基于高通量測序技術的潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者腸道菌群多樣性的研究＊

丁龐華，李軍祥，郭 一，毛堂友，趙興杰＊＊

（1.北京中醫藥大學東方醫院 北京 100078；2.北京中醫藥大學 北京 100029）

潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC）是一種病因尚未明確，病變呈連續性，可累及直腸、結腸的黏膜層及黏膜下層的慢性非特異性炎癥性疾病[1]，主要影響15-40歲的中青年人。UC屬于終身疾病，臨床上以腹痛、腹瀉、黏液膿血便等為主要表現，其病程反復遷延不愈，以發作、緩解和復發交替為特點，嚴重影響患者的生活質量，因此被世界衛生組織列為現代難治病之一，也是目前消化領域的研究熱點。隨著近年來生活水平的提高、飲食結構、生活習慣的改變、環境的變化，以及診斷技術的不斷進步，UC的發病率和患病率也呈現出逐年升高的趨勢，我國目前的UC患病率約為11.6/10萬[2]。UC病程遷延不愈，復發率高，UC的嚴重并發癥—潰瘍性結腸炎相關性結直腸癌占UC患者死亡原因的9%-11%[3]。

目前，UC的病因尚不清楚，研究者普遍認為UC的發病與宿主共生的腸道菌群紊亂，免疫功能失調，氧化應激以及炎癥介質的參與等有關[4]。盡管UC發病機制仍不清楚，但腸道內固有菌群的分布與UC的關系是近年的研究熱點。研究者普遍認為UC的發病與宿主共生的腸道菌群紊亂有著密切的關系，認為腸道內菌群是UC發病過程中的啟動和促進因素，在UC的發病機制中起著至關重要的作用[5]。而大腸濕熱證作為活動期UC的最主要證型[6]，其生物學內涵具有重要的研究價值，因此本課題組選取活動期大腸濕熱證的潰瘍性結腸炎患者與健康人群的糞便作為標本，用16S rRNA二代測序的方法檢測標本的菌群豐度及多樣性，從而比較健康人群與大腸濕熱證的潰瘍性結腸炎患者之間腸道菌群的差異，以探討腸道菌群在潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者發病過程中的可能存在的作用。

1 資料與方法

1.1 病例選擇

1.1.1 西醫診斷標準

按照中華醫學會消化病學分會炎癥性腸病學組《炎癥性腸病診斷與治療的共識意見（2012年·廣州）》的診斷標準［7］。

1.1.2 中醫辨證標準

參照2017年中華中醫藥學會脾胃病分會制訂的《潰瘍性結腸炎中醫診療共識意見》［8］。大腸濕熱證診斷標準如下：主癥：（1）腹瀉黏液膿血便（2）腹痛（3）里急后重；次癥：（1）肛門灼熱（2）身熱不揚；（3）口干口苦（4）小便短赤；舌脈：舌質紅苔黃膩；脈滑數。

證型確定:具備主癥2項（第1、2項必備）加次癥1項，參考舌脈即可診斷。

1.1.3 納入標準

（1）符合UC活動期標準的初發型或慢性復發型患者；（2）根據改良Truelove和Witts疾病嚴重程度分型標準，病情屬于輕中度UC；（3）中醫辨證屬大腸濕熱者；（4）年齡18-65歲；（5）自愿參加并簽署知情同意書者。

過去一年于朦朧是這樣度過的：用330天的時間在劇組里演戲，用不在劇組的時間錄制完整張音樂新專輯。工作日夜輪轉無休，于朦朧反而對工作越來越生出眷戀之心，劇組在哪兒，心就定在哪兒。

1.1.4 排除標準

（1）有嚴重并發癥，如局部狹窄、腸梗阻、腸穿孔、中毒性巨結腸、直腸癌、結腸癌及肛門疾病者；（2）妊娠或正準備妊娠的婦女及哺乳期婦女；（3）過敏體質及對多種藥物過敏者；（4）合并肝、腎、造血系統、內分泌系統等嚴重原發性疾病及精神病患者；（5）仍在進行其他潰瘍性結腸炎治療方案的患者；（6）3個月內參加其他臨床研究項目的患者近。

