科研速递|丁克峰教授团队揭示循环细菌DNA有望成为结直肠癌早期诊断新型生物标志物
浙江大学医学院附属第二医院大肠外科丁克峰教授团队近日在肿瘤学领域权威期刊Cancer Letters发表了题为Alterations of Circulating Bacterial DNA in Colorectal Cancer and Adenoma:：a Proof-of-concept Study的研究论文。研究报道了结直肠癌患者与健康人群之间循环细菌DNA的差异性改变，探索了循环细菌DNA作为结直肠癌早期诊断新型生物标志物的潜力。该论文的第一作者为肖乾副主任医师，陆玮博士、孔祥兴博士和邵阳博士为共同第一作者，丁克峰教授为通讯作者。
研究背景
探索可用于结直肠癌早期诊断的新型生物标志物是目前的研究热点。近年来，研究者们发现在循环游离DNA（cfDNA）中可检出细菌等微生物DNA。然而，结直肠癌患者的循环细菌DNA是否存在特异性改变，及其能否作为结直肠肿瘤早期诊断新型生物标志物仍有待探索。研究采用了高通量测序技术鉴定结直肠癌与健康人群之间循环细菌DNA的差异性改变，鉴定了结直肠癌相关的循环细菌DNA特征，同时应用机器学习算法构建了结直肠癌早期诊断模型。
研究方法
在这项概念验证性研究（proof-of-concept）中，我们纳入了病理确诊的结直肠癌患者、病理确诊的结直肠腺瘤患者和肠镜筛查阴性的健康人，提取血浆cfDNA并进行25-30X深度的全基因组测序（whole genome sequencing，WGS），过滤去除比对至人类基因组的测序读段，并将剩余测序读段比对至细菌基因组，计算细菌的相对丰度。以结直肠癌患者和年龄、性别匹配的健康人作为发现集，鉴定结直肠癌相关的循环细菌DNA特征。基于差异细菌使用随机森林模型，筛选得到优化的循环细菌DNA特征组合，并在验证集中验证模型的预测效果。此外，我们还在另一验证集中采用测序深度降低至1X的WGS测序检测循环细菌DNA的相对丰度，并初步验证了该模型诊断结直肠肿瘤的特异性。
研究结果
根据循环细菌DNA的相对丰度，我们鉴定得到127个在结直肠癌患者与健康人之间显著差异的循环细菌DNA特征（图1）。我们利用这127个循环细菌DNA的相对丰度建立随机森林模型，并最终获得了由28个循环细菌DNA组成的结直肠癌早期诊断模型。基于这28个循环细菌DNA的相对丰度进行主成分分析，我们发现结直肠癌患者与结直肠腺瘤患者有较大重叠，而与健康人几乎不存在重叠（图2）。
图1. 差异循环细菌DNA特征的火山图
在发现集中，该模型区分结直肠癌患者与健康人的ROC曲线下面积（AUC）为0.98；在验证集中，该模型仍然存在着类似的区分能力。我们更进一步发现，结直肠腺瘤患者的28个循环细菌DNA相对丰度介于健康人和结直肠癌患者之间，并且大多数循环细菌DNA相对丰度更接近结直肠癌患者。在另一验证集中，我们将测序深度降低至1X，并按照同样的流程进行检测。结果表明在发现集中建立的结直肠癌早期诊断模型模型在低测序深度时依然有较好的预测效果，该模型区分结直肠肿瘤患者（结直肠癌患者+结直肠腺瘤患者）与非结直肠肿瘤个体（其他癌症患者+健康人）的AUC为0.86, 区分结直肠癌患者与非结直肠肿瘤个体的AUC为0.97，区分结直肠腺瘤患者与非结直肠肿瘤个体的AUC为0.73（图3）。
图3. 结直肠癌早期诊断模型模型在低测序深度时的ROC曲线。（A）结直肠肿瘤患者VS非结直肠肿瘤个体；（B）结直肠癌患者VS非结直肠肿瘤个体；（C）结直肠腺瘤患者VS非结直肠肿瘤个体
研究结论
本研究证实了结直肠癌患者与健康人群之间循环细菌DNA的差异性改变，并且揭示了循环细菌DNA作为结直肠癌早期诊断新型生物标志物的潜力。
第一作者
副主任医师，肿瘤学博士，硕士生导师。主要从事结直肠专病队列建设、结直肠肿瘤生物学基础和转化研究。
通讯作者
教授、主任医师，国家重点研发计划首席科学家，浙江大学医学部教授、主任医师、博士生导师。浙江大学肿瘤学学位点负责人，浙江大学求是特聘医师。浙江大学医学院附属第二医院副院长、浙江大学肿瘤研究所副所长、浙江省医学分子生物学重点实验室主任。主持国家“十三五”重点研发计划1项，国家自然科学基金7项，浙江省重点研发计划1项以及多项省部级课题。现担任中国抗癌协会理事，中国抗癌协会大肠癌专业委员会候任主任委员；浙江省抗癌协会大肠癌专业委员会主任委员，浙江省肿瘤转移专业委员会主任委员，浙江省医学会肿瘤外科分会副主任委员。
排版编辑：肿瘤资讯-晓彤