編譯：微科盟索亞，編輯：微科盟索亞、江舜堯。

導(dǎo)讀   研究背景：腸道微生物群通過(guò)微生物及其代謝產(chǎn)物參與結(jié)直腸癌（CRC）的發(fā)病。微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物在結(jié)直腸癌發(fā)生中的重要性表明，沿著腺瘤到癌過(guò)程研究腸道代謝組的變化，以確定其在結(jié)直腸癌發(fā)病機(jī)制中的作用具有重要意義。迄今為止，如何以及哪些微生物和代謝產(chǎn)物相互作用促進(jìn)早期 CRC發(fā)生尚不清楚。本研究的目標(biāo)是確定腸道微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物及其與結(jié)直腸癌發(fā)生的聯(lián)系。

結(jié)果：我們對(duì)386例受試者的糞便樣本進(jìn)行代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)分析，其中包括118例CRC患者，140 例結(jié)直腸腺瘤（CRA）患者和128例正常對(duì)照（NC）者。

通過(guò)偏最小二乘判別分析和主成分分析，我們發(fā)現(xiàn)NC 組、CRA 組和 CRC 組之間腸道代謝產(chǎn)物存在差異。在改變的代謝產(chǎn)物中，正纈氨酸和肉豆蔻酸呈現(xiàn)從NC組到CRA組再到CRC組上升趨勢(shì)。與 CRC相關(guān)的代謝產(chǎn)物富集于    支鏈氨基酸、芳香族氨基酸以及氨酰-tRNA生物合成途徑    。

此外，代謝產(chǎn)物標(biāo)志物（20種代謝產(chǎn)物）將可以鑒別NC組與CRC組，曲線下面積（AUC）為0.80，以及CRC組與CRA組，AUC為0.79    。代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)的綜合分析表明，    CRC    相關(guān)代謝產(chǎn)物和細(xì)菌之間的相關(guān)性在CRC階段發(fā)生了改變；一些關(guān)聯(lián)強(qiáng)度表現(xiàn)出增強(qiáng)或減弱，而有些相關(guān)性則由負(fù)相關(guān)向正相關(guān)轉(zhuǎn)變，反之亦然。    腸道細(xì)菌與代謝產(chǎn)物標(biāo)志物的組合提高了它們的診斷能力，區(qū)分CRC組與NC組，AUC：0.94；CRC組與CRA組，AUC：0.92；CRA組與NC組，AUC：0.86，表明了早期診斷結(jié)直腸腫瘤的潛力。

結(jié)論：本研究強(qiáng)調(diào)了結(jié)直腸腫瘤發(fā)生階段潛在的早期驅(qū)動(dòng)代謝產(chǎn)物。綜合代謝產(chǎn)物和微生物組分析表明，腸道代謝產(chǎn)物及其與腸道微生物的相互作用在結(jié)直腸癌發(fā)生過(guò)程中會(huì)受到干擾。除細(xì)菌外，糞便代謝產(chǎn)物還可用于結(jié)直腸腫瘤的非侵入性診斷。  

微信視頻預(yù)覽查看

論文ID

原名：Altered gut metabolites and microbiota interactions are implicated in colorectal carcinogenesis and can be non-invasive diagnostic biomarkers

譯名：腸道代謝產(chǎn)物和微生物相互作用的改變與結(jié)直腸癌的發(fā)生有關(guān)，并且可以成為非侵入性診斷的生物標(biāo)志物

期刊：Microbiome

IF：14.65

發(fā)表時(shí)間：2022.02

通訊作者：于君

通訊作者單位：香港中文大學(xué)

DOI：10.1186/s40168-021-01208-5

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究共納入386名受試者，在接受標(biāo)準(zhǔn)結(jié)腸鏡檢查后，386名受試者被分為118例結(jié)直腸癌（CRC）患者，140例結(jié)直腸腺瘤（CRA）患者和128例正常對(duì)照（NC）者。記錄所有受試者的臨床特征指標(biāo)，采集糞便樣本；有CRA和CRC受試者在收集糞便樣本時(shí)均有完整的結(jié)直腸病變。對(duì)糞便樣本進(jìn)行宏基因組測(cè)序分析以及代謝組分析。對(duì)宏基因組測(cè)序數(shù)據(jù)和代謝組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，鑒定區(qū)分不同組的生物標(biāo)志物及其鑒定性能。

