初诊急性髓系白血病患者肠道菌群差异及与化疗疗效关系

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目的:急性髓系白血病(Acute myeloid leukemia,AML)作为血液系统恶性肿瘤,是成人白血病中的最常见的类型,然而其病因与发病机制仍不明确,有报道称辐射、病毒、遗传背景、个人饮食和生活方式等因素与其发生有关。肠道菌群作为人体微生物的重要组成部分,参与着人体的新陈代谢、肠道屏障完整性的维持以及免疫系统的调节等活动。研究显示肠道菌群与多种疾病的发生发展有关,近些年越来越多的学者将肠道菌群与白血病相联系,有学者提出通过分析肠道菌群结构可将白血病患者与健康人群进行区分。在小鼠模型中,发现抗生素的使用可抑制骨髓的造血功能,且肠道菌群在该过程中扮演着重要角色。抗生素作为白血病患者诊疗过程中的重要参与部分,分析抗生素对人体微生物群落的影响,可能有利于治疗过程中感染的控制。有研究指出,肠道菌群在异基因造血干细胞移植后的白血病患者中起着重要作用,如预测急性GVHD的发生及相关死亡率的高低,或是评估发生感染的风险,然而肠道菌群在评估诱导缓解化疗效果方面的相关研究较少。本研究通过分析肠道菌群的组成,探究菌群在急性髓系白血病患者治疗过程中的临床意义,可为白血病患者的治疗提供重要价值。方法:1.研究对象及分组收集经WHO标准诊断为急性髓系白血病的成人患者粪便标本(共25例)作为实验组,按近3月内有无抗生素使用将其分为2个亚组,为使用抗生素组(AML-ABY组,n=19)、未使用抗生素组(AML-ABN组,n=6)。16例患者健康家属及南昌市本地9例健康成人的粪便标本作为对照组(CON组,n=25)。对实验组患者进行随访,共20例患者于本院行诱导缓解化疗,按治疗效果将其分为完全缓解组(AML-CR组,n=11)、未完全缓解组(AML-NR组,n=9)。2.研究步骤:(1)标本采集:实验组中患者粪便标本均在首次入院时进行采集,对照组中家属的粪便标本采集时间与患者采集时间差小于3天,对照组中本地健康成人的粪便标本在检测前1周内取得。标本采集后放入-80℃冰箱保存。(2)目的基因提取与测序:提取总基因组DNA,进行PCR扩增和产物纯化;基于Illumina平台,采用16S r RNA高通量测序技术对细菌的V3-V4区域进行测序;然后对测序结果进行生物信息学分析。(3)对生物学信息分析结果进行统计分析:(1)比较初诊急性髓系白血病成人患者与健康成人之间的肠道菌群差异;(2)比较初诊急性髓系白血病中使用抗生素组及未使用抗生素组的肠道菌群差异;(3)对经诱导缓解化疗的患者进行随访,比较完全缓解组和未完全缓解组的肠道菌群差异。结果:1.在本研究的50例研究对象肠道菌群中,以Bacteroidetes(拟杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Proteobacteria(变形杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)及Fusobacteria(梭杆菌门)五个菌门主要部分,其中Bacteroidetes及Firmicutes占大部分(约80%)。2.采用统计分析所得的observedspecies、PDwholetree、shannon及simpson4个指数对肠道菌群的α多样性进行评估,结果为:AML-ABN组>AML-ABY组、CON组>AML-ABY组,差异具有统计学意义(P<0.05),即使用抗生素组的菌群α多样性低于对照组,并且也低于未使用抗生素组;AML-ABN组的observedspecies、PDwholetree指数均低于CON组(P<0.05),但在shannon及simpson指数中两组之间的差异无统计学意义(P>0.05)。3.采用PCo A分析及UPGMA分析对肠道菌群的β多样性进行评估,发现AML-ABN组、AML-ABY组及CON组三组之间的样本分布可进行明显区分,且样本总体趋势为在本组内实现聚类后再与另两组合并。利用Adonis分析对分组是否有显著差异进行统计,得出CON组与AML-ABN组之间(P=0.009)、AML-ABN组与AML-ABY组之间(P=0.001)、CON组与AML-ABY组之间(P=0.001)的差异均有统计学意义。4.采用LEf Se分析探究AML-ABN组与CON组之间的差异物种,AML-ABN组中相对丰度较高的差异物种为EscherichiaShigella(埃希氏菌-志贺氏菌属)、metagenome、Eubacterium<sub>coprostanoligenesgroup、Eubacterium<sub>ruminantiumgroup;CON组中相对丰度较高的为Fusobacteria(梭菌门)、Actinobacteria(放线菌纲)、Fusobacteriia(梭杆菌纲)、Fusobacteriales(梭杆菌目)、Fusobacteriaceae(梭杆菌科)、Leptotrichiaceae、Dialister(戴阿利斯特菌属)、Leptotrichia、ErysipelotrichaceaeUCG003、Prevotella7(普雷沃氏菌属7)及Fusobacterium(梭杆菌属)共11个物种。