1.2 臨床資料

患者為北京中醫藥大學東方醫院脾胃肝膽科2017-07/2017-12就診為UC的患者；本研究共包括28名志愿者，其中14例潰瘍性結腸炎（UC）隨機選擇同期健康人群14例作為對照組，病例組男性6例、女性8例；對照組男性6例、女性8例。由于抗生素對腸道菌群影響較大，要求所有病例在采樣前均未接受過任何抗生素治療，正常對照者3月內未發生過消化系統疾病,也未使用過抗生素，根據納入標準進行篩選。所有參與實驗者均已簽署實驗知情同意書，且該項目通過北京中醫藥大學東方醫院倫理委員會的批準。

1.3 研究方法

1.3.1 糞便樣本DNA提取、文庫構建及測序

DNA提取：高通量測序對DNA的完整性有較為嚴格的要求。采用糞便DNA提取試劑盒提取糞便組織中DNA，通過Qubit對DNA濃度進行定量，并通過Agilent 2100對DNA完整性進行評價。對DNA質量達到要求的樣本進行文庫構建。

文庫構建：采用獨特的二步PCR方法進行樣本文庫構建。以不同樣本DNA為模板，通過PCR反應完成第一輪擴增。采用磁珠法對PCR產物進行純化后，分別用含有不同index的引物（該引物含有與測序flow cell上面接頭配對的序列、區分不同樣本之間的index序列及懸掛接頭序列的一部分）進行第二輪PCR擴增，再經磁珠純化后，分別用Qubit和Agilent2100對文庫的質量進行檢測。檢測合格的文庫將采用Illumina Hiseq2500高通量測序平臺對樣品進行測序。

本項目采用Illumina公司的HiSeq2500測序儀進行高通量測序。該測序平臺可以針對16S rRNA的一個或多個高變區域進行測序，樣本制備文庫的DNA起始量可低至50 ng。文庫制備完成后，簇生成和測序都在HiSeq2500上完成。

1.3.2 測序結果的生物信息學分析

對測序結果根據不同的標簽序列區分不同的樣品相關序列并建立相應文庫，用CD-HIT軟件進行聚類分析，并進一步完成各文庫中可操作分類單位（operational taxonomic units，OTUs）分析。依托新一代DNA測序儀和計算平臺，經過宏基因組分析技術得到腸道菌群分布。

2 結果

2.1 PCA分析及PLS-DA分析

PCA分析（圖1A）和PLS-DA（圖1B）顯示兩組之間存在顯著差異，Adonis/PERMANOVA多元方差分析和置換檢驗以及Anosim相似度分析均表明潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與健康人群之間有顯著性差異，P值分別為0.008和0.002（圖1）。

圖1 A：PCA分析，B：PLS-DA分析（Clotis：潰瘍性結腸炎組；Healthy：健康人群組）

2.2 門水平分析

結果顯示，潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與健康人腸道菌群的差異（圖2）：其中，大腸濕熱證潰瘍性結腸炎患者的擬桿菌門（Bacteroidetes）和厚壁菌門（Firmicutes）的細菌均低于健康人，但是變性菌門（Proteobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobia）的比例高于健康人；圖3結果示：Alpha多樣性分析：潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者的多樣性均高于健康人腸道樣本。

2.3 潰瘍性結腸炎

大腸濕熱證患者與健康人群的LDA結果，潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與健康人群腸道菌群的豐度之間存在顯著的差異，其中健康人群中以類桿菌科（Bacteroidaceae）、多形桿狀菌（Bacteroides）、硬壁菌門（Firmicutes）、梭菌屬（Clostridia）等為主；潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者以乳桿菌屬（Lactobacillus）、乳桿菌科（Lactobacillaceae）、Erysipelotrichaceae、Erysipelotrichales等為主。以上結果均證實潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與健康人群之間的腸道菌群的整體結構確實存在著顯著的差異（圖4）。

3 討論

潰瘍性結腸炎的發病是一個涉及多因素、多環節共同作用的過程，其中包括遺傳、環境、感染、免疫等多種因素[9]。盡管發病機制尚不明確，多數學者認為環境和遺傳因素、腸道微生態失調、適應性免疫失常和（或）有缺陷的細胞自噬與其發生發展有關，并提出UC的本質可概括為遺傳易感人群中被異常放大的腸道黏膜免疫反應[10]。

