《Nature Communications》| 突破性研究：肠道噬菌体群与溃疡性结肠炎的缓解密切相关！

标题：The phageome ofpatients with ulcerative colitis treated with donor fecal microbiota reveals markers associated with disease remission DOI:10.1038/s41467-024-53454-4

这篇文章是一篇科学研究论文，标题为“The phageome of patients with ulcerative colitis treated with donor fecal microbiota reveals markers associated with disease remission”，发表在《Nature Communications》上。文章主要研究了溃疡性结肠炎（UC）患者接受供体粪便微生物群移植（FMT）治疗后，其噬菌体群（phageome）的变化，并揭示了与疾病缓解相关的标记物。以下是文章的主要内容概述：

研究背景：噬菌体（bacteriophages）在人类肠道微生物群中具有影响力，但在粪便微生物群移植（FMT）研究中，噬菌体相对于细菌的研究较少。研究者使用元基因组学方法，对参与两项双盲随机试验的UC患者进行了噬菌体群的分析。

研究目的：观察噬菌体群在健康状态下的稳定性、在活动性疾病中的失衡、抗生素治疗和FMT的调节作用，并识别与疾病缓解相关的供体噬菌体。

研究结果：

1.健康个体中的噬菌体群在时间上是稳定的。

2.UC患者与健康对照组相比，具有不同的噬菌体群，且噬菌体丰富度较低。

3.抗生素治疗会耗尽噬菌体群。

4.FMT能够改变UC患者的肠道噬菌体群，并且这种改变与供体噬菌体群相似。

5.研究发现与治疗反应相关的特定噬菌体，这些噬菌体在基因组分析中被发现整合在一种属于Oscillospiraceae科的细菌中，这种细菌之前从一位百岁老人中分离出来，预测能产生维生素B复合体（除了B12）。

研究意义：这项研究提供了在不同状态下噬菌体群的深入评估，并表明追踪噬菌体群有助于识别疾病活动和解决的决定因素。

研究方法：使用了元基因组学方法对粪便DNA提取物进行分析，没有事先进行病毒样颗粒（VLP）纯化。

研究限制：研究结果是基于没有VLP纯化的元基因组测序数据，因此无法区分温和噬菌体和前噬菌体。此外，由于数据是DNA测序，因此也鉴定出了一些真核DNA病毒。

未来方向：研究提出了未来工作的方向，包括优化VLP纯化和测序协议，探索与噬菌体相关的维生素B复合体水平，以及验证Oscillospiraceae细菌CE91-St42及其噬菌体与FMT后临床缓解的关联。

背景介绍

噬菌体（Bacteriophages）在人体肠道微生物群中的作用：噬菌体在人体肠道微生物群中具有重要影响，但相对于细菌的研究来说，噬菌体的研究还比较缺乏。

粪便微生物群移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）：FMT是一种治疗策略，通过将健康供体的微生物群转移到接受者体内，已经在一些研究中显示出对UC患者的疗效，但大多数研究关注微生物群的细菌部分。

噬菌体群（Phageome）与疾病的关系：噬菌体群在健康状态下是稳定的，但在活动性疾病中会出现失衡（dysbiosis），并且在FMT治疗中可能影响结果。

溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）的治疗：UC主要通过免疫疗法治疗，但直接操纵微生物群也显示出一定的成功，尤其是FMT。

FMT研究中的噬菌体群：尽管噬菌体群在调节细菌多样性和FMT治疗结果中的作用已被证实，但关于UC中噬菌体群的研究结果并不一致，这强调了需要进一步的、控制良好的研究来检查活动性UC、FMT后以及FMT诱导的疾病缓解中的噬菌体群。

研究的重要性和目的：研究旨在通过分析两个独立的随机临床试验中的患者和供体的噬菌体群，来提高我们对UC中噬菌体群以及对FMT治疗反应的理解，并识别可能的疾病活动和解决的决定因素。

