探讨肠道微生物群与癌症之间的因果关系 [复制链接]

肠道微生物组直接参与了结直肠癌的发生，但关于肠道微生物组对结直肠癌（CRC）风险影响的流行病学证据大多来自观察性研究，目前还不清楚已确定的微生物改变是导致CRC发生的原因还是结果。

图1孟德尔随机化分析的研究设计

1.单变量MR

排除不符合IV标准的SNP后，个SNP与个微生物性状密切相关。为了评估IV的强度，计算了每个SNP的F值，IV的F统计量介于和之间，均大于10，表明不存在弱工具变量偏差。通过Phenoscanner查询，发现rs与BCR和BR密切相关（P1×10-5），因此删除该SNP，继续进行MR分析。

利用IVW（M）、Wald比率和MREgger方法，我们发现40个微生物性状与CRC、56个微生物性状与CC、43个微生物性状与CR、45个微生物性状与BCR、40个微生物性状与BC、43个微生物性状与BR之间存在潜在的因果关系（P0.05），其中12个微生物性状与CRC、20个微生物性状与CC、12个微生物性状与CR、10个微生物性状与BCR、9个微生物性状与BC、14个微生物性状与BR之间存在明显的因果关系（IVW（M）MR，Pfdr0.2）。结肠和直肠的肠道微生物生物标志物也存在差异。详见图2、图3。

图2微生物性状对恶性肿瘤因果效应的MR森林图

图3微生物性状对良性肿瘤因果效应的MR森林图

关于微生物性状与恶性肿瘤之间的因果关系，IVVW（M）分析表明，链球菌是CRC（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）和CC（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）的显著保护因子。此外，经FDR校正后发现，嗜热链球菌（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）和嗜酸链球菌（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）与CRC存在负因果关系。Eubacteriumventriosum（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）是CC的保护因子；Erysipelotrichaceae（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）、Coprococcussp_ART55_1（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）和Eubacteriumsiraeum（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）对CR有潜在的保护作用。

结果表明，肠道微生物性状与良性肿瘤之间存在因果关系。卵形乳杆菌与BCR（OR=1.12，95%CI=1.01~1.23，P=0.03）、BC（OR=1.12，95%CI=1.01~1.25，P=0.04）和BR（OR=1.17，95%CI=1.02~1.35，P=0.03）呈提示性因果关系。未分类的Sutterellaceae（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.）与BR有因果关系。MREgger分析表明，青春期双歧杆菌对BCR（OR=1.，95%CI：1.~2.，P=0.）和BC（OR=1.，95%CI=1.~2.，P=0.）是一种潜在的危险微生物。

CochransQ统计显示，只有GLYCOCATPWY：糖原降解I：细菌.CC存在异质性（Q=23.，Q_pval=0.）。剔除MR-PROSSO分析中显示水平多向性的SNPs后，IVs中没有异质性（Q_pval0.05）。虽然有一些潜在的生物标志物（如青春期双歧杆菌和Sutterellaceae等）在IVW(M)分析结果中没有显示出相关性，但MR-Egger分析显示这些生物标志物的遗传变异之间存在一定程度的褶积性，而且MR-Egger和MR-PROSSO的结果显示与结果存在潜在的因果关系。此外，MR-Egger分析表明，其他微生物性状不存在水平多向性（P0.05）。MR-PRESSO结果显示，Sutterellaceae和CRC（P=0.，多重SNPs：rs、rs和rs59852）、GLYCOCATPWY：糖原降解I：细菌和CC（P=0.，多态性SNP：rs和rs）、Bilophilawadsworthia和BCR（P=0.，多态性SNP：rs）、Bilophilawadsworthia和BR（P=0.，多态性SNP：rs）、Eubacteriumhallii和BR（P=0.，多态性SNP：rs）。剔除异常值后，结果发生了很大变化，Sutterellaceae与CRC（OR=0.85，95%CI=0.66~1.10，P=0.23）、Bilophilawadsworthia与CRC（OR=0.91，95%CI=0.79~1.06，P=0.）、Eubacteriumhallii与BR（OR=1.，95%CI=0.~1.，P=0.）之间没有因果效应。GLYCOCATPWY：糖原降解I：细菌，Bilophilawadsworthia与CC（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.，Q_pval=0.）和BR（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.,Q_pval=0.）。其他微生物性状的MR-PROSSO结果显示没有水平多效性（P0.05），或者MR-PROSSO无法识别多效性SNPs。此外，MRSteiger分析表明，从暴露到结果之间存在正向因果关系（所有P7×10-5），而且同位分析发现暴露和结果的变化不是由相同的潜在遗传变异引起的（基于PP.H4.abf0.8），这表明因果回归返回的因果效应估计值是无偏的。

我们将这些微生物性状与六种非结肠直肠癌疾病进行了双样本单变量MR分析，以探讨这些细菌是否是结肠直肠癌的特异性生物标志物。结果发现，未分类的苏特雷科细菌也是一种对非酒精性脂肪肝有显著保护作用的微生物（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.），而赤藓红菌科细菌能显著降低肠易激综合征的风险（OR=0.，95%CI=0.~0.，P=0.0）。

2.潜在生物标志物排名

我们使用MR-BMA对名义上与MR结果显著相关的微生物生物标记物进行排序，根据其MIP0.1。对于恶性肿瘤：CRC的前三个生物标志物是假黄杆菌（MIP=0.91，MACE=0.26）、嗜热链球菌（MIP=0.56，MACE=-0.11）和猫科动物球菌（MIP=0.43，MACE=-0.11）。与CC相关的生物标志物有：伽马蛋白菌（MIP=0.20，MACE=-0.03）、Eubacteriumventriosum（MIP=0.17，MACE=-0.03）、Holdemaniaunclassified（MIP=0.15，MACE=-0.02）和Sutterellawadsworthensis（MIP=0.14，MACE=-0.02）。与CR相关的生物标志物是Coprococcussp_ART55_1（MIP=0.45，MACE=-0.09）、Desulfovibrio（MIP=0.36，MACE=-0.11）和Erysipelotrichaceae（MIP=0.17，MACE=-0.04）。