5.采用LEf Se分析探究AML-ABN组及AML-ABY组的差异物种,AML-ABY组中相对丰度较高的差异物种是Bacteroidaceae(拟杆菌科)、Clostridiaceae1(梭菌科1)、Bacteroides(拟杆菌属)、Klebsiella(克雷伯氏菌属)、Clostridiumsensustricto1(梭状芽孢杆菌属)及Ruminococcus<sub>gnavusgrou;AML-ABN组中相对丰度较高的差异物种包括Prevotellaceae(普雷沃氏菌科)、Alloprevotella(拟普雷沃菌属)、Roseburia(罗斯氏菌属)、Prevotella9(普雷沃菌属-9)、Eubacterium<sub>coprostanoligenesgroup、Prevotella2(普雷沃菌属-2)、RuminococcaceaeUCG002等共23个物种。6.采用LEf Se分析探究CON组及AML-ABY组的差异物种,在AML-ABY组中富集的物种有Parabacteroides、Tannerellaceae、Klebsiella(克雷伯氏菌属)、Clostridiaceae1、Clostridiumsensustricto1及Ruminococcus<sub>gnavusgroup;在CON组中,相对丰度较高的差异物种有Prevotellaceae(普雷沃氏菌科)、Prevotella9(普雷沃氏菌属9)、Lachnospiraceae(毛螺旋菌科)、Fusobacteria(梭杆菌门)、Fusobacteriales(梭杆菌目)、Fusobacteriales(梭杆菌目)、Fusobacteriia(梭杆菌纲)、Faecalibacterium、Alloprevotella、Romboutsia等共27个物种。7.PICRUSt微生物功能预测分析结果显示,在AML-ABN组、AML-ABY组及CON组的比较中,level 1水平上包括细胞过程、人类疾病、生物体系统、遗传信息处理、代谢和未分类的在内共6大类代谢通路存在组间差异,level 2水平上共38个代谢通路存在组间差异,且这部分代谢通路多在CON组中富集。8.在AML-CR组与AML-NR组的比较中,从observedspecies、PDwholetree、shannon及simpson 4个指数对两组间的α多样性进行比较,发现AML-CR组>AML-NR组,但P>0.05,即AML-CR组与AML-NR组之间的菌群α多样性无明显差异。采用PCo A分析及UPGMA分析对两组肠道菌群的β多样性进行评估,发现AML-CR组与AML-NR组的样本相互混杂,不能区分。使用Adonis分析得出AML-CR组和AML-NR组的组间差异P值(P=0.616>0.05),提示AML-CR组与AML-NR组之间差异无统计学意义。采用LEf Se分析探究两组间的差异物种,可知AML-CR组样本以Bogoriellaceae、Georgenia、Negativibacillus、uncultured富集为主,AML-NR组以Micrococcales、PrevotellaceaeUCG003、LachnospiraceaeUCG001、Coprobacillus富集为主。在PICRUSt微生物功能预测分析中,在level 1水平上包括细胞过程、遗传信息处理、人类疾病的3大类代谢通路存在组间差异,level 2水平上共15个差异代谢通路且这部分通路多在AML-CR组中富集。结论:1.本研究中,人类的肠道菌群在菌门水平上是由Bacteroidetes(拟杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)、Proteobacteria(变形杆菌门)、Fusobacteria(梭杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)五个物种占主要部分的,其中Bacteroidetes及Firmicutes占主要部分。2.急性髓系白血病患者的肠道菌群与健康人群有显著差异,白血病患者肠道菌群的α多样性降低,两者之间的β多样性存在显著差异。3.抗生素的使用将对肠道菌群产生显著影响,使菌群的α多样性呈下降趋势,且β多样性也存在显著差异。4.白血病的罹患及抗生素的暴露将使肠道菌群结构发生显著改变及菌群的代谢通路发生改变,且这部分通路多在白血病患者中下调。5.诱导缓解化疗效果与化疗前肠道菌群整体的多样性无明显相关性,即化疗前菌群整体的多样性不能用于评估诱导缓解化疗的效果,但这可能与近期抗生素的暴露及化疗方案的选择有关。6.虽然组间比较中肠道菌群整体的多样性无显著差异,但仍有菌群组成成分的差异,即存在部分物种丰度的改变及代谢通路的改变。
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