基于宏基因组学揭示结直肠腺瘤患者肠道病毒组特征及其诊断潜力

推荐 为探索结直肠腺瘤早期阶段的微生物群特征，特别是肠道病毒组的变化，西安交通大学第二附属医院等机构的研究人员利用419例腺瘤患者和552例健康对照的公开宏基因组数据，系统分析了病毒组组成、多样性和功能特征。研究发现，腺瘤患者肠道中Microviridae、Podoviridae_crAss-like和Quimbyviridae等病毒家族显著富集，并鉴定出479个差异显著的病毒操作分类单元（vOTU）。随机森林模型显示，病毒和细菌联合标志物对腺瘤的诊断效能显著（AUC=0.82）。该研究为结直肠癌早期诊断提供了新思路。

　　

论文解读
研究背景
结直肠癌（Colorectal cancer, CRC）是全球第三大常见癌症，严重威胁人类健康^1,2,3。其发展通常经历从正常黏膜到腺瘤再到癌变的渐进过程，其中结直肠腺瘤（Colorectal adenoma, CA）被视为关键的癌前病变^6,7。尽管已有研究表明肠道细菌群落的改变与CRC密切相关，但对早期阶段——尤其是腺瘤阶段的肠道病毒组（Virome）特征知之甚少。病毒作为肠道微生物组的重要组成部分，可通过调控细菌群落结构和功能间接影响宿主健康^45,46。因此，深入解析腺瘤患者的肠道病毒组特征对于揭示疾病发生机制及开发新型诊断工具具有重要意义。

研究方法
本研究基于包含54,118个非冗余肠道病毒基因组的宏基因组肠道病毒目录（Metagenomic Gut Virus catalogue, MGV），对来自NCBI Sequence Read Archive的公开数据集进行分析。该数据集包含419例腺瘤患者（包括321例管状腺瘤TA、62例无柄锯齿状腺瘤SSA及36例混合型患者）和552例健康对照的粪便宏基因组数据。研究人员通过以下步骤开展研究：

1. 数据预处理：使用fastp去除低质量序列，并通过Bowtie 2比对去除人类基因组序列^27,28；
2. 病毒组分析：将清洁序列比对至MGV以鉴定病毒组成，计算vOTU相对丰度，并通过Prokaryotic基因预测和功能注释解析病毒特征^30,36；
3. 细菌组分析：利用MetaPhlAn 4进行细菌分类学分析⁴⁰；
4. 统计建模：采用随机森林模型评估病毒和细菌标志物的诊断效能³⁹。

研究结果
1. 腺瘤患者肠道病毒组结构显著改变
研究发现，腺瘤患者肠道病毒组的多样性（Shannon和Simpson指数）与健康对照组无显著差异，但病毒家族组成发生显著变化。其中，Microviridae、Podoviridae_crAss-like和Quimbyviridae的相对丰度在TA患者中显著升高（Wilcoxon秩和检验，P<0.05）。

2. 鉴定腺瘤相关病毒标志物
在vOTU水平上，共发现479个与腺瘤显著相关的标志物。例如，SSA患者中富集的病毒倾向于感染Bacteroidaceae和Lachnospiraceae（图3A-C）。功能注释显示，某些病毒基因（如K01448）在疾病组中呈现差异表达，可能参与细菌细胞壁降解或代谢调控。

3. 病毒-细菌互作网络揭示潜在机制
通过Spearman相关性分析构建病毒-细菌互作网络，发现SSA、TA及混合型患者的病毒与细菌之间存在显著关联（|ρ|>0.2，q<0.05）。例如，Bacteroides uniformis与多种病毒存在强相关性，提示其可能在疾病进展中发挥枢纽作用（图4）。

4. 诊断模型的建立与验证
基于病毒标志物构建的随机森林模型在区分腺瘤患者与健康对照时表现出较高效能（AUC=0.82），且联合病毒-细菌标志物的模型性能进一步提升（AUC=0.82-0.76）。然而，外部验证队列的AUC仅为0.61-0.65，表明模型需进一步优化以适应不同人群。

研究结论与意义
本研究首次系统揭示了腺瘤患者肠道病毒组的特征性改变，发现特定病毒家族（如Microviridae）及其功能基因可能与疾病发展密切相关。通过整合病毒和细菌标志物，研究建立了具有潜在临床应用价值的诊断模型。然而，受限于样本规模和人群异质性，模型的普适性仍需验证。未来需通过更大规模的队列研究和干预实验，进一步阐明病毒-细菌互作的因果机制，推动基于微生物组的精准医学发展。

参考文献

1. Center MM et al. Worldwide variations in colorectal cancer. Ca Cancer J Clin. 2009.
2. Arnold M et al. Global patterns in colorectal cancer. Gut. 2017.
3. Sharma R. Colorectal cancer burden by socioeconomic status. EPMA J. 2020.
4. Nakatsu G et al. Alterations in enteric virome in CRC. Gastroenterology. 2018.
5. Wirbel J et al. Meta-analysis of fecal metagenomes. Nat Med. 2019.