科研 | 克罗恩病复发前个体肠道菌群的动力学变化
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导 读
克罗恩病(CD)是一种慢性、反复发作性肠道炎症性疾病，其病程具有异质性及不可预测性。CD患者会出现肠道菌群紊乱，然而，在CD静止期时肠道菌群的动力学是否有助于增加复发的风险还是未知的。
我们分析了长达2年以上CD静止期患者(45例，217个样本)的肠道菌群动力学变化，旨在找到CD复发前肠道菌群出现的变化，并预测CD的复发。采用机器学习（machine learning）来区分CD静止期时复发和未复发的菌群及临床因素。
与健康对照组相比，CD患者在临床、生物标志物和粘膜修复方面的微生物丰富度显著降低、失调指数明显增加。在45例静止期CD患者中，有12例(27%)在随访期间突然发作。与缓解期相比，处于发作前静止期的患者体内，Christensenellaceae和S24.7的丰度显著降低、Gemellaceae的丰度增加。值得注意的是，在静止期个体微生物的高不稳定性与随后的CD发作高度相关(危险比为11.32，95%置信区间为3-42, P=0.0035)。重要的是，机器学习优先选择的是发作指数及个体不稳定性，来区分复发者和非复发者，而不是临床因素。
CD静止期时个体微生物的高变异会增加后期发作的风险，为个体化的预防性指导治疗提供一个模型。
论文ID
原名：Individualized Dynamics in the Gut Microbiota Precede Crohn’s Disease Flares
译名：克罗恩病复发前个体肠道菌群的动力学变化
期刊：The American Journal of Gastroenterology
IF：10.231
发表时间：2019.02.05
通讯作者：Yael Haberman
作者单位：University of Cincinnati
试验设计
实验设计图
试验结果
1. 缓解期CD患者与对照组相比肠道微生物组组成不同
如前所述，对静止期CD患者进行监测。总体而言，12/45(27%)符合主要结果（主要结果即是临床CD的复发），并且CD的发作是在随访期间发生的。45例患者中有40例进行了纵向抽样（每个患者平均采集5份样本，Figure 1a），如5例只检出1个样品（2个从研究中退出，3个出现CD复发）。图1a中的每一行对应一个静止期的CD患者的粪便样本。将静止期CD样本与17例炎症活动期CD患者和22例健康对照者的粪便样本进行进一步比较，得到256份粪便样本，同时进行粪便钙网蛋白和16S rRNA测序。Table1总结了在活动期和静止期时CD患者和对照组的基线特征。与临床缓解期患者相比，CD活动期患者钙网蛋白水平显著升高(P< 0.01，Table1)。
Table1.患者的人口统计及疾病特征
然而，在CD静止期时，同一患者体内和不同患者之间的钙网蛋白值也会随时间的推移而变化（Figure 1a，圆圈越大表示钙网蛋白水平越高）。通过PCoA分析可以直观地反映样品微生物组成的相似性和差异性（Figure 1b）。健康对照者主要聚集在图的左侧，活动期样本集中在图的右侧，CD缓解样本主要位于两者之间（Figure 1b,c）。微生物多样性对微生物变异的影响很大，我们注意到微生物多样性与微生物的变异性呈很强的负相关性（Figure 1d, e）。
Fig 1. CD活动期、静止期和对照组的肠道微生物组成
MDI（微生物紊乱指数）的增加和微生物丰度的减少与疾病和临床严重程度有关。因此，我们分析了缓解期CD患者的肠道微生物组组成是否恢复到与健康对照组相似的特征，即MDI和微生物丰度的减少。MDI和微生物的丰富度在对照、临床活动期和缓解期样品之间存在显著差异，活动期样本的微生物丰富度值较对照组低，MDI值较高，缓解样品介于对照组和缓解期组之间（Figure 2a）。我们发现在微生物的丰富度和MDI值之间存在明显的负相关性（Figure 2b）。