研究结果

在两个独立的临床试验中对患者和供体的噬菌体群进行分析

这一部分，文章主要描述了两个独立临床试验中患者和供体噬菌体群（phageome）的分析工作。以下是该部分的主要内容：

试验设计和数据来源：研究者分析了两个独立的临床试验（FOCUS试验和LOTUS试验）中通过元基因组学方法得到的噬菌体群数据。这些试验涉及UC患者接受FMT治疗。

样本收集和分析：在FOCUS试验中，研究者分析了UC患者（在FMT治疗前、治疗第4周、第8周以及治疗结束后8周）以及供体（包括供体批次和构成批次的个体供体）的样本。在LOTUS试验中，样本包括UC患者在FMT前、抗生素治疗后、FMT第1周至第8周以及维持治疗阶段的样本。

数据集的比较：FOCUS数据集识别了7066个病毒操作分类单元（vOTUs），其中2737个被分类为病毒。LOTUS数据集识别了113271个vOTUs，其中25941个被分类为病毒。vOTU检测的差异可能是由于LOTUS样本的测序深度远大于FOCUS样本。

数据质量评估：研究者通过比较个体供体与供体批次之间的相似性来评估噬菌体检测方法的质量，并使用Jaccard相似性指数（基于vOTU的存在/缺失）来消除由优势噬菌体贡献的偏差。发现包含在批次中的个体供体与批次的相似性显著高于未包含的个体供体。

多样性指标评估：研究者还评估了alpha和beta多样性指标，发现供体批次在vOTU丰富度、均匀度和组成上与构成它们的个体供体有显著差异。

健康个体噬菌体群的稳定性：研究者观察了健康供体随时间变化的噬菌体群行为，并发现即使在长时间内，噬菌体群也表现出稳定性。

UC患者与健康对照的噬菌体群差异：研究者比较了UC患者和健康供体的噬菌体群，发现UC患者在基线时噬菌体丰富度较低，噬菌体群组成与健康对照不同。

数据集中噬菌体群档案的质量评估

这一部分，文章主要讲述了对两个临床试验数据集中噬菌体群（phageome）分析结果的质量评估工作。以下是该部分的主要内容：

数据集设计和比较：研究者利用FOCUS临床试验的设计来评估噬菌体检测策略的准确性。具体来说，他们比较了构成供体批次的个体供体与未包含在批次中的供体之间的相似性。

Jaccard相似性分析：为了评估供体样本与供体批次之间的相似性，研究者使用了Jaccard相似性指数，这是一种基于vOTU（病毒操作分类单元）存在或缺失的相似性度量方法，用以消除由优势噬菌体带来的贡献偏差。

统计显著性测试：研究发现，包含在批次中的个体供体与批次的相似性显著高于未包含的供体（p = 0.0034），这表明噬菌体群分析结果是可靠的。

供体贡献的主导性：研究还发现特定个体供体在构成供体批次时的主导性，这在未来多供体FMT的背景下需要被考虑。

Alpha和Beta多样性指标：研究者评估了alpha多样性（如物种丰富度）和beta多样性（样本间的组成差异），发现供体批次在vOTU丰富度、均匀度和组成上与构成它们的个体供体有显著差异。

主坐标分析（PCO）：通过主坐标分析（PCO）和Aitchinson距离，研究者进一步分析了个体供体与供体批次样本之间的关系，并使用PERMANOVA和PERMDISP测试了组间差异。

数据质量的验证：这些质量评估步骤确保了后续分析的可靠性，为研究者提供了信心，即他们能够准确地比较健康供体与UC患者的噬菌体群。

健康个体的噬菌体群在时间上是稳定的

这一部分，文章主要讨论了在健康个体中噬菌体群（phageome）随时间的稳定性。以下是该部分的主要内容：

研究目的：研究者旨在确定健康个体中噬菌体群的稳定性，以建立一个健康的基准，用于与患有溃疡性结肠炎（UC）的患者进行比较。

样本和时间点：研究者分析了来自FOCUS和LOTUS两个临床试验的健康供体的样本，这些供体经过广泛的临床测试验证为健康，并符合FMT供体的高标准。

样本收集：在FOCUS试验中，14名供体中有13名在0.3至17个月的不同时间点提供了额外的样本。在LOTUS试验中，两名供体分别在44周和70周内进行了纵向样本收集。

