结直肠癌发生与肠道菌群的相关性研究

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研究背景与目的:结直肠癌(Colorectal cancer,CRC)是消化道常见肿瘤,中国每年新增结直肠癌37.6万例,死亡19.1万例。人类胃肠道包含丰富多样的微生物群落,聚集了超过100万亿个微生物,其中包含的细菌数量是人类细胞数量的10倍以上,基因组数量是人类基因组数量的100倍以上。目前研究表明CRC前体息肉的粪便菌群改变会通过CRC发生所遵循的两条主要途径即腺瘤途径或锯齿状途径影响CRC的发生。然而,肠道黏膜菌群与CRC的不同早期前体及病变旁正常黏膜的相关性尚未得到充分认识。因此,本研究利用16S r DNA(16S ribosomal DNA)测序技术进行了肠道黏膜菌群相关分析,期望发现结直肠癌在腺瘤途径及锯齿状途径发生过程中肠道黏膜菌群组成、多样性、群落结构差异。同时,我们进行了CRC发生各阶段差异物种筛选和相关菌群功能预测为深入探究肠道菌群在结直肠癌腺瘤途径和锯齿状途径发生中的作用及功能机制奠定基础,并以肠道菌群为切入点为结肠癌的分子诊断及靶向治疗提供依据。材料与方法:1.2021年2月至2021年5月在绵阳市中心医院内镜中心收集诊断为正常对照组黏膜,息肉及息肉旁4-5cm正常黏膜标本,癌及癌旁4-5cm正常黏膜标本。根据内镜诊断及苏木精-伊红染色纳入正常对照组(N)黏膜15例,腺瘤性息肉(A)及腺瘤性息肉旁黏膜(ATA)30例,增生性息肉(HP)及增生性息肉旁黏膜(ATHP)12例,锯齿状息肉(SA)及锯齿状息肉旁黏膜(ATSA)13例,结直肠癌(CA)及癌旁黏膜(ATCA)17例。2.分别对收集的159份肠黏膜样本提取DNA,利用16S r DNA扩增子技术进行菌群测序;将操作分类单元(Operational Taxonomic Units,OTUs)比对至Silva138数据库进行物种注释并通过SVG软件获得物种丰度数据;使用QIIME 2软件计算样本α多样性;R软件评估样本β多样性并以主坐标分析(Principal Co-ordinates Analysis,PCo A)图表示,Anosim统计检验群落差异性;线性判别分析效应量(Linear discriminant analysis effect size,LEf Se)筛选各分组间菌群组成的差异物种;基于未观测状态的重建对群落的系统发育调查(Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States,PICRUSt)进行相关菌群基因组代谢通路预测。结果:1.物种相对丰度显示腺瘤性途径病变过程中的正常对照组、腺瘤性息肉、腺瘤性息肉旁黏膜和锯齿状途径病变过程中的正常对照组、增生性息肉、增生性息肉旁黏膜、锯齿状息肉、锯齿状息肉旁黏膜菌群在门水平主要由厚壁菌、变形杆菌和拟杆菌组成;属水平主要由拟杆菌、梭杆菌、大肠杆菌-志贺氏菌组成。结直肠癌和癌旁黏膜菌群在门水平主要由厚壁菌、梭杆菌和拟杆菌组成;属水平主要由链球菌、拟杆菌、梭杆菌组成。2.菌群多样性和丰富度分析揭示在腺瘤途径过程中,结直肠癌黏膜菌群多样性低于正常对照组;正常对照组、腺瘤性息肉、癌组织黏膜之间菌群丰富度均无明显差异;癌组织黏膜与正常对照组和腺瘤性息肉的群落结构存在明显差异。锯齿状途径过程中,癌组织黏膜菌群多样性低于正常对照组;增生性息肉的菌群丰富度明显高于锯齿状息肉和结直肠癌黏膜;结直肠癌与正常对照组、增生性息肉、锯齿状性息肉的群落结构均存在明显差异。3.LEfSe差异物种筛选发现腺瘤途径中,正常对照组有5个差异菌群富集,腺瘤性息肉有4个差异菌群富集,结直肠癌有9个差异菌群富集。锯齿状途径中,增生性息肉有2个差异菌群富集,锯齿状息肉有10个差异菌群富集,结直肠癌有10个差异菌群富集。4.PICRUSt功能预测确定在腺瘤途径病变过程中,正常对照组菌群主要富集在3个代谢通路,腺瘤性息肉菌群主要富集在1个代谢通路,结直肠癌菌群主要富集在14个代谢通路。锯齿状病变途径中,正常对照组菌群主要富集在2个代谢通路,增生性性息肉菌群主要富集在1个代谢通路,锯齿状息肉菌群主要富集在1个代谢通路,结直肠癌菌群主要富集在5个代谢通路。结论:1.正常患者、腺瘤性息肉患者、增生性息肉患者、锯齿状息肉患者和结直肠癌患者在门、属水平的优势菌群及丰度存在差异。无论是腺瘤途径还是锯齿状途径随着肿瘤的发生均表现为梭杆菌的增多。2.结直肠癌患者的黏膜菌群多样性明显低于正常患者,结直肠癌黏膜与正常黏膜或其他病变黏膜存在明显的菌群群落结构分离。3.梭杆菌、脆弱拟杆菌、细毛菌等细菌可能参与了结直肠癌的发生发展。4.结直肠癌黏膜菌群富集的功能多于正常对照组和其他病变组,同时腺瘤途径和锯齿途径结直肠癌菌群均参与了氨酰基t RNA生物合成、翻译蛋白、氨基糖和核苷酸糖代谢、核糖体等代谢通路。
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