結(jié)直腸癌（CRC）是一種最常見(jiàn)的消化道惡性腫瘤。在我國(guó)，CRC是高發(fā)病率和高致死性癌癥（分別排第二和第四位）[1]。

雖然老年CRC的發(fā)病率在持續(xù)下降，但是發(fā)病年齡在50歲之前的年輕CRC（也稱早發(fā)性CRC）卻呈現(xiàn)全球性的增長(zhǎng)趨勢(shì)[2, 3]。既往研究表明，年輕CRC不斷攀升的發(fā)病率，與篩查在年輕人群中的推廣沒(méi)有關(guān)聯(lián)[2]。

從臨床特征上看，年輕CRC在發(fā)病部位、嚴(yán)重程度上都與老年CRC有差異[4]。大量的研究表明，腸道微生物與老年CRC之間存在關(guān)聯(lián)[5, 6]。腸道微生物菌群及其代謝物，對(duì)老年CRC有較好的判別能力。

由于腸道菌群會(huì)隨年齡變化[7]，老年CRC研究中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)志物不一定適用于年輕CRC。

近期，復(fù)旦大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院馬延磊團(tuán)隊(duì)，通過(guò)構(gòu)建大型年輕和老年CRC的多組學(xué)隊(duì)列，在糞便微生物宏基因組和代謝組水平，發(fā)現(xiàn)了年輕CRC特有的細(xì)菌物種、代謝物和酶基因；并基于糞便“細(xì)菌物種-代謝物-酶基因”標(biāo)志物開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)模型，進(jìn)一步推動(dòng)糞便多組學(xué)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)在CRC篩查中的應(yīng)用。該成果發(fā)表在國(guó)際著名期刊Gut上[8]。

文章截圖

去年，馬教授團(tuán)隊(duì)就已在Nature Communications上發(fā)表年輕CRC與腸道菌群的關(guān)聯(lián)研究，這是該領(lǐng)域的第一個(gè)大隊(duì)列研究[9]。研究者通過(guò)疾病-對(duì)照的研究設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)年輕CRC關(guān)聯(lián)的糞便微生物標(biāo)志物有別于老年CRC。

腸道微生物對(duì)宿主的影響很可能是通過(guò)其分泌的代謝物，直接或間接地與宿主作用[10]。如果能找到微生物與宿主作用的代謝物，這將推進(jìn)腸道微生物與CRC的機(jī)理研究。

為此，研究者繼續(xù)采用疾病-對(duì)照的研究思路，總共招募了441位志愿者，包括114位年輕CRC患者（EO-CRC），100位年輕對(duì)照（EO-CRC）；130位老年CRC患者（LO-CRC），97位老年對(duì)照（LO-Control）。研究人員給這些志愿者提供的糞便樣品做了高通量宏基因組測(cè)序和高通量代謝組分析（圖1）。

圖1：文章中搭建的隊(duì)列的組成和數(shù)據(jù)信息。

宏基因組分析顯示，年輕和老年CRC患者的糞便微生物菌群譜都有別于健康對(duì)照（P=0.001）。研究者發(fā)現(xiàn)，年輕和老年CRC患者糞便菌群的多樣性都顯著低于健康對(duì)照（年輕P=0.0074；老年：P=0.0039）。

在細(xì)菌組成上，106個(gè)細(xì)菌物種的豐度在年輕CRC和年輕對(duì)照中有顯著差異（P<0.05），335個(gè)細(xì)菌物種的豐度在老年CRC和老年對(duì)照中有顯著差異（P<0.05）。

最為顯著的信號(hào)是，年輕和老年CRC患者都缺乏丁酸鹽合成菌，如普拉梭菌（F. prausnitzii）、直腸真桿菌（E. rectale）、羅氏弧菌（R. intestinalis）等（圖2），這些細(xì)菌被以往研究多次報(bào)道富集在健康對(duì)照組[5, 6]。

另一方面，年輕和老年CRC患者都富集一些細(xì)菌，如脆弱擬桿菌（B. fragilis），卵形擬桿菌（B. ovatus），多形擬桿菌（B. thetaiotaomicron）和不解糖卟啉單胞菌（P. asaccharolytic）。其中，脆弱擬桿菌和不解糖卟啉菌是已知的炎癥反應(yīng)激發(fā)菌，有致癌潛能[11, 12]。

此外，年輕和老年CRC也有各自不同的特征細(xì)菌。例如，年輕CRC的特征表現(xiàn)為Flavonifractor plautii（Fp）和普通擬桿菌（B. vulgatus）富集，而老年CRC的特征表現(xiàn)為具核梭桿菌（F. nucleatum）的富集。Fp分泌的酶能高效地將人A型血轉(zhuǎn)換成O型血[13]，但人們對(duì)這個(gè)細(xì)菌和CRC的關(guān)系還知之甚少。