圖2 門水平上潰瘍性結腸炎患者與健康人腸道細菌差異（Clotis：潰瘍性結腸炎組；Healthy：健康人群組）

潰瘍性結腸炎是由易感基因、粘膜免疫和腸道微生態等多重因素共同作用所導致的疾病，其具體的發病機制尚待進一步完善與發現，而腸道微生態在其中發揮著極其關鍵的作用。越來越多的研究發現UC中腸道菌群失調，并表現在菌群多樣性的下降以及豐度的改變，且失衡的腸道菌群與UC的疾病活動度有著一定的聯系。NEMOTO等［11］收集了48例潰瘍性結腸炎患者的糞便，結果發現潰瘍性結腸炎患者糞便腸道菌群的多樣性明顯降低。其中，類桿菌和梭狀芽孢桿菌顯著減少，而腸球菌的數量明顯高于健康受試者。王艷等［12］將收治的401例潰瘍性結腸炎患者進行Mayo評分并分期對比，分析其菌群失調度和免疫球蛋白水平發現，疾病活動度與菌群失調程度呈正相關，隨著病情加重，患者的免疫力也逐漸下降。

圖3 潰瘍性結腸炎患者與健康人樣本的Alpha多樣性分析（Clotis：潰瘍性結腸炎組；Healthy：健康人群組）

在腸道內環境維持穩定方面，腸道菌群起到不可或缺的作用；正常的腸道菌群在腸道的防御、物質的合成以及代謝、生長和衰老等諸多方面都起到重要的作用。當腸道菌群發生比例的失調、某些菌株的定位轉移時，腸道疾病就會明顯加重，人體衰老的進程加速，甚至會發生癌變。有研究發現，腸道菌群的失調可能是UC發生、發展的始動環節［13］。UC患者中菌群的結構出現嚴重失衡，如大腸桿菌、假單胞菌屬、沙門菌、空腸彎曲菌、艱難梭菌、瘤胃球菌屬、腸桿菌科、變形菌門、放線菌門等普遍增高;柔嫩梭菌、厚壁菌門、梭菌群Ⅳ、擬桿菌門等均減少[14]。當腸道炎癥發生時，腸道菌群的失衡能夠破壞共生菌群與宿主免疫系統之間的動態平衡，誘發腸道產生免疫反應，導致潰瘍性結腸炎的發生[15,16]。當宿主的腸道菌群發生紊亂時，腸道內大量的致病菌繁殖，破壞了腸道固有的粘膜屏障，同時因為腸道致病菌的侵入，腸道通透性也進一步的被擴大，進而使得大量的細菌及其代謝產物透過固有的黏膜屏障進入到機體，從而影響到腸道的免疫功能，最終導致UC的發生［17］。

有研究認為潰瘍性結腸炎不同中醫證候之間腸道菌群的數量以及豐度存在一定的差異。陳韻如研究發現，相較于潰瘍性結腸炎脾氣虛證的患者，脾胃濕熱證患者的糞便中雙歧桿菌高于前者；而與健康人群相比，脾胃濕熱證患者的糞便中雙歧桿菌、大腸桿菌含量與健康人群無明顯差異[18]。李舒通過16S rRNA高通量測序技術對潰瘍性結腸炎濕熱內蘊、脾胃氣虛、脾虛胃熱單重證型的腸道菌群16S V3-V4區進行測序發現：與健康人群組相比，濕熱內蘊和脾虛濕熱患者厚壁菌門比例較低，以韋榮球菌較為突出。脾虛濕熱患者腸道內的變形桿菌門高于脾胃氣虛患者，而變形桿菌門中的嗜血桿菌中，濕熱內蘊組所占比例均高于另外2個證候。擬桿菌在濕熱內蘊組中高于健康人組。普氏菌在3組證候中均低于健康人。棒狀桿菌在濕熱內蘊患者中高于脾胃氣虛。真桿菌屬在脾胃氣虛組和脾虛濕熱組中低于健康人組[19]。

