基于结构方程模型的纵向微生物组介导分析揭示囊性纤维化临床结局的关键机制

（编辑推荐）本研究创新性地构建了基于结构方程模型（SEM）的纵向微生物组介导分析框架，结合惩罚拟似然估计和去偏lasso方法，解析了囊性纤维化（CF）患者痰液微生物组在临床状态与肺功能（FEV1%）间的中介作用。研究发现链球菌属（Streptococcus）和孪生球菌属（Gemella）分别介导治疗期与恢复期的肺功能下降，α多样性（尤其Observed指数）是疾病侵袭表型影响肺功能的关键介质，为CF的精准干预提供了新靶点。

　　

ABSTRACT
人类微生物组通过介导环境因素对临床结局的影响，在宿主健康和疾病中发挥关键作用。本研究针对纵向微生物组数据的高维特性，开发了基于结构方程模型（SEM）的新型介导分析框架，整合线性混合效应模型（LMM）和去偏lasso技术，应用于囊性纤维化（CF）患者10年追踪的16S rRNA痰液微生物组数据。

INTRODUCTION
微生物组作为动态生态系统，与CF的肺功能衰退密切相关。传统介导分析方法局限于横断面研究，而现代临床研究产生的纵向数据具有复杂层级结构。本研究通过SEM路径分析（图1），首次实现高维微生物组特征在重复测量数据中的因果推断，填补了微生物组介导肺功能动态变化机制的研究空白。

RESULTS
研究设计
分析111名CF患者的631份痰液样本，按临床状态分为基线期、急性加重期、治疗期和恢复期。通过疾病侵袭表型（轻度/中重度）分层，采用线性混合效应模型控制个体内变异。

微生物组与FEV₁%的关联
急性加重期的Observed指数显著高于基线期，而治疗期与恢复期无差异。主坐标分析（PCoA）显示治疗期菌群结构与基线和急性加重期存在显著分化（PERMANOVA P<0.05）。FEV₁%在急性加重期比治疗期高9%，恢复期比急性加重期低11%，提示抗生素干预后肺功能未完全恢复。

微生物分类群介导作用
在急性加重期→治疗期比较中，链球菌属（Streptococcus）是唯一显著介导FEV₁%下降1.621单位的菌属，其相对丰度在治疗期显著降低。而在急性加重期→恢复期比较中，孪生球菌属（Gemella）介导0.94单位的肺功能下降，该菌在恢复期持续低丰度（图5）。

群落水平介导
Observed指数在轻度疾病表型中显著高于中重度，并介导21.061单位的FEV₁%差异。Shannon和Simpson指数在临床状态转换中均显示显著介导效应，提示微生物多样性是连接临床干预与肺功能的关键通路。

DISCUSSION
本研究通过SEM框架揭示：

1. 链球菌属可能通过持续炎症反应加剧治疗期肺功能损伤
2. 孪生球菌属阻碍恢复期肺功能重建的机制可能与口腔菌群易位相关
3. α多样性（尤其Observed指数）是疾病进展的敏感生物标志物

MATERIALS AND METHODS
采用log-nom转化处理微生物组数据的稀疏性和组成性，通过惩罚拟似然估计解决高维共线性。使用限制性最大似然（REML）估计随机效应，采用偏差校正Bootstrap法（3,000次重采样）计算介导效应置信区间。

创新性
首次将Li等提出的高维LMM扩展到SEM介导分析，突破传统方法在纵向微生物组研究中的局限性。通过链球菌属和孪生球菌属的时序动态分析，为CF个性化治疗提供微生物靶标。

局限性
回顾性研究设计存在采样时间异质性，未考虑CFTR调节剂治疗的影响。未来建议采用标准化采样方案结合多组学数据验证发现。

CONCLUSIONS
该研究建立的纵向介导分析框架为微生物组-宿主互作机制研究提供新范式，链球菌属和孪生球菌属的时序特异性作用提示CF治疗需考虑菌群动态演替规律，Observed指数可作为疾病进展预警指标。