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『銳翌成果展』宏基因組學研究膽囊炎-癌轉化過程中的膽道微生物組變化

銳翌基因協助上海交通大學醫學院附屬新華醫院在《Clinical and Translational Medicine》發表了《A metagenomic study of biliary microbiome change along the cholecystitis-carcinoma sequence》,其中宏基因組測序和數據分析工作由銳翌基因完成

 

 

導讀

膽囊癌(GBC)是一種高侵襲性癌癥,也是膽道系統最常見的癌癥類型。GBC患者預后極差,12個月中位和5年生存率低于5%。手術切除是目前治療GBC的唯一選擇。然而,大多數患者由于隱藏的臨床癥狀和缺乏特異性生物標志物,診斷即晚期,已經失去了接受切除手術的可能性。目前GBC的發病機制尚不清楚。遺傳易感性、感染因素和生活方式被認為是GBC發生的原因之一。同時,研究發現慢性結石性膽囊炎(CCC)和GBC的發病率增加有關系。了解CCC和癌變的關系有助于預防和治療GBC。在這項研究中,研究人員試圖呈現慢性膽囊炎黏膜向惡性病變過渡期間患者膽道微生物組的剖面圖。

 

 

文獻ID

英文標題:A metagenomic study of biliary microbiome change along the cholecystitis-carcinoma sequence

中文標題:宏基因組學研究膽囊炎-癌轉化過程中的膽道微生物組變化

雜志:Clinical and Translational Medicine  

發表時間:2020年5月   IF:7.919

通訊單位:上海交通大學醫學院附屬新華醫院

 

 

材料與方法

1)樣本收集:GBC黏膜標本由7個接受膽囊癌根治術的患者提供(沒有做過化療和放療),CCC黏膜標本由7個接受腹腔鏡膽囊切除術的患者提供。同時收集和記錄患者的臨床指標數據。蘇木精和伊紅(H&E)染色證實了GBC和CCC的診斷。粘膜活檢標本的取樣量至少是0.5厘米。取完樣本后迅速用液氮冷凍,并儲存在-80℃環境中。

2)DNA提取。提取試劑盒QIAamp DNA Mini Kit(Qiagen,Hilden,Germany)

3)宏基因組測序。測序平臺Illumina Hiseq X10,每個樣本10G數據量。

 

 

研究成果

1、CCC和GBC患者膽道微生物群組成變化

研究發現,兩組人群在年齡、性別、膽結石數量、CCC持續時間等方面無顯著性差異。物種組成柱狀圖顯示兩組人群微生物結構不同(圖1E)。進一步用PCoA分析比較組間微生物結構,證明存在顯著性差異(圖1A)。而厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門在兩組中共存(圖1B-C),說明其穩定性。α多樣性分析表明,CCC組膽道微生物的多樣性和均勻性顯著低于GBC組(圖1D)。通過LEfSe分析篩選組間具有顯著差異的微生物,共找到25個物種(圖1F)。屬水平上,basidioascus、消化鏈球菌屬、靴耳屬、梭菌屬之間存在正相關關系;種水平上,Peptostreptococcus stomatisFusobacterium mortiferumAcinetobacter juniiEnterococcus faecium之間存在正相關關系,并且在GBC組中顯著富集。

 

圖1 慢性結石性膽囊炎和膽囊癌患者膽道微生物組成變化

 

2、CCC和GBC患者微生物基因功能的差異

采用Bray - Curtis 距離進行的Anosim試驗表明,CCC組和GBC組的膽道菌群組成存在明顯差異(圖2A)。進一步作基因功能注釋分析,結果表明,NAD發育蛋白脫乙酰酶、脫氧核糖核酸酶V、支鏈氨基酸轉運系統透性酶蛋白、分支酸變位酶在GBC組中顯著富集,而古細菌活性腺苷甲硫胺酸以及一些假想蛋白在CCC組中顯著富集(圖2B)。將19927個基因與KEGG數據庫進行比對,發現大多數基因參與新陳代謝活動,特別是能量和碳水化合物的新陳代謝(圖2C)。PCA、PCoA分析結果表明KOs相對豐度也存在組間差異(圖2D)。GBC組中大部分KOs的相對豐度較低,雖然CCC-05的結果與GBC組相似,但研究人員猜測它更容易因嚴重的炎癥而發生惡性變化(圖2E)。

 

圖2 慢性結石性膽囊炎和膽囊癌患者的微生物基因功能差異

 

3、CCC和GBC組的MGS圖譜

通過MGS分析發現,兩組中共有2543個微生物基因相對豐度顯著不同。隨后的相對豐度分析鑒定了10個MGSs,其中4個在GBC組中富集,另外6個在CCC組中富集(圖3A)。CCC和GBC組的MGS之間呈顯著負相關關系,表明兩組之間存在差異(圖3B)。

 

圖3 慢性結石性膽囊炎和膽囊癌患者的MGS分析

 

4、CCC和GBC組差異微生物互作分析

為了評估差異微生物之間的互作關系,文中創建了一個共豐度和共排斥關系的SparCC網絡圖。從圖4可以看出,兩組人群各形成自己的互作網絡,而這兩個網絡圖明顯不同。GBC組菌群間的顯著相關對數和相關強度均高于CCC組菌群。上述結果表明這些微生物之間存在著復雜的互作網絡,但這些相互作用還需要進一步研究。

 

圖4 慢性結石性膽囊和膽囊癌組差異微生物互作分析

 

5、CCC和GBC組微生物參與的碳水化合物活性酶差異

研究發現,膽道微生物中碳水化合物代謝水平很高。用contigs與碳水化合物活性酶(CAZymes)數據庫進行比對,以分析其在CCC和GBC組中的功能差異。Anosim分析證明碳水化合物酶在兩組間存在顯著差異(P=0.001)(圖5A)。CCC組比GBC組擁有更高的碳水化合物活性酶多樣性(圖5B)。LEfSe分析表明GHs、GTs、PLs、GEs在CCC組中顯著富集,而GT77在GBC組中顯著富集。上述結果說明CCC組碳水化合物代謝能力降低。

 

圖5 慢性結石性膽囊炎和膽囊癌患者中碳水化合物活性酶(CAZymes)功能差異

 

 

研究結論

總的來說,該研究發現了CCC患者和GBC患者膽汁菌群的組成差異,并比較了菌群結構和功能與疾病發病機制的關系。雖然隊列數量有限,但該研究通過闡明GBC發展過程中粘膜群落組成的變化,幫助人們進一步理解了GBC腫瘤發生的機制。但是目前的研究還遠遠不夠,未來需要進行基因組學分析,以探索免疫細胞群、宿主細胞表觀基因組和微生物群落之間的相互作用,這對確定膽道微生物群在人類健康和疾病中的多方面作用至關重要。

 

 

亮點

首次鑒定了人膽道粘膜的微生物群特征,并比較了慢性結石性膽囊炎和膽囊癌患者的微生物群落結構和功能差異。該研究結果有助于加深人們對參與膽囊癌發展過程的不同微生物群落的復雜環境的理解。

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