肠道噬菌体物种丰度降低与人类癌症恶病质相关

《Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle》：Lowered Abundance of Gut Bacteriophage Species Is Associated With Human Cancer Cachexia

　　

背景：癌症恶病质是一种高度医疗需求但缺乏有效治疗的病症。最近的研究暗示细菌肠道微生物组改变与癌症恶病质有关。肠道噬菌体谱，作为健康和疾病的重要微生物组组成部分，是否也与癌症恶病质相关尚不清楚。本研究旨在描述人类癌症恶病质中肠道微生物组改变，重点关注噬菌体。

方法：研究人员对78名恶病质和42名非恶病质患者（53%男性，平均年龄67±8岁）的新诊断、晚期（UICC IV期）胃肠道癌症患者的粪便样本进行了鸟枪法宏基因组测序。恶病质根据国际共识一致的主要标准（根据体重指数[BMI]调整的体重减轻[WL]）定义。获得的DNA短读段用于基于k-mer的、包含噬菌体的参考数据库匹配、从头噬菌体组装和推断微生物组编码功能。研究人员在2022年和2025年生成的宏基因组数据集中重复了基于显著性的统计和面向预测的机器学习分析，以纳入国际病毒分类委员会（ICTV）从基于形态学（有效期至2022年）到修订的基于基因组的噬菌体分类法的最近变化，进入恶病质的微生物组发现。

结果：恶病质和非恶病质患者在BMI（平均20.9 vs 26.4?kg/m²）、WL（平均?6.5 vs ?0.2?kg）、生存期（中位数5 vs 13个月）和临床恶病质领域（例如，C反应蛋白[CRP]和食欲减退）方面存在显著差异（所有p<0.001），但在其他临床协变量（例如，癌症类型）方面无显著差异（所有p>0.05）。基于读段的映射（2022/2025）识别出1,312/1,513个物种（74/39个噬菌体物种），从头组装产生4,184/4,209个重叠群（对应65/39个噬菌体物种）。一致地，两项分析（2022和2025）均显示，普遍恶病质与β多样性（Bray-Curtis距离，PERMANOVA，p<0.05）显著相关，但与α多样性（香农指数，ANOVA，p>0.05）无关；与微生物组编码的解毒功能减少（例如，富集的微生物β-葡萄糖醛酸酶和耗竭的细菌外排泵）以及细菌物种丰度降低（错误发现率[FDR]校正p<0.05）相关（2022：Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia intestinalis、链球菌物种和Lachnospiraceae物种；2025：Faecalibacterium物种、Ruminococcus gauvreauii和Intestinibacter bartlettii）。此外，噬菌体丰度降低与恶病质相关，主要影响双链DNA（2022：Caudovirales、Siphoviridae，FDR校正p<0.05；2025：Myoviridae、Siphoridae，p<0.05）以及单链DNA（2022：Inoviridae、Microviridae，p<0.05；2025：Inoviridae；p<0.05）噬菌体物种。在机器学习模型中，噬菌体是排名靠前的恶病质预测因子（2022：Caudovirales、Siphoviridae；2025：Myoviridae、Siphoridae）。仅考虑噬菌体重叠群时准确率最高（正确分类实例：75.0%–85.8%；AUC：0.703–0.916）。

结论：先前未知的肠道噬菌体与人类癌症恶病质之间的联系，扩展了在显著未满足医疗需求的领域中针对微生物组的基础、转化和临床研究的范围。

试验注册：德国癌症协会研究箱（注册号ST-U069，日期：2018年5月29日）

**论文解读文章**

癌症恶病质（cancer cachexia）是一种以非自愿性体重减轻（weight loss, WL）为主要特征的复杂消耗综合征，影响高达80%的晚期癌症患者，尤其是胃肠道恶性肿瘤患者。该综合征严重损害患者的生活质量、预后和治疗效果，并占癌症相关死亡的20%–30%。尽管近年来出现了一些有前景的早期临床数据（如生长分化因子15[GDF-15]抑制剂ponsegromab），但目前尚无获批的药物用于治疗癌症恶病质。既往基于16S rRNA基因扩增子测序的研究提示，细菌肠道微生物组（gut microbiome）的改变与癌症恶病质相关，但作为微生物组重要组成部分的肠道噬菌体（gut bacteriophage）是否也参与其中尚不清楚。噬菌体是感染细菌的病毒，可通过裂解宿主、整合为前噬菌体（prophage）或转导基因等方式影响细菌群落，进而调节宿主代谢和免疫反应。然而，肠道噬菌体组（phageome）的研究仍处于新兴阶段，面临数据库不完整、分类标准更新等挑战。国际病毒分类委员会（International Committee on Taxonomy of Viruses, ICTV）于2022年将噬菌体分类从基于形态学改为基于基因组的方法，取消了Caudovirales目和Siphoviridae科等大型分类单元，这给不同研究间的比较带来了困难。

