)證，可以用來(lái)量化復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和生存的可能性。雖然很難確定腺瘤和晚期腺瘤患者治療前后之間腸道菌群的顯著差異，但這并不適用于癌癥患者，癌癥患者治療前后腸道菌群不僅有很大的變化，而且這些變化也趨向于更正常的微生物菌群。