朱瑞新/朱立新/郅敏团队：肠道菌群研究采用一级亲属对照的必要性 | Cell Press对话科学家

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2024年6月27日，同济大学生物信息系朱瑞新团队联合中山大学附属第六医院朱立新团队和郅敏团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Medicine在线发表了“Enhanced microbiota profiling in patients with quiescent Crohn's disease through comparison with paired healthy first-degree relatives”的研究论文。为排除宿主遗传及生活环境等混杂因素的影响、定位克罗恩病（Crohn’s disease，CD）缓解期关键标志物，该研究收集并整合了148名缓解期克罗恩病患者（CD in remission, CD-R）、活动期克罗恩病患者（active CD, CD-A）、其对应健康一级亲属（Healthy first-degree relatives, HFDR）及非亲属的健康对照者（Non-relative）的粪便宏基因组、靶向短链脂肪酸和炎症血清标志物数据，并纳入了8个队列的克罗恩病粪便微生物宏全基因组测序数据及5个队列的多疾病粪便微生物宏全基因组测序数据进行全面的验证。

“一级亲属”指一个人的父母、子女以及亲兄弟姐妹。该研究通过①使用健康的一级亲属作为对照，有效控制了遗传和环境混杂因素的影响，精确识别了缓解期克罗恩病的微生物特征（Dorea, Fusicatenibacter和Faecalibacterium的丰度降低），并通过抽样分析和大型多中心的外部数据对结果进行了验证。②在此基础上，进一步构建了克罗恩病分类模型，并依次进行外部数据测试和疾病特异性评估，展现了基于一级亲属识别的CD-R微生物特征作为非侵入性标志物的潜力。③此外，多组学证据显示，CD-R中该三种微生物的丰度降低可能进一步减少短链脂肪酸（SCFAs）的产生，从而导致疾病进入活动期 (图1)。

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图1 研究概览

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文作者朱立新教授、朱瑞新教授、郅敏教授进行了专访，为大家做进一步的深入解读。

CellPress：

实验设计中采用一级亲属对照的必要性是？

朱立新教授：

肠道微生物群已被多篇研究证明不仅是克罗恩病（Crohn's Disease，CD）发生发展的重要因素，还在其不同的阶段中扮演着关键角色。尤其是在缓解期CD患者中，异常的肠道微生物群可能对肠道炎症的持续发展起着重要作用。然而，目前对缓解期肠道微生物组成的理解尚不充分，不同研究结果显示出的微生物特征并不一致，造成该争议的原因之一是个体之间差异巨大的混杂因素（confounder）对微生物组的影响。今年5月，复旦大学微生物组中心焦娜/中山大学附属第六医院朱立新/同济大学生物信息系朱瑞新团队受邀在Nature Medicine发表评述[1](链接)，指出在医学研究中，混杂因素如遗传背景、生活方式和环境因素等，可能掩盖真实的因果关系，导致研究结果的错误。控制混杂因素是科学研究中至关重要但也颇具挑战的一步，一方面，在研究设计阶段，研究人员难以控制影响结果的变量以及进行全面的数据收集；另一方面，即使扩大队列规模仍不能有效地消除该因素[2, 3]。我们团队前期研究表明：CD患者健康一级亲属的肠道微生物与克罗恩病的发展无明显关联[4]。因此，在常见的病例-对照（case/control）研究中，招募健康一级亲属作为对照组，可以大大减少混杂因素的影响，因为这些亲属共享相同的遗传背景和环境，特别是在面对混杂因素未知或难以测量的情形下。

CellPress：

除了在实验方案中设计一级亲属对照外，对于已产生的实验数据如何尽可能消除结果异质性？

朱瑞新教授：

结果异质性的主要产生原因是存在混杂因素。除了实验设计阶段构建一级亲属对照外，计算分析过程中还可以引入一系列混杂因素控制（因果分析）算法，以尽可能减少异质性并增强结果的可重复性。其中样本匹配(Matching)和分层(Stratification)是最基础的控制混杂因素思想。在不同的应用场景中，可以选择相应的具体方法。例如，当存在符合条件的SNP作为工具变量时，可运用孟德尔随机化(Mendelian randomization，MR)；在分析复杂的变量结构和明确多变量路径关系时，可采用结构方程模型 (Structural Equation Model，SEM)；分析一个变量是否通过另一个变量影响结果时，可采用中介分析(Mediation Analysis，MA)；而比较同一个体在不同处理条件下的干预效应时，则可应用潜在结果框架(Potential Outcomes Framework，POF)。特别的，在多队列研究中，控制混杂因素的分析策略就是广为熟悉的元分析(meta-analysis)。根据待分析的数据类型，meta-analysis可分为汇总数据（Aggregated data，AD）-meta analysis和个体参与者数据（Individual participant data，IPD）-meta analysis。AD-meta analysis是对已发布的结果进行分析（早期临床医生的常用方法）；而IPD-meta analysis 则从每项研究的原始数据层面进行分析（组学时代生信工作者的常用方法）。值得注意的是，这些方法也可以联合应用。随着大家对结果可靠性或可重复性的日益重视，混杂因素控制已逐渐成为其整体研究方案里的不可或缺步骤。