結(jié)果

1 在結(jié)直腸癌（CRC）不同階段腸道代謝產(chǎn)物的改變

我們的研究包括386名受試者，即118名結(jié)直腸癌（CRC）患者，140名結(jié)直腸腺瘤（CRA）患者和128名正常對(duì)照（NC）者。使用GC-TOFMS從受試者糞便樣本中共檢測(cè)出97種代謝產(chǎn)物。PLS-DA（圖1A）和PCA（圖 1B）圖顯示CRC組、CRA組和NC組之間的腸道代謝產(chǎn)物存在差異（PERMANOVA，p = 0.001），表明了在結(jié)直腸癌發(fā)生中的腸道代謝產(chǎn)物的改變。

為了確定在CRC發(fā)展的各個(gè)階段顯著改變的重要代謝產(chǎn)物，我們?cè)诓煌�組之間進(jìn)行了成對(duì)的比較。與CRC組相比，NC組的17種代謝產(chǎn)物發(fā)生了顯著的改變；其中L-丙氨酸、甘氨酸、L-脯氨酸、L-天冬氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-絲氨酸、肉豆蔻酸、苯乳酸、氧代戊二酸、L-苯丙氨酸、L-α-氨基丁酸、苯乙酸、棕櫚油酸、3-氨基異丁酸和正纈氨酸在NC組富集。相比之下，與NC組相比，CRC組患者的丁酸含量降低（圖1C和圖S3A，表S2）。

與CRC組相比，CRA組患者36種代謝產(chǎn)物差異顯著，其中5-十二碳烯酸、亞油酸、α-亞麻酸和丁酸的含量降低（圖1D和圖S3B，表S3）。有趣的是，與NC組和CRA組受試者相比，L-丙氨酸、甘氨酸、L-脯氨酸、L-天冬氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-絲氨酸、肉豆蔻酸和苯基乳酸在CRC組中富集（圖1C和D，圖S3）。

此外，我們還發(fā)現(xiàn)正纈氨酸和肉豆蔻酸顯示出從NC組到CRA組再到CRC組的增加趨勢(shì)（圖S4），這表明它們對(duì)結(jié)腸腫瘤發(fā)生有潛在的幫助。為了深入了解每?jī)山M之間顯著改變代謝產(chǎn)物的功能，我們進(jìn)行了代謝集富集分析（Metabolite Set Enrichment Analysis，MSEA）。我們觀察到與支鏈氨基酸（BCAA）代謝相關(guān)的通路在導(dǎo)致CRC的各個(gè)階段存在差異。與NC組（圖1E）和CRA組（圖1F）相比，CRC組中前4個(gè)富集的代謝途徑是（1）氨酰-tRNA生物合成；（2）纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸生物合成；（3）苯丙氨酸代謝和（4）苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成，這表明在結(jié)直腸癌發(fā)生過(guò)程中，除了個(gè)體代謝產(chǎn)物外，代謝途徑也發(fā)生了改變。

圖1. 代謝組學(xué)數(shù)據(jù)概況及代謝通路富集分析。（A）CRC組、CRA組和NC組的主成分分析（PCA）；（B）CRC組、CRA組和NC組的偏最小二乘判別分析（PLS-DA）；（C）CRC組和NC組之間17種顯著改變的代謝物標(biāo)準(zhǔn)值熱圖；（D）CRC組和CRA組之間36種顯著改變的代謝物標(biāo)準(zhǔn)值熱圖；使用來(lái)自成對(duì)PLD-D分析和 Wilcoxon秩和檢驗(yàn)的VIP值確定顯著改變的代謝物，其中VIP > 1和p < 0.05；（E）CRC組和NC組之間17種差異代謝物的代謝途徑富集分析；（F）CRC組和CRA組之間36種差異代謝物的代謝途徑富集分析；CRC，結(jié)直腸癌；CRA，結(jié)直腸腺瘤；NC，健康對(duì)照。

2 作為結(jié)直腸癌（CRC）診斷標(biāo)志物的代謝產(chǎn)物

我們進(jìn)一步研究了腸道微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物在CRC的非侵入性診斷中的潛在應(yīng)用價(jià)值。使用已鑒定的顯著改變代謝產(chǎn)物（圖1C和D），我們建立逐步邏輯回歸模型來(lái)鑒別不同的受試組。我們的模型選擇了20種代謝產(chǎn)物作為標(biāo)志物，可以將NC組受試者與CRC組受試者區(qū)分開來(lái)，曲線下面積（AUC）為0.80（圖2A）。相同的20個(gè)標(biāo)志物可以將CRC組與CRA組區(qū)分開來(lái)，AUC為0.7889（圖2B），CRA組與NC組的AUC為0.661（圖2C）。為了區(qū)分CRA組與NC組，我們鑒定了11種代謝產(chǎn)物標(biāo)志物，AUC為0.6853（圖2D）。

