Microbiome：结肠癌患者治疗后菌群正常化

发稿时间：2017-11-24来源：天昊生物

副标题：结肠癌患者治疗后菌群正常化

英文题目： Normalization of the microbiota in patients after treatment for colonic lesions

中文题目：结肠病变患者治疗后微生物群落正常化

期刊名：Microbiome           发表时间： 2017.11.16    

发表单位：美国密歇根大学微生物学与免疫学系

研究背景：

结直肠癌是世界性的健康问题。尽管越来越多的证据表明，肠道微生物的成员可以驱动肿瘤发生，但对腺瘤或结直肠癌治疗后发生的情况却知之甚少。

研究对象： 

1）第一阶段：67例患者（22例腺瘤患者，19例晚期腺瘤患者，26例癌患者）治疗前后的粪便样本

2）第二阶段：251个个体（67例腺瘤患者，90例晚期腺瘤患者，94例癌患者）治疗前后的粪便样本和172例正常结肠个体的粪便样本

表1 治疗前后患者的人口学资料

 

表2  扩大队列人口统计

技术手段：16S rDNA扩增子测序（V4）；

研究结果：

1、 结肠病变治疗改变了细菌群落结构

治疗前后样品中的微生物群落结构不同（图1a），其中癌患者治疗前后的群落变化要明显大于腺瘤患者治疗前后的群落变化。腺瘤与晚期腺瘤或晚期腺瘤与癌患者之间的微生物群落变化程度没有显著差异。各组治疗前后的OTUs个数，Shannon 指数并没有明显的变化。

 

图1 腺瘤、晚期腺瘤和癌患者治疗后的差异。 A每个患者治疗前后的θYC距离，腺瘤与癌组之间有显著差异。实心黑色代表每个诊断组的中值。

2、 在不同诊断组中，病变的治疗并不一致。

使用了两种方法来识别每个诊断组治疗前后之间的细菌种群。首先我们试图找到可以解释整体群落结构变化的OTUs，然而通过配对秩和检验，无法确定不同诊断组治疗前后有明显差异的OTUs，这可能是个体间高度差异和OTUs的不规则分布限制了统计效率。接着我们通过使用随机森林模型来鉴定那些能区分不同诊断组治疗前后个体的OTUs。腺瘤和癌组别的模型非常好：腺瘤AUC范围：0.54–0.83；癌AUC范围：0.82–0.98，然而，晚期腺瘤患者的模型不能可靠地区分治疗前后个体，其AUC范围仅为0.34–0.65。然而非常有趣的是：用于不同组别诊断模型的最重要10个OTUs几乎没有重叠（图2）。虽然治疗对整个微生物群落结构有影响，但治疗效果在患者和诊断组并不一致。

 

图2 用于不同组别（腺瘤，晚期腺瘤，癌）诊断模型的最重要10个OTUs。A 腺瘤。B晚期腺瘤。C癌。深色圆圈代表来自100个不同80 / 20 splits的log10 MDA平均值，普通圆圈代表一次运行的值。

3、 癌症患者的治疗样本更接近正常结肠

接下来想确定治疗后的菌群是否类似于正常结肠的菌群。接着用相同的标准筛选了423个个体，这其中包括正常结肠、腺瘤、晚期腺瘤或癌患者（表2）。

然后我们构建随机森林模型对这些样本进行诊断，其中癌组的诊断模型是最好的（腺瘤AUC范围： 0.50 - 0.62；腺瘤AUC范围：0.53 - 0.67；癌AUC范围：0.71 - 0.82）（图S1）。腺瘤和晚期腺瘤模型重要性排名前10%的OTUs重叠较多，癌组诊断模型重要性排名前10%的OTUs则与这两组模型重叠较少（图3a）。其中，这三类模型共享那些OTUs通常被认为是有益于他们宿主的菌种，例如，柔嫩梭菌、毛螺菌科、拟杆菌、丁酸弧菌属、瘤胃球菌（图3b）。尽管区分正常结肠与癌患者的诊断模型也包括多个重要性排名前10%的OTUs，同时这个模型也包括很多与癌患者相关的菌群，例如梭杆菌属、卟啉单胞菌属、微单胞菌属（这些菌在某些个体相对丰度显著下降）。