噬菌体群的相似性：通过分析，研究者发现供体间的噬菌体群组成在不同时间点展现出高度的相似性，表明噬菌体群在健康个体中随时间是稳定的。

统计分析：研究者使用Bray-Curtis相似性指数和主坐标分析（PCO）等方法来评估供体样本之间的相似性，并使用线性回归分析了供体样本相似性与时间的关系。

结果解释：结果显示，大多数供体样本在不同时间点的噬菌体群组成有70-80%的相似性，这进一步证实了健康个体噬菌体群的稳定性。

个体差异：研究者还注意到，尽管大多数供体显示出高相似性，但也有个别供体的噬菌体群相似性高于或低于平均水平。

结论：研究者得出结论，经过临床确认的健康个体的噬菌体群在时间上是稳定的，这为与UC患者的噬菌体群进行比较提供了有力的对照。

与健康对照组相比，UC患者具有独特的噬菌体群

这一部分，文章主要讨论了与健康对照组相比，溃疡性结肠炎（UC）患者噬菌体群的独特性。以下是该部分的主要内容：

比较目的：研究者旨在比较UC患者和健康供体的噬菌体群，以确定UC是否改变了噬菌体群的组成。

样本分析：研究者分析了FOCUS试验中的UC患者和健康供体的噬菌体群，以确定两组之间是否存在显著差异。

噬菌体群的丰富度和多样性：研究发现，与健康对照组相比，UC患者在基线时（即在FMT治疗前）噬菌体群的丰富度较低，但Shannon多样性指数没有显著差异。

噬菌体群组成差异：UC患者的噬菌体群组成与健康供体存在显著差异，表明UC患者的噬菌体群可能发生了失衡。

统计显著性：研究者使用统计方法（如PERMANOVA和PERMDISP）来测试两组之间的差异，并发现它们在噬菌体群组成上存在统计学上的显著差异。

vOTUs差异分析：研究者进一步分析了在UC患者和健康供体之间差异丰富的vOTUs（病毒操作分类单元），发现33个vOTUs在两组间差异显著，其中32个在供体中富集，1个在UC患者中富集。

特定vOTU的识别：研究者特别关注了在UC患者中富集的vOTU（vOTU_3309），它与多种大肠杆菌（Escherichia coli）基因组有很高的同源性。

结论：研究者得出结论，UC患者的噬菌体群与健康个体存在显著差异，这可能反映了UC患者肠道微生物群的特定变化。

抗生素治疗消耗噬菌体群

这一部分，文章主要讨论了抗生素治疗对噬菌体群（phageome）的影响。以下是该部分的主要内容：

抗生素治疗的目的：文章提到LOTUS试验中包括了对UC患者进行为期两周的三联抗生素治疗（阿莫西林、甲硝唑和多西环素），以改善供体微生物群的植入。

噬菌体群的变化：研究者利用这一设计来评估抗生素治疗对患者噬菌体群的影响，发现抗生素治疗后噬菌体的丰富度下降，这与细菌种类丰富度的减少相一致。

噬菌体群组成的改变：抗生素治疗还导致了噬菌体群组成的变化，有408个vOTUs（病毒操作分类单元）在治疗后与治疗前有显著差异。

特定噬菌体群的相对丰度变化：与预期相反，大多数vOTUs（356个）在抗生素治疗后相对丰度增加，这可能与Enterobacteriaceae（包括大肠杆菌在内的一类细菌）的相对丰度增加有关。

真核DNA病毒的变化：研究还发现，几类真核DNA病毒（如Adenoviridae、Circoviridae和Parvoviridae）在抗生素治疗后与治疗前相比，在患者中的相对丰度发生了变化。