就良性肿瘤而言，BCR的危险因素是类杆菌属（MIP=0.43，MACE=0.）、青春期双歧杆菌属（MIP=0.34，MACE=-0.05）、卵形乳杆菌属（MIP=0.23，MACE=0.03）和未分类的Subdoligranulum（MIP=0.14，MACE=-0.02）。BC的风险因素只有卵形乳杆菌（MIP=0.81，MACE=0.12）。BR的风险因素有三个：酸性球菌科（MIP=0.82，MACE=-0.17）、直肠杆菌科（MIP=0.35，MACE=-0.09）和未分类的Sutterellaceae（MIP=0.15，MACE=-0.02）。所有其他风险因素的MIP均小于0.1。这些生物标志物的MACE方向也与我们的MR结果一致。在对CC和CR的初步分析中，影响点的检测分别突出了rs和rs，它们对分析的影响更大。其余结果中的遗传变异与较大的q统计量或库克距离不一致。

3.微生物风险因素识别

在本节中，我们选择了MIP值排名前10的微生物作为结果的"真正"因果风险因素。其中，MIP大于0.2并与其他分析结果交叉验证的结果如下：在恶性肿瘤方面，嗜热链球菌（MIP=0.36，MACE=-0.）和红细胞菌（MIP=0.，MACE=-0.）是CRC的风险因素。CC中风险最高的微生物性状是通风杆菌（MIP=0.，MACE=-0.）和链球菌（MIP=0.，MACE=-0.）。CR的风险因素包括Erysipelotrichaceae（MIP=0.，MACE=-0.）、Eubacteriumsiraeum（MIP=0.，MACE=-0.）和Coprococcussp_ART55_1（MIP=0.，MACE=-0.）。对于良性肿瘤，BCR的风险因素包括卵形乳杆菌（MIP=0.，MACE=-0.）和青春期双歧杆菌（MIP=0.，MACE=-0.）。而与BC（MIP=0.，MACE=0.）和BR（MIP=0.，MACE=0.）相关的风险因素有卵菌。微生物风险因素鉴定的结果，检测出BR的影响点突出rs，对分析影响较大。其余结果中的遗传变异都没有较大的q统计量或一致的Cd，也没有需要剔除的异常值或影响点。

4.NetMoss分析

利用NetMoss方法，我们发现卵形乳杆菌和未分类的Sutterellaceae是区分腺瘤和健康人群的生物标志物（图4A）。Erysipelotrichaceae,Sutterellaceae,Streptococcus,Bacteroidesovatus和Eubacteriumsiraeum是区分CRC和健康人群的生物标志物（图4D）。上述方法中的这些生物标志物表明它们与CRC的发生有因果关系。同时，我们也发现了一些与MR结果不一致的微生物（图4A-I）。

图4NetMoss结果图

5.中介分析

由于膳食习惯对预防和治疗CRC至关重要，而肠道微生物群可能是不同癌症亚位点和分期的膳食习惯对CRC影响的中介。通过"系数乘积"法，我们共发现了20条膳食习惯调节肠道细菌进而影响CRC发生和发展的因果通路（图5和表3），其中10条因果通路的中介方向与膳食习惯-结果方向一致。包括目前的饮酒状况对CC的影响部分由Eubacteriumventriosum（间接效应（β）=4.，P=0.，中介比例为43.%）中介；膳食纤维对CC的影响部分由Eubacteriumventriosum（间接效应（β）=4.，P=0.，中介比例为43.43.%）；谷物类型：饼干谷物（如维他谷物）可能会通过降低嗜热链球菌的丰度来降低患CRC的风险（β=-0.，P=0.，介导比例：13.%）；摄入过多的铁蛋白会导致嗜热链球菌丰度下降，进而导致患CRC的风险增加（β=0.09，P=0.02，介导比例：34.22%）；卵形乳杆菌介导了矿物质和其他膳食补充剂的影响：钙（β=0.，P=0.，介导比例：11.%）和面包摄入量（β=0.，P=0.，介导比例：12.%）。最后，通过青少年双歧杆菌估计了从不/很少喝牛奶对BCR的间接影响，发现青少年双歧杆菌的中介效应为23.，中介比例为.%。

图5饮食-肠道细菌-大肠癌路径图的介导分析

总结

总之，本研究进行了一项全面的探索性孟德尔随机化研究，发现了6种对恶性肿瘤有保护作用的细菌、2种风险细菌和1种对良性肿瘤有保护作用的细菌。研究结果支持肠道微生物群是CRC病因的假说，而且对不同癌症亚部位和分期的CRC的影响不同，表明微生物对CRC的预防、治疗和改善具有特异性。其中，嗜热链球菌对CRC的保护作用已被细胞和动物实验所验证。同时，中介分析的结果为改变饮食习惯来调节肠道细菌，进而影响不同癌症亚位点和不同阶段的CRC提供了理论支持和实证证据，表明控制肠道菌群可能是特定饮食人群预防结直肠癌的一种有前景的策略。此外，这些发现还为进一步的机理研究（如动物模型或基于生物标志物的人体试验）提供了思路和方向，有助于指导基于微生物群的潜在癌症预防策略的开发和临床转化。