結合臨床中UC的表現，濕熱是UC的重要病理因素，劉河間在《原病式》中就指出“諸瀉痢皆屬于濕，濕熱甚于腸胃之內，而腸胃怫郁，以致氣液不得宣通而成”。根據UC活動期患者腹痛、腹瀉和黏液膿血便這一最大特點，中醫多將該病歸屬于“腸澼”或“久痢”的范疇，其中大腸濕熱證的病因病機復雜多樣，外感濕熱之邪，或飲食不節，脾胃受傷；或情志不暢，惱怒傷肝，肝氣犯脾；或郁思傷脾，日久導致脾胃虛弱，運化失司，水濕內停，濕郁化熱，濕熱內蘊，濕熱與腸道氣血相搏結，氣血凝滯，化為膿血，從而導致發病。根據最新的有關潰瘍性結腸炎各時期證型的聚類分析結果顯示，大腸濕熱證占所有類型的34.8%，活動期的大腸濕熱證所占的比例可高達48%[6]。且研究認為潰瘍性結腸炎不同中醫證候之間腸道菌群的數量以及豐度存在一定的差異[15,16]。因此，大腸濕熱證作為UC活動期最基本的中醫證型，從腸道微生態角度探索其生物學內涵具有重要的臨床價值與現實意義。

本次研究通過宏基因組學16S rRNA測序技術分析潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與健康人群的菌群構成。在研究中通過PCA分析和PLS-DA發現大腸濕熱證潰瘍性結腸炎患者與健康人之間腸道菌群存在明顯差異；在門水平上兩組之間的腸道菌群存在顯著差異；通過Alpha多樣性分析發現大腸濕熱證潰瘍性結腸炎患者的腸道菌群的多樣性高于健康人群；以及LDA結果顯示大腸濕熱證潰瘍性結腸炎患者與健康人群腸道菌群的豐度之間存在顯著差異。且研究中發現Akkermansia菌在潰瘍性結腸炎患者中處于富集狀態，結合其以往的報道顯示與肥胖和炎癥呈負相關，因此我們大膽提出Akkermansia可能是一種可以破壞腸道粘膜的細菌，在有潰瘍存在的時候更適應其生長與繁殖，屬于大腸濕熱證潰瘍性結腸炎的特異菌種，可能在大腸濕熱證潰瘍性結腸炎的發病過程中起到關鍵性作用，為下一步研究大腸濕熱證潰瘍性結腸炎相關菌群以及大腸濕熱證潰瘍性結腸炎的相關微生物學機制提供一定的基礎。

本研究作為初步探索性研究，結果提示潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者的腸道菌群較正常人有一定差異。有學者研究發現潰瘍性結腸炎腸道菌群的分布與中醫的辨證分型之間存在著一定的聯系[18,19]。這為我們進一步挖掘腸道菌群與潰瘍性結腸炎大腸濕熱證之間的相關性，并通過腸道菌群揭示大腸濕熱證的生物學內涵提供了重要的前期基礎。本次研究中發現了潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與正常人之間腸道菌群的差異，其中某些菌群的特異性的增加或減少導致了腸道菌群的失衡，可能破壞了人體免疫平衡；這為我們進一步研究潰瘍性結腸炎腸道病變的發生發展提供了可能的方向。且本研究所揭示的與UC相關的菌群結構變化特征也將有助于更深入地研究宿主和腸道菌群之間在代謝和免疫等方面的相互作用，并揭示菌群在UC發生發展過程中的作用。本研究運用當前高通量測序技術發現了潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者腸道菌群的特異性，其中某些菌群的改變在今后的進一步的研究中，可作為評價潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者的參考指標，定期檢測某些菌群豐度的改變有助于判斷腸道菌群的恢復情況，對治療效果的評判有重要的臨床價值。

圖4 潰瘍性結腸炎大腸濕熱證患者與健康人群的LDA結果（Clotis：潰瘍性結腸炎組；Healthy：健康人群組）

雖然本次研究能夠觀察到大腸濕熱證的潰瘍性結腸炎患者于正常人之間的腸道菌群之間存在著菌群結構的失調、腸道菌群的結構也發生了相應的改變；但因為本次研究作為初步探索性的研究，樣本量較低可能是導致本次研究與之前其他學者的研究存在一定的差異的原因。因此在今后的研究過程中，我們會進一步的加大樣本量，進行更加詳細的觀察與研究；通過高通量測序方法進一步研究潰瘍性結腸炎不同證候之間腸道菌群的差異，分析在前期實驗過程中存在的特異性菌群在大腸濕熱證潰瘍性結直腸炎中富集的真正原因以及其他相關菌群可能存在的潛在變化，為闡明UC大腸濕熱證的本質提供微生態學依據并對臨床治療潰瘍性結腸炎提供依據。