 

图3用于区分正常结肠与腺瘤，晚期腺瘤和癌患者的3个诊断模型共有的重要性排名前10%的OTUs。A 维恩图显示各模型之间的重叠OTUs。B 共有OTUs在每个诊断模型运行中的重要性等级。

最后，我们将这三种模型应用于每个诊断组治疗前后的样本，对模型阳性概率（positive probability）的变化进行了量化。阳性概率的减少表明患者治疗后的细菌菌群与正常结肠细菌菌群更相似。腺瘤或晚期腺瘤组治疗前后的阳性概率无显著变化(P value > 0.05)（图4）。癌症患者治疗后的阳性概率相对治疗前显著降低（P = 0.001），这表明大多数癌患者治疗后都倾向于正常结肠的微生物菌群， 26例癌患者中只有7例（26.92%）在治疗后仍然有较高的阳性概率，其中一例在随访中被重新诊断为癌症。这些结果表明，尽管不同组别治疗后相关微生物群发生了变化，但只有经过治疗的癌症患者产生与正常结肠相似的肠道细菌群落。

 

图4 腺瘤、晚期腺瘤或癌诊断模型的治疗反应。A腺瘤患者初始至治疗后阳性概率的变化。B晚期腺瘤患者初始至治疗后阳性概率的变化。C 癌症患者初始至治疗后阳性概率的变化。

4、 难以确定特定治疗手段对微生物菌群变化的影响

不同诊断组患者接受的治疗手段不同：腺瘤和晚期腺瘤患者接受手术切除（腺瘤n = 4，晚期腺瘤，n = 4）或在结肠镜检查时接受息肉切除（腺瘤，n = 18；晚期腺瘤，n = 15）；癌患者接受手术切除（n＝12），切除手术加化疗（n＝9），切除手术加化疗和放疗（n＝5）。无论使用什么类型治疗手段，这些治疗手段对OTUs数目、Shannon多样性、Shannon均匀度都没有显著影响。此外，这些治疗手段对群落结构的变化程度也没有显著影响。最后，这些治疗手段对阳性概率的变化也无显著性差异。由于每个治疗组的样本数量相对较少，很难就特定治疗手段对微生物群落结构变化的影响作出明确的说明。

结论：

• 治疗前后，与腺瘤或晚期腺瘤相关的细菌群落有微小的变化，而与癌症相关的细菌群落变化很大。治疗后癌症患者的细菌群落结构相比于腺瘤发生显著改变。
• 接着通过使用随机森林模型来区分不同诊断组治疗前后个体，腺瘤和癌组别的诊断模型非常好，然而，晚期腺瘤患者的模型不能可靠地区分治疗前后个体。不同诊断模型重要性排名前10%的OTUs重叠较少。
• 为了确定治疗后的菌群是否类似于正常结肠的菌群，使用了一个更大的队列（这其中包括正常结肠、腺瘤、晚期腺瘤或癌患者），再次建立了随机森林模型，并对三种诊断模型阳性概率的变化进行量化，以评估患者治疗后的细菌菌群是否与正常结肠细菌菌群相似，结果发现大多数癌患者治疗后都倾向于正常结肠的微生物菌群。
• 最后，我们发现经过单独手术治疗的患者和那些经过化疗或放疗治疗的患者菌群没有任何显著差异。
• 通过更好地了解微生物对腺瘤和癌治疗效果的相应，生物标志物最终可能被验证，可以用来量化复发的风险和生存的可能性。虽然很难确定腺瘤和晚期腺瘤患者治疗前后之间肠道菌群的显著差异，但这并不适用于癌症患者，癌症患者治疗前后肠道菌群不仅有很大的变化，而且这些变化也趋向于更正常的微生物菌群。