为此，研究人员开展了一项单中心横断面病例对照研究，旨在通过鸟枪法宏基因组测序（shotgun metagenomic sequencing）比较恶病质与非恶病质晚期胃肠道癌症患者粪便样本中肠道微生物组的差异，特别关注噬菌体。研究共纳入120名新诊断、晚期（UICC IV期）胃肠道癌症患者，其中78名为恶病质患者，42名为非恶病质患者。恶病质定义依据国际共识标准（根据体重指数[body mass index, BMI]调整的6个月内WL）。研究人员分别在2022年和2025年对宏基因组数据集进行分析，以评估ICTV分类修订对结果的影响。研究得出以下结论：肠道噬菌体物种丰度降低与人类癌症恶病质显著相关，且噬菌体信号在机器学习模型中具有高预测性能，而先前未知的该联系拓展了微生物组靶向研究的范围。该论文发表在《Journal of Cachexia, Sarcopenia and Muscle》。

**主要关键的技术方法**（不超过250字）
研究人员采用的技术方法包括：从120名晚期胃肠道癌症患者（来源：德国Asklepios医院Barmbek肿瘤科）粪便样本中提取总DNA，进行鸟枪法宏基因组测序（Illumina NovaSeq 6000，2×150 bp双端模式，平均测序深度>10 Gb/样本）。利用k-mer-based软件Kraken2匹配NCBI核苷酸（NT）数据库进行读段级分类与丰度估计（Bracken校正），并在2022年（基于形态学ICTV分类）和2025年（基于基因组ICTV分类）分别进行两次分析。同时，使用Metaviral-SPAdes进行从头组装病毒重叠群（contigs），并通过BLASTn注释；应用VIBRANT判定噬菌体生活方式（裂解性或溶原性）。功能注释基于整合基因目录（IGC）映射KEGG正交组（KO）。在统计方法上，采用双尾非配对t检验和LinDA分析进行差异丰度检验，并用Benjamini-Hochberg错误发现率（FDR）校正。机器学习采用随机森林（RF）模型，结合特征选择与代价敏感元分类器，通过十折交叉验证评估预测性能。

**研究结果**

**3.1 研究人群基线特征**
通过招募120名转移性癌症患者（UICC IV期），其中78名恶病质患者与42名非恶病质患者在BMI（20.9 vs 26.4 kg/m²）、WL（?6.5 vs ?0.2 kg）、总生存期（中位数5 vs 13个月）以及临床恶病质领域（C反应蛋白[CRP]水平、食欲减退、食物摄入、ECOG体能状态[PS]）方面均存在显著差异（所有p<0.001），而在癌症类型、性别、年龄、生活方式、合并症等协变量上无显著差异（p>0.05）。Kraken2读段映射在2022年鉴定出1,312个物种（含74个噬菌体/病毒物种），2025年鉴定出1,513个物种（含39个噬菌体/病毒物种）；从头组装分别获得4,184和4,209个重叠群（对应65和39个噬菌体/病毒物种）。层次聚类显示物种丰度与癌症类型无关。

**3.2 肠道微生物组组成、细菌分类和微生物组编码功能与癌症恶病质的关联**
α多样性（香农指数）在恶病质与非恶病质患者间无显著差异（ANOVA，2022年：p=0.066；2025年：p=0.058），而β多样性（Bray-Curtis距离）与恶病质显著相关（PERMANOVA，2022年：p=0.035，R²=0.16；2025年：p=0.028，R²=0.19）。在细菌物种水平，2022年分析发现6个物种（Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia intestinalis、Streptococcus物种及3个Lachnospiraceae物种）在恶病质患者中丰度显著降低（FDR校正p<0.05）；2025年再分析发现6个物种（Faecalibacterium物种、Ruminococcus gauvreauii、Intestinibacter bartlettii）同样降低。功能分析显示，恶病质相关微生物组编码的解毒功能降低，包括富集的微生物β-葡萄糖醛酸酶（KO1195）和耗竭的细菌外排泵（O6902），提示肠道微生物组清除毒性化合物的能力减弱。