CellPress：

克罗恩病（Crohn's Disease，CD）在中国的发病率和诊疗情况是怎样的？中山大学附属六院在克罗恩病的诊治和研究上有什么特色？

郅敏教授：

克罗恩病在中国的发病率相对西方国家仍较低，但近年来呈迅速上升趋势。由于克罗恩病的症状多样且非特异性，确诊过程可能较为复杂。通常需要结合临床及内镜检查、组织病理学、影像学检查和实验室检查等进行综合判断。中山大学附属第六医院消化内科作为国家重点专科，自2007年建院以来，这17年来一直致力于IBD以及肠道疑难疾病的综合诊治工作，重视个体化治疗，为患者制定个性化及多学科诊治方案。并通过对患者进行动态监测、严密随访和评估，优化治疗策略。郅敏教授团队积极开展克罗恩病的基础和临床研究，与国内外多家研究机构和医院保持紧密合作，参与多项国际多中心临床试验和研究，致力于探讨克罗恩病的发病机制和优化治疗方案，重视患者教育和同伴教育，始终坚持“教育是最好的药物”，成立 “中山六院常在心”公益团体，用全媒体途径帮助患者及其家属认识疾病、了解疾病管理、治疗选择和生活方式调整，配合医护的治疗，提高生活质量。同时团队也关注难治性IBD的诊治，获得多项国家、省市级的科研经费支持。例如，本研究正是在中山大学5010等项目支持下的一项历经10年的观察性研究，观察了遗传和微生态背景一致的CD患者和一级亲属，以及CD活动期和缓解期之间的差异。

参考文献

1. Jiao, N., L. Zhu, and R. Zhu, The search for authentic microbiome–disease relationships. Nature Medicine, 2024. 30(5): p. 1243-1244.

2.Lloyd-Price, J., et al., Multi-omics of the gut microbial ecosystem in inflammatory bowel diseases. Nature, 2019. 569(7758): p. 655-662.

3.Imhann, F., et al., Interplay of host genetics and gut microbiota underlying the onset and clinical presentation of inflammatory bowel disease. Gut, 2018. 67(1): p. 108-119.

4.Gao, S., R. Zhu, and L. Zhu, Toward the Understanding of Altered Gut Microbiome in Crohn’s Disease: Cause or Consequence. Gastroenterology, 2024. 166(2): p. 353-354.

作者介绍

朱瑞新

教授

同济大学生命科学与技术学院生物信息系教授、博士生导师，兼任同济大学附属第十人民医院特聘研究员。朱瑞新博士领导的课题组研究方向聚焦微生物组与人工智能，包括基于因果推理的微生物与宿主互作；面向合成生物学的微生物资源挖掘；以及面向数据密集型研究新范式的微生物组学分析方法及平台开发。以第一或通讯作者身份(含并列)在包括Nature Microbiology、Nature Ecology & Evolution、Nature Protocols、Nature Communications和Cell Reports Medicine等知名期刊发表SCI论文75篇（截止到2024年6月）。主编出版了国内“计算机辅助药物设计”第一本本科生专业教材：《计算机辅助药物设计：基本方法原理概要与实践详解》（朱瑞新编著，大连理工大学出版社，2011年，ISBN 978-7-5611-6104-3）。任期刊Frontiers in Pharmacology和Frontiers in Microbiology副主编。同时，为以下期刊担任审稿：Nature Medicine、Nature Microbiology、Signal Transduction and Targeted Therapy、Briefings in Bioinformatics、Genomics, Proteomics & Bioinformatics、Journal of Chemical Information and Modeling、Bioinformatics和 Journal of Cheminformatics等。现主持国家自然科学基金面向项目1项（疾病微生物，2022-）、国家重点研发计划子任务1项（IT & BT，2022-）、国家自然科学基金重大研究计划集成项目子课题1项（微生物大数据平台建设，2023-）。已培养出2名独立PI（浙江大学、复旦大学）。

朱立新 

副研究员

中山大学百人计划副研究员，博士生导师，在中山大学附属六院主要从事炎症性肠病相关的分子医学研究。有贡献的领域还包括脂肪肝、肠易激综合症和功能性便秘。曾任美国纽约州立大学布法罗分校State University of New York at Buffalo助理教授（Tenure track），实验室主任，主持国家自然科学基金、国家863高科技研究发展计划、Peter and Tommy Fund, Inc.等课题多项课题。2010年开始从事疾病相关的肠道菌群研究，率先发表了肠道菌群在非酒精性脂肪肝病理发生发展中的作用，以第一兼通讯作者发表在Hepatology（他引1700多次）。朱博士还率先发表了便秘病人肠道菌群结构功能的变化。有关菌群研究的代表性成果第一或通讯作者发表在Nature Communications、Nature Microbiology、Lancet Gastroenterology & Hepatology、Hepatology、Gut和Gastroenterology等高影响力期刊。

郅敏 

教授

中山大学附属第六医院教务处处长，消化内科一区主任、博士生研究生导师、博士后合作导师、中山大学教学指导委员会委员、中山大学教学督导、广东省抗疫先进个人，中华医学会消化病学分会第十二届炎症性肠病学组委员，中华医学会肠外肠内营养学分会第五届委员会肠道微生态学组委员、广东省医学会消化病分会第十一届委员会委员、广东省医师协会消化科医师分会第四届委员、广东省医学会肝病学分会第三届委员会委员、广州市医学会内科学分会第一届委员会委员等学术任职。炎症性肠病公益组织“常在心”创始人及管理者。任期刊Frontiers in Medicne客座副编辑，中华炎性肠病杂志编委、Gastroenterology Report、Journal of Digestive Diseases、Scand J Gastroenterol等期刊审稿专家。国家自然科学基金函评专家，长期致力于炎症性肠病以及肠道疑难疾病的临床及基础研究。主持4项国家自然科学面上及青年基金、参与国家自然科学基金重大研究项目，中山大学5010项目、广州市市科技局重点研发项目等多个课题，并以第一或通讯作者在Gastroenterology、Clin Gastroenterol Hepatol、Endoscopy和Computers in Human Behavior等期刊发表多篇论文。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Medicine，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Enhanced microbiota profiling in patients with quiescent Crohn's disease through comparison with paired healthy first-degree relatives

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666379124003288

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101624

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