MDI和微生物丰富度的分类结果如Figure 2c所示。总的来说，既无系统性炎症反应也无黏膜炎症反应的CD患者的肠道微生物与对照组相比仍然存在MDI即菌群丰富度的差异。综上所述，这些数据表明，CD的微生物变化并不完全类似于健康对照组中观察到的“正常”状态，甚至在完全临床、生物标志物和粘膜缓解的CD患者中也是如此。
Fig2. 从临床指标、生物标志物和粘膜修复方面评价对照组与CD活动期患者菌群的丰富度及MDI的差异
2. 复发者和非复发者在发作前缓解期时肠道内微生物组组成之间存在差异
接下来我们想探索，后期出现复发的CD患者与整个随访期间都处于缓解期(非复发)的CD患者肠道内微生物组成是否存在显著差异。在复发者和非复发者之间，粪便中钙网蛋白值值无显著差异，而C反应蛋白和LS值存在差异（Figure 3d）。在研究期间，14%的缓解期患者没有接受过生物制剂、类固醇或小分子药物的治疗。
在PCoA分析中（Figure 3a），复发前期的样本更接近于活动期的样本，而来自非复发期样本更接近于对照组。虽然复发前期和非发作期的MDI之间没有显著差异，但复发者与非复发者的肠道内微生物丰富度和组内β多样性之间存在显著差异（Figure 3c）。复发者和非复发者之间，粪钙网蛋白值无显著性差异，而C反应蛋白和LS值在存在差异（Figure 3d）。
其中拟杆菌门S24.7科、厚壁菌门Gemellaceae和Christensenellaceae、变形杆菌门Sutterella属和Desulfovibrionaceae变化最为突出。有趣的是，与发作患者相比，在未复发患者体内，除了Gemellaceae之外（在复发前期样本中有相对较高丰度之外），其他所有细菌都是未复发患者体内丰富度更高（Fig 3e）。
我们使用随机森林(RF)模型，对可以用来区分复发者和非复发者的分类单元进行优先级排序。17个样本的ROC曲线AUC均为0.78（Fig 4）。对分类贡献最大的类群为Gemellaceae、Christensenellaceae和S24.7（Fig 3f）。将RF缩小到仅使用3个贡献最大的分类单元后，ROC曲线AUC被提高到0.87（Fig 4）。纵向采样中(Fig 3g, h)，复发前期样品的发作指数明显高于非复发期样本，发作指数、微生物丰富度与MDI呈显著相关（Fig 3i）。
Fig3. 复发的CD患者的临床和微生物特征与其他组相比是不同的
3. CD发作前期出现较高的微生物内部变异(或不稳定性)
复发前期和非复发期患者肠道内微生物丰富度和β多样性有显著差异（Fig 3c）。如图所示（Fig 4a），未复发患者的样本相对聚集的更加紧密，β多样性(不稳定性)值较低，为0.46，而发作期患者的样本聚集度相对分散，β多样性(不稳定性)值较高，为0.55。
我们采用机器学习RF对复发者和未复发者的菌群、人口统计学和临床指标三个方面进行优先级排序，以此方法找出两者的差异。最主要的预测变量是发作指数、个体微生物差异性(不稳定性)、BMI、LS和微生物丰富度（Fig 4c）。由于患者之间的微生物分类学特征差异很大，接下来我们将重点放在以社区为基础的个体微生物不稳定性上，以此作为疾病复发的一个预测因子。
个体微生物不稳定性与患者菌群平均丰富度呈负相关，与平均发作指数呈正相关。我们使用纵向样本计算了每位患者最后采集的2、3或4个粪便样本的个体不稳定值。值得注意的是，与未发作的个体相比，发作前期的个体微生物不稳定性明显更高。总的来说，这些结果表明，个体的高不稳定性(变异性)增加了后期CD复发的可能性。
Fig4. β多样性可作为CD复发的预测因子
讨 论
克罗恩病（CD）是一种反复发作性肠道炎症性疾病，该项研究发现了可以预测CD复发的指标，为临床预防性治疗提供了重要的参考依据，课题设计并不复杂，但临床意义重大。文中如有存在翻译不规范的地方还请多多指教，欲了解具体研究内容请下载原文，谢谢。
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