**3.3 读段分析中肠道噬菌体改变与癌症恶病质的关联**
基于2022年形态学ICTV分类的Kraken2映射，发现两种双链DNA（dsDNA）噬菌体物种（Siphoviridae和Caudovirales）在恶病质患者中丰度显著降低（FDR校正p<0.05），此外Myoviridae、Inoviridae和Microviridae等单链DNA（ssDNA）噬菌体也呈现名义显著降低（p<0.05）。2025年基于基因组ICTV分类的再分析中，未发现满足严格FDR校正的双重显著噬菌体物种，但3种dsDNA噬菌体（Myoviridae物种CtyF119、Siphoridae物种CtDDY10和CtXQ92）及1种ssDNA噬菌体（Inoviridae物种）在恶病质患者中名义显著降低（p<0.05）。

**3.4 组装分析中肠道噬菌体改变与癌症恶病质的关联**
通过MetaviralSPAdes从头组装病毒重叠群，2022年分析共获得4,184个重叠群（88.4%可注释到物种），其中Caudovirales、Myoviridae、Siphoviridae、Bacteriophages和Microviridae等噬菌体在恶病质组中丰度显著降低（t检验和LinDA分析均p<0.05）。VIBRANT分类表明多数显著差异的噬菌体（12/13）为裂解性噬菌体。2025年再分析获得4,209个重叠群（93.0%可注释到704个物种），其中两种dsDNA噬菌体（Myoviridae物种和Siphoridae物种）及一种ssDNA噬菌体（Inoviridae物种）在恶病质患者中丰度名义显著降低（p<0.05）。

**3.5 机器学习模型预测恶病质状态**
基于Kraken2映射物种丰度训练的随机森林（RF）模型，在2022年和2025年数据集上分别正确分类70.0%和71.7%的实例，ROC-AUC分别为0.704和0.727。dsDNA噬菌体（2022年：Caudovirales、Siphoviridae；2025年：Myoviridae物种CtyF119、Siphoridae物种CtDDY10）在特征重要性中排名靠前。基于从头组装噬菌体重叠群丰度的RF模型性能更高：2022年正确分类85.8%，AUC为0.916；2025年正确分类75.0%，AUC为0.703。十折交叉验证的详细指标见补充表。

**讨论与结论**
本研究首次揭示了肠道噬菌体丰度降低与人类癌症恶病质的关联，该信号在基于读段、基于组装、基于显著性统计和面向预测的机器学习方法中一致且可再现。主要发现是恶病质患者肠道dsDNA噬菌体（如Caudovirales、Siphoviridae、Myoviridae和Siphoridae）及ssDNA噬菌体（如Inoviridae、Microviridae）丰度下降，且以裂解性噬菌体为主。与既往研究一致，β多样性而非α多样性在两组间显著差异，Faecalibacterium等细菌丰度降低，但其他物种改变存在异质性。本研究还发现微生物组解毒功能减弱，可能影响抗癌治疗的疗效与毒性。值得注意的是，噬菌体信号的强度在形态学ICTV分类下更强，但在基因组分类下仍可再现，表明分类修订可能影响结论的比较性。然而，研究存在局限性：样本量有限、单中心设计、缺乏纵向数据、协变量影响（如癌症类型）未能完全排除，以及使用BMI调整的WL定义恶病质而非基于肌肉质量测量。未来研究需探索噬菌体与细菌宿主间的因果关系、噬菌体转位入机体的机制，以及噬菌体组调控是否具有治疗潜力。

**研究结论部分翻译**：
本研究首次显示，除了肠道细菌组成和微生物组功能的改变外，肠道DNA噬菌体物种减少与人类癌症恶病质存在关联。这一发现扩展了在显著未满足医疗需求的领域中进行基础、转化和临床微生物组靶向研究的范围。关联并不意味因果关系，研究者希望本研究为后续机制性工作铺平道路，以探索所识别微生物组改变的基础生物学、生物医学相关性和治疗潜力。具体而言，未来工作应探讨：降低的肠道噬菌体信号是否源自前噬菌体、游离噬菌体颗粒或两者兼有；噬菌体丰度下降是否反映了细菌宿主丰度的降低，和/或噬菌体洗脱或转位进入体内的增加；关联是否涉及其他DNA和/或RNA噬菌体；噬菌体丰度变化是否因果性地发生在恶病质过程中，或是对恶病质的反应，或两者兼有；以及肠道细菌组和/或噬菌体组的调控是否具有对抗癌症恶病质的潜力。