对于结直肠癌（CRC）来说，早期检测和早期干预能显著提高患者的生存率。肠道微生物组是一种基于粪便代谢物的非侵入性生物标记物，可用于分析代谢性疾病和癌症。研究表明肠道菌群是结直肠癌发生和发展的重要病因因素，但其是否能准确有效地诊断结直肠腺瘤尚不清楚。近日，一项刊登在Nature Communications（IF：12.121）上的研究报告中，来自中山大学附属第六医院胃肠病研究所朱立新教授团队与其联合研究团队发表了题为：Identification of microbial markers across populations in early detection of colorectal cancer 的研究论文。该研究对旨在识别腺瘤特异性微生物标志物，并基于粪便微生物标记物的结直肠癌（CRC）早诊早筛进行了系统的研究，证实了跨多个人群的腺瘤特异性标志物的有效性。

结果

meta分析中数据集的特征&潜在混杂因素的识别

研究人员整合了来源于多个研究中心的健康对照、结肠腺瘤（CRA）和结直肠癌共775例样本的粪便微生物测序数据，以评估随着结直肠癌进展（从对照到腺瘤再到癌症）的肠道微生物组变化，并确定腺瘤特有的生物标志物。由于全基因组鸟枪法测序技术（WMS）分类学的覆盖范围有限以及对参考基因组的高度依赖，因此研究人员纳入了粪便 16S rRNA 测序研究。考虑到混杂因素对研究结果的影响，研究人员计算每个扩增子序列变异体（ASV）的疾病状态所解释的方差，以量化潜在混杂因素的影响。紧接着，研究人员通过控制混杂因素并使用双侧阻断Wilcoxon秩和检验来调整批次效应，并确定受混杂因素影响较小的差异ASV，确定出结直肠癌发展过程中显著性差异且在跨地域的队列中一致变化的细菌。

结直肠腺瘤肠道微生物组成的变化

研究发现，不同疾病状态下肠道菌群差异显著。此外，Shannon指数在各组间无显著差异，而腺瘤组的辛普森多样性指数显著高于腺瘤组和对照组在阻断四项研究中混杂因素时，比癌症组高。

在门水平上，肠道微生物群以厚壁菌门和拟杆菌门为主，与癌症中的丰度相比，最与 CRC 相关的细菌门梭杆菌在腺瘤中的丰度显着降低（P < 0.05），而腺瘤患者和对照组之间没有显着差异。

在ASV水平上，在对照组和腺瘤患者的肠道群落比较中，发现43个ASV具有明显的差异丰度。此外，研究人员还鉴定了114个腺瘤和癌症之间差异丰富的ASV。其中56个ASVs在腺瘤中的丰度低于癌组织（例如：Lachnoclostridium sp., [Ruminococcus] gnavus group sp., [Clostridium] scindens, Escherichia-Shigella sp.）。此外，与对照组相比，在腺瘤或癌症中检测到更多的致病菌。

结果表明，腺瘤与对照组或癌组织的微生物群存在显著差异。

结直肠腺瘤微生物分类模型

在调整了潜在的混杂因素后，使用递归特征消除法（IFE）筛选能有效分辨疾病的菌种标志物，为了防止模型过拟合，研究人采用10 倍交叉验证构建了Random Forest分类器，通过汇集所有样本来区分腺瘤与对照组和癌症。模型构建中包括 8 个差异 ASV（作为生物标志物）以及年龄、性别和 BMI。

最终基于11 个生物标志物（例如：E. coprostanoligenes，Ruminiclostridium 9 sp.，Christensenellaceae R-7 group sp., Ruminococcaceae UCG-005 sp., Veillonella parvula）构建RF模型（AUC=0.80），这些标记物能够以高精度区分结直肠腺瘤与健康对照组。同样的，基于24 个 ASV （例如：P. micra，Bacteroides dorei，C. scindens，Erysipelatoclostridium ramosum、Blautia sp.）以及年龄和 BMI 构建RF模型（AUC=0.89）以区分结直肠腺瘤和结直肠瘤。

微生物群的共现和聚类分析

从高通量测序数据中获得微生物关联网络，能够让我们了解微生物群落在环境中的复杂相互作用。网络分析通常包括零值处理，数据归一化以及计算微生物群落相关性这几个步骤，并且考虑到分配为同一物种的 ASV 之间不一致的丰度变化（例如在健康个体和患者之间）。

