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Nature | 科学家发现预测结直肠癌的肠道菌群特征

浏览量: 52 发布时间:2019-04-19

导读:近年来,肠道微生物在疾病和健康方面的价值愈发凸显,越来越多的科学研究试图从粪便中分析肠道菌群的特点,以获知有关疾病的线索。肠道微生物除了可以影响到认知、记忆、行为和情感之外,还与多种消化道疾病、精神和神经类的疾病密切相关。近日,两个跨国科学家团队分别通过分析近千份人类粪便样品找出了可以预测结直肠癌的肠道菌群特征,相关成果同期发表于《Nature Medicine》。



       正常情况下,人排出的粪便中,有1/3到2/3的固体成分是肠道细菌。近年来,越来越多的证据显示肠道微生物组对人体健康有着重要影响,也有越来越多的科学研究试图从粪便中分析肠道菌群的特点,获知有关疾病的线索。


       本周刚刚在《自然·医学》上在线发表的最新一批论文里,两个跨国科学家团队就在这一领域做出了新的突破。他们背靠背发表了两篇论文,分别从近千份人类粪便样品中,找出了可以用来预测结直肠癌的肠道菌群特征。他们发现尽管两项研究采纳的数据来自欧洲、亚洲、美洲的多个国家,粪便样本也来自生活在不同环境、有着不同饮食习惯的人群,然而肠道微生物组在结直肠癌发生时有着一致的特异性变化!



       其中一项工作由欧洲分子生物学实验室(EMBL)的科学家领衔。他们根据已有的4项结直肠癌研究和1项新增的研究,对386名结直肠癌患者和392名肠道健康的对照组受试的粪便样品开展宏基因组分析,也就是对粪便样品中整个微生物群体的遗传物质进行分析,找出患者肠道菌群有哪些与健康人群有显著差别。



       另一项由意大利Trento大学Nicola Segata教授主导的工作中,科学家们从5个公开的数据库和2个新增队列中的结直肠癌患者和健康对照组中获得了969份粪便样品,采用鸟枪法宏基因组测序分析,寻找肠道微生物组和结直肠癌之间的关系。


       以粪便样本的数量和人群的多样化来看,研究人员认为,这两项研究或许称得上迄今规模最大的结直肠癌研究。


▲其中一项研究的荟萃分析,涵盖了来自中国、美国、欧洲多国的样本(图片来源:参考资料[2])


       由于数据来自以往多项不同的研究,样本的获取方法、储存条件、DNA抽提方法等都有所不同,两组科学家分别设计了优化的统计方法来排除干扰因素。此外,生物信息学家借助宏基因组操作分类单元(mOTUs),对基因片段与它们所属的微生物进行关联,不需要分离和培养粪便样品中的细菌,就可以鉴别和量化样品中的细菌种类,获得对肠道微生物群的全面认识。

       

       尽管具体采用的方法不同,两个研究团队殊途同归,分别鉴定出了在结直肠癌患者的肠道菌群中丰度明显高于健康肠道的细菌物种和菌株,可以作为与结直肠癌相关的生物标志物。Trento大学的研究团队从中选出了16种差异最为显著的细菌,该研究的第一作者Thomas博士说:“希望以此为基础开发一种简单的诊断工具,无需对整个微生物群测序,同时又具有必要的精确度。”


       两项研究结果为结直肠癌的发生提供了新的见解。他们发现,在结直肠癌患者的肠道内,除了过去已知与肠道疾病有关联的几种细菌外,还有一种名为具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)的细菌非常丰富,然而这种细菌通常生活在口腔的某些区域。


       过去人们曾认为胃液的强酸性会阻止口腔中的这些细菌迁移到肠道,现在看来却并非如此。这个结果也提示我们,控制口腔细菌的传播,或许也是调节肠道菌群的一个重要途径。


       除了找出定植在结直肠癌患者肠道内的细菌种类与健康肠道有哪些显著差异外,研究团队通过多个数据库的训练,采用机器学习技术建立了预测模型,找出可以用于预测结直肠癌发生的微生物代谢特征。

▲肠道微生物表达胆碱代谢相关的酶的基因丰度在结直肠癌患者中更高(图片来源:参考资料[1])


       研究人员对原始宏基因组的汇总分析显示,结直肠癌的发生与微生物一种降解胆碱相关的基因有关。在结直肠癌患者的粪便样品中,研究人员发现微生物的胆碱三甲酰胺酶(cutC-lyase)基因大量存在,这种基因表达的酶与胆碱的代谢有关。胆碱是肉类等食物中含有的一种营养物质,肠道内某些细菌种类会将胆碱转变为可能对人体不利的代谢产物。这一发现进一步说明,肠道微生物群与高脂饮食之间可能存在致癌联系。


       最新全国范围的癌症调查显示,结直肠癌已是我国第三高发恶性肿瘤,且是第五大导致死亡的恶性肿瘤。目前,肠镜筛查是控制结直肠风险最靠谱的做法。如果在这两项研究的基础上,未来通过粪便样品检查肠道微生物学特征就可以预测结直肠癌的发生,那么既可以减少人们筛查时的痛苦,也有望获得早发现早治疗的机会。

来源:学术经纬

参考资料

[1] Andrew Maltez Thomas et al., (2019) Metagenomic analysis of colorectal cancer datasets identifies cross-cohort microbial diagnostic signatures and a link with choline degradation. Nature Medicine. DOI: 10.1038/s41591-019-0405-7

[2] Jakob Wirbel et al., (2019) Meta-analysis of fecal metagenomes reveals global microbial signatures that are specific for colorectal cancer. Nature Medicine. DOI: 10.1038/s41591-019-0406-6

[3] Intestinal bacteria can be used to predict occurrence of colorectal cancer. Retrieved Apr. 2, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-04/fda-ibc040119.php

[4] Global microbial signatures for colorectal cancer established. Retrieved Apr. 2, 2019, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-04/udt-gms032919.php