圖2：癌癥組和健康對(duì)照組中富集的細(xì)菌。LO-CRC：老年結(jié)直腸癌組；EO-CRC：年輕結(jié)直腸癌組；LO-Control：老年健康對(duì)照組；EO-CRC：年輕健康對(duì)照組。

糞便代謝譜分析發(fā)現(xiàn)，167個(gè)代謝物在年輕CRC和對(duì)照組中有顯著差異（P<0.05），162個(gè)代謝物在老年CRC和健康對(duì)照中有顯著差異（P<0.05）。

年輕和老年癌癥組都發(fā)現(xiàn)了全氟辛基磺酸的富集，這是一種潛在的外毒素[14]。然而，年輕和老年CRC在代謝譜特征上有顯著差異，具體表現(xiàn)為：年輕CRC富集氨酸、L-天冬氨酸、色氨酸及其衍生物、膽汁酸和膽堿；而老年CRC缺少精氨酸、乙酸和乙醛。

代謝譜特征很可能跟微生物的代謝活動(dòng)有關(guān)聯(lián)，因此研究者從宏基因組測(cè)序數(shù)據(jù)中分析微生物酶基因的組成，并聚焦于氨基酸和脂質(zhì)代謝。

他們發(fā)現(xiàn)膽酸（初級(jí)膽汁酸）和脫氧膽酸（次級(jí)膽汁酸）合成酶基因cbh在年輕CRC中富集，這與代謝譜中發(fā)現(xiàn)膽汁酸在年輕癌癥患者中富集互相驗(yàn)證。并且，膽酸和脫氧膽酸是已知的潛在致癌物質(zhì)[15]。

在細(xì)菌-代謝物-酶基因的關(guān)聯(lián)分析中，年輕CRC的特征表現(xiàn)為富集肉食相關(guān)普通擬桿菌，富集膽堿代謝物，以及缺少膽堿代謝相關(guān)酶基因pldB。老年CRC的特征表現(xiàn)為富集聚核梭桿菌和不解糖卟啉單胞菌，缺少乙酸和L-精氨酸，以及富集乙酸代謝酶atoA和atoD基因。

既然找到了CRC的特征，那么如果將這些標(biāo)志物應(yīng)用于癌癥預(yù)測(cè)，可能會(huì)有很好的應(yīng)用前景。為此，研究者基于細(xì)菌物種組成、代謝物水平和酶基因豐度，使用隨機(jī)森林方法構(gòu)建分類器，并且在一個(gè)獨(dú)立隊(duì)列中驗(yàn)證預(yù)測(cè)效果（24位年輕CRC和24位年輕對(duì)照；38位老年CRC和22位老年對(duì)照）。

在測(cè)試集中，細(xì)菌物種、代謝物和酶基因?qū)夏闏RC的預(yù)測(cè)效果較好，AUC（一種模型評(píng)價(jià)指標(biāo)，值越大，評(píng)判效果越好）分別為78.17%、78.47和81.22%。當(dāng)三種標(biāo)志物組合在一起時(shí)，構(gòu)建出來(lái)的模型預(yù)測(cè)效果最好，AUC可以達(dá)到82.36%（圖3）。

在年輕CRC中，也是細(xì)菌物種-代謝物-酶基因三種標(biāo)志物的聯(lián)合預(yù)測(cè)效果最佳，AUC達(dá)到78.47%。在細(xì)菌物種、代謝物和酶基因分別構(gòu)建分類器時(shí)，預(yù)測(cè)模型分別用到49個(gè)細(xì)菌物種、36個(gè)代謝物和59個(gè)酶基因。而在細(xì)菌物種-代謝物-酶基因的聯(lián)合模型中，只用27個(gè)標(biāo)志物就能達(dá)到比單一數(shù)據(jù)類型更好的效果。

圖3：基于糞便細(xì)菌-代謝物-酶基因標(biāo)志物的對(duì)年輕和老年結(jié)直腸癌的預(yù)測(cè)效果。LO-CRC：老年結(jié)直腸癌組；EO-CRC：年輕結(jié)直腸癌組。

近年來(lái)，隨著年輕人CRC患病率的升高，年輕腸癌患者的篩查成為CRC防控的新挑戰(zhàn)。

馬延磊團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，基于糞便樣品，從細(xì)菌物種、代謝物和酶基因三個(gè)層次挖掘年輕CRC的標(biāo)志物，并且探索這些標(biāo)志物在年輕CRC篩查中的前景，推動(dòng)了基于糞便樣品的CRC無(wú)創(chuàng)預(yù)測(cè)。不過(guò)，由于文章中的驗(yàn)證樣本量小，模型的預(yù)測(cè)效果還需要在更大規(guī)模人群中驗(yàn)證。

綜上所述，該項(xiàng)多組學(xué)研究在菌群譜和代謝譜上，揭示了年輕和老年CRC共有和特有的特征，為今后的CRC致病機(jī)制研究提供了基礎(chǔ)。

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