这一部分，文章主要讨论了粪便微生物群移植（FMT）如何改变UC（溃疡性结肠炎）患者肠道中的噬菌体群（phageome）。以下是该部分的主要内容：

FMT对噬菌体群的影响：研究者评估了FMT对UC患者噬菌体群的影响，特别是与安慰剂治疗相比较。

噬菌体群丰富度的变化：在FOCUS试验中（不使用抗生素预处理），FMT治疗后患者的噬菌体群丰富度增加，尽管没有达到供体样本的水平。

噬菌体群组成的改变：FMT导致噬菌体群组成显著变化，趋向于供体样本的组成，而安慰剂治疗则没有这种效果。

vOTUs的差异丰度分析：研究者通过比较FMT前后的差异丰度vOTUs（病毒操作分类单元），识别了与治疗相关的特定噬菌体群。

FMT与安慰剂的比较：在FOCUS和LOTUS试验中，FMT与安慰剂治疗相比，显示出对噬菌体群丰富度和组成的显著影响。

供体样本的影响：在LOTUS试验中（使用抗生素预处理），FMT同样增加了噬菌体群的丰富度，并且对噬菌体群组成有显著影响。

治疗效果的个体差异：研究者注意到不同供体样本对噬菌体群的影响存在差异，某些供体样本在植入噬菌体群方面更为有效。

结论：研究表明，FMT能够显著改变UC患者的肠道噬菌体群，这种改变与治疗效果相关，而安慰剂治疗则没有这种效果。

特定噬菌体与两个临床试验中的治疗反应相关

这一部分，文章主要探讨了特定噬菌体与两个临床试验中粪便微生物群移植（FMT）治疗反应之间的关联。以下是该部分的主要内容：

治疗反应与噬菌体群的关系：研究者旨在确定是否有特定的噬菌体与FMT治疗的成功有关，即是否能在治疗反应者（responders）和无反应者（non-responders）之间发现噬菌体群的差异。

噬菌体群的多样性指标：在FOCUS试验中，研究者比较了治疗反应者和无反应者的噬菌体群丰富度和组成，发现两者之间存在一些差异，尽管这些差异并未达到统计学上的显著性。

vOTUs的差异丰度分析：研究者通过分析vOTUs（病毒操作分类单元）的差异丰度，发现了一些在治疗反应者中特异富集的噬菌体。

跨试验的一致性：研究者进一步比较了FOCUS和LOTUS两个试验中的数据，以确定是否有一致的噬菌体群与治疗反应相关联。

特定噬菌体的识别：研究者识别了一组在两个试验中均与治疗反应相关的噬菌体，这些噬菌体在治疗反应者中富集。

噬菌体宿主和生活方式的预测：研究者预测了这些特定噬菌体的可能宿主，并分析了它们的生活方式（如烈性噬菌体或温和噬菌体）。

与宿主细菌的关联：研究者发现这些噬菌体与Oscillospiraceae科中的一个特定细菌株系有关，这个细菌之前从一位日本百岁老人中分离出来，并且预测能够产生维生素B复合体（除了B12）。

结论：研究表明，特定的噬菌体与FMT治疗的反应有关，这可能有助于未来开发新的生物标志物，以预测和优化FMT治疗的效果。

这一部分，文章主要讨论了与治疗反应相关的噬菌体在维持治疗期间的进一步富集情况。以下是该部分的主要内容：

维持治疗的背景：文章提到LOTUS试验中包括了一个小规模的维持治疗阶段，其中对FMT有反应的患者要么被随机分配到低剂量FMT维持应答，要么退出治疗并在6个月内复发。