故在这篇文章中，研究人员使用 SparCC 算法构建了差分 ASV 的共生网络，从而可进一步探究一对微生物的关联在两组之间是否存在显著差异。

在腺瘤和对照组之间差异 ASV 的共现网络中，能够发现微生物群落之间存在许多竞争关系。其中 A. hadrus对结果具有显著影响，它可以通过产生丁酸来预防人类的结肠癌。Christensenellaceae R-7 group sp.和 Ruminococcaceae UCG-005 sp.在微生物群落中起到重要作用。在腺瘤和 CRC 之间差异 ASV 的共生网络中，结果表明，大多数已鉴定的生物标志物对微生物网络的成员具有广泛而巨大的影响。

紧接着，研究人员做了以下两个个工作：

1、分析并比较了腺瘤组和对照组中生物标志物的模式，进一步分成不同分类的四个集群。这些集群与患者特征并不紧密相关。

2、探索了 CRC 患者肠道微生物群的24 种生物标志物，并产生了三个集群。并研究了上述三个集群与各种肿瘤特征的关联。结果表明这些生物标志物簇不受患者年龄、BMI 或癌症分期的影响。

结直肠腺瘤分类器的验证

进一步，为了确认所挑选出的生物标志物是否具有跨地域队列的普遍性和稳健性，研究人员对整个样本进行了研究间转移验证和 LODO 验证。LODO 验证中腺瘤-对照组模型中的平均 AUC 为 0.76，腺瘤-结直肠癌模型中的平均 AUC 为 0.89。此外，随着训练样本的增加，LODO 分析的 AUC 值并行增加，预测随着更多公共腺瘤数据集的可用，诊断准确性有提高的趋势。

与单独的微生物标记物（AUC = 0.78）或 FIT（AUC = 0.60）相比，重要的腺瘤特异性标记物和 FIT 的组合提高了分类器的准确性（AUC = 0.81），表明非侵入性 FIT 测试可作为肠道微生物群分析的补充工具，用于腺瘤的早期筛查。

结直肠腺瘤标志物在独立队列中验证&预测模型的特异性

为了更进一步的验证meta分析结果，研究人员在两个独立队列分别建立了用于区分腺瘤与对照组的RF模型（AUC=0.78）或腺瘤与癌症的RF模型（AUC=0.84），其中验证队列 1 由 70 名对照组和 102 名腺瘤患者组成，而验证队列 2 中有 57 名腺瘤患者和 52 名 CRC 患者，两个模型效果均具有显著效果。

为了进一步评估研究筛选出的腺瘤标志物是否能显著地区分其它肠道菌群密切相关疾病，及减少临床诊断中的假阳性由，研究人员在其他微生物组相关疾病的背景下，如考虑了五种非 CRC 疾病，包括克罗恩病、溃疡性结肠炎、肠易激综合征、非酒精性脂肪肝和 2 型糖尿病，结果表明鉴定出的CRA肠道菌群标志物具有高度特异性。

结直肠腺瘤的微生物功能变化

该研究团队检查了多种不同疾病状态下基于微生物群的功能改变，这将增强对 CRC 致癌作用的理解和解释。与对照相比，腺瘤中 ADP-庚糖生物合成的途径丰度显着增加，而与腺瘤相比，CRC 中没有显着富集。这可能表明 ADP-庚糖在腺瘤中发挥了关键作用，该结果为早期CRC的治疗提供了潜在靶点。

特别的，研究人员发现与对照相比，腺瘤中 ADP-庚糖和关键基因 hldE 的生物合成显着富集。 ADP-庚糖已被确定为细菌相关致癌物 36 和 LPS 生物合成中的关键代谢中间体。它是激活 NF-κB 信号传导的有效触发器，从而导致结直肠腺瘤。

此外，一系列维生素K2生物合成基因，如menH和menF在腺瘤和癌症之间也存在显着差异。总的来说，微生物群增加的维生素 K2 产量可以作为补偿在结肠直肠癌细胞中诱导反馈抑，这也表明了一种潜在的针对维生素 K2 生物合成细菌的 CRC 干预策略。尽管对照组-腺瘤和腺瘤-CRC模型之间的主要途径不同，但所有这些不同的微生物途径都可以为CRC癌变的干预和治疗提供有前景的观点和证据。

讨论

结肠镜是目前筛查大肠癌的金标准,但不是唯一的技术手段。如今越来越多的科学家试图从粪便中分析肠道菌群的特点，以期获得有关疾病的线索。该研究仅用到粪便微生物标记物该单一类型标记物，有利于在临床上进行，能够真正实现了基于粪便微生物标志物的结肠腺瘤（CRA）阶段的筛查。因此在临床研究中遇到瓶颈，也可以试试从“便便”入手哦。