噬菌体群在维持治疗中的变化：研究者评估了维持治疗对噬菌体群的影响，发现与诱导阶段一致，维持FMT导致噬菌体群丰富度增加，而停止FMT导致丰富度下降。

噬菌体群组成的一致性模式：尽管患者数量有限，研究者还是在PCO1轴上观察到一致的模式，即维持FMT并保持缓解状态的患者与退出治疗并复发的患者噬菌体群组成相反。

特定vOTUs的变化：研究者测试了与vOTU_151序列相似的11个vOTUs的变化，并发现大多数vOTUs在低剂量FMT期间增加，在治疗停止后减少。

统计学显著性：在这些vOTUs中，有3个（vOTU_2578、vOTU_3315、vOTU_2838）在统计上显著，表明它们与维持治疗和治疗退出期间的噬菌体群变化相关。

结论：研究表明，与FMT诱导阶段反应相关的噬菌体群在维持治疗阶段显示出一致的相对丰度变化，这可能与缓解状态相关。

这一部分，文章主要探讨了与治疗反应相关的噬菌体如何整合进特定的Oscillospiraceae菌株中。以下是该部分的主要内容：

噬菌体与宿主细菌的关系：研究者进一步研究了与FMT治疗反应相关的噬菌体，并探索了它们与宿主细菌之间的关系。

噬菌体的整合证据：文章描述了这些特定噬菌体在基因组分析中的发现，它们被整合进了一个属于Oscillospiraceae科的细菌菌株中，这个菌株之前是从一位日本百岁老人中分离出来的。

基因组尺度的代谢模型：为了理解这个细菌菌株的潜在重要性，研究者构建了一个完整的基因组尺度的代谢模型，并进行了通路富集分析。

维生素B复合体的产生：通过分析，研究者发现这个细菌菌株在代谢输出中富集了与维生素B复合体（B complex）相关的途径，预测这个菌株能够产生除了B12之外的所有维生素B复合体。

对UC的潜在影响：文章讨论了维生素B复合体对UC患者的重要性，包括它们对有益的短链脂肪酸产生的影响，以及UC患者中维生素B5水平降低的情况。

噬菌体的预测宿主和生活方式：研究者使用生物信息学工具预测了这些噬菌体的宿主，并确定了它们的生活方式，发现大多数预测的噬菌体是温和噬菌体。

长读长测序的验证：为了验证这些噬菌体在特定供体中的存在，研究者使用了长读长测序技术，并在有效的供体中发现了与短读长测序数据一致的噬菌体序列。

结论：研究表明，与FMT治疗反应相关的噬菌体整合进了一个特定的Oscillospiraceae菌株中，这个菌株可能对UC患者的治疗反应有重要影响。

讨论

研究结果的解释：研究者讨论了他们的发现，即在健康个体中噬菌体群是稳定的，而在UC患者中噬菌体群的丰富度和组成发生了改变，这些变化可以通过抗生素治疗和FMT调节。

噬菌体群与疾病活动的关系：文章强调了噬菌体群在UC以及微生物群操作中的重要性，并讨论了噬菌体群可能如何影响UC患者的疾病活动。

FMT治疗中噬菌体的作用：研究者讨论了FMT对UC患者噬菌体群的影响，以及这些变化如何与治疗反应相关联。

特定噬菌体与治疗反应的关联：文章讨论了特定噬菌体与FMT治疗反应之间的关联，以及这些噬菌体如何在Oscillospiraceae菌株中整合，这个菌株之前从一位日本百岁老人中分离出来。

Oscillospiraceae菌株的潜在重要性：研究者探讨了Oscillospiraceae菌株可能的代谢功能，特别是它在维生素B复合体生产中的作用，以及这可能对UC患者有何意义。

研究的局限性：文章识别了研究的局限性，包括没有进行VLP（病毒样颗粒）纯化的元基因组测序，以及无法区分温和噬菌体和前噬菌体的问题。

未来研究方向：研究者提出了未来研究的方向，包括优化VLP纯化和测序协议，探索噬菌体与维生素B复合体水平之间的关系，以及验证Oscillospiraceae菌株及其噬菌体与FMT后临床缓解的关联。

治疗潜力：文章最后讨论了这些发现可能如何影响UC的治疗，包括补充与Oscillospiraceae菌株相关的细菌种类或噬菌体的可能性。