這11種代謝產(chǎn)物標(biāo)志物可以區(qū)分CRA組與CRC組以及CRC組與NC組，AUC分別為0.7464和0.6764（圖2E和F）。CRC組可以通過(guò)13種代謝產(chǎn)物標(biāo)志物與CRA組區(qū)分開來(lái)，AUC為0.81（圖2G）。使用這13種代謝產(chǎn)物標(biāo)志物，區(qū)分CRC組與NC組以及CRA組與NC組，AUC分別為0.7168和0.6648（圖2H和I）。

同時(shí)，我們還通過(guò)10倍交叉驗(yàn)證的隨機(jī)森林對(duì)識(shí)別標(biāo)記的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證（圖S6）。此外，調(diào)整臨床特征，即年齡、性別和肥胖，改善了所有代謝標(biāo)志物的可靠性，AUCs約增加了8%（圖S5）。

圖2. 用于區(qū)分成對(duì)的CRC組、CRA組和NC組的代謝標(biāo)志物。（A）用于區(qū)分CRC組和NC組的20種代謝物標(biāo)記的接受者操作特征（ROC）分析；（B）用區(qū)分CRC組與NC組的20個(gè)代謝物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分CRA組和NC組的ROC分析；（C）用區(qū)分CRC組與NC組的20個(gè)代謝物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分CRC組和CRA組的ROC分析；（D）用于區(qū)分CRA組和NC組的11種代謝物標(biāo)志物ROC分析；（E）用區(qū)分CRA組和NC組的11個(gè)代謝物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分CRC組和NC組的ROC分析；（F）用區(qū)分CRA組和NC組的11個(gè)代謝物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分CRC組和CRA組的ROC分析；（G）用于區(qū)分CRA組和CRC組的13種代謝物標(biāo)志物ROC分析；（H）用區(qū)分CRA組和CRC組的13個(gè)代謝物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分CRC組和NC組的ROC分析；（I）用區(qū)分CRA組和CRC組的13個(gè)代謝物標(biāo)志物來(lái)區(qū)分CRA組和NC組的ROC分析；CRC，結(jié)直腸癌；CRA，結(jié)直腸腺瘤；NC，健康對(duì)照。

3 作為結(jié)直腸癌（CRC）診斷標(biāo)志物細(xì)菌物種

腸道菌群失調(diào)與結(jié)腸腫瘤發(fā)生有關(guān)。我們使用所有受試者的糞便鳥槍宏基因組學(xué)序列數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究了細(xì)菌在CRC發(fā)展的各個(gè)階段顯著改變的細(xì)菌。通過(guò)NMDS β多樣性分析，表明了CRC組、CRA組和NC組之間的細(xì)菌群落存在差異（p = 0.001；圖3A）。與NC組（圖3B）和CRA組（圖3C）的受試者相比，Peptostreptococcus stomatis、Fusobacterium nucleatum、Parvimonas micra、Peptostreptococcus anaerobius和Bacteroides fragilis再CRC組中顯著富集；而與NC組（圖3B）和CRA組（圖3C）的受試者相比，Coprobacter fastidosus、Eubacterium ventriosum、Roseburia interinalis和Roseburia inulivorans再CRC組患者中顯著減少。Leptotrichia buccalis和Prevotella veroralis會(huì)沿著NC組到CRA組再到CRC組呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)（圖S7A），而Lachnospiraceae bacterium1_4_56FAA和Eubacterium dolichum則會(huì)沿著NC組到CRA組再到CRC組呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)（圖S7B）。

此外，我們使用逐步邏輯回歸模型來(lái)識(shí)別具有潛在的診斷價(jià)值細(xì)菌物種。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn). nucleatum、P. anaerobius、P. micra、R. inulinivorans、E. corrodens和X. perforans可以將CRC組與NC組區(qū)分開來(lái)，AUC為0.905，與我們之前的研究結(jié)果相一致（圖3D）。這6種細(xì)菌標(biāo)志物將可以CRC組與CRA組區(qū)分開來(lái)，AUC為0.8877（圖S8A），而區(qū)CRA組與NC組的AUC為0.602（圖S8B）。CRA組與NC組可以被14種細(xì)菌物種區(qū)分開來(lái)，AUC為0.8408（圖3E）。這14種細(xì)菌標(biāo)志物還可以區(qū)分NC組與CRC組，AUC為0.8207（圖S8C）和CRA組與CRC組，AUC為0.8925（圖S8D）。包括 F. nucleatum在內(nèi)的6種細(xì)菌標(biāo)志物可以區(qū)分CRC組與CRA組，AUC為0.9071，（圖3F）。這6種細(xì)菌標(biāo)志物還可以區(qū)分CRC組與NC組以及CRA組與NC組，AUC分別為0.8545和0.7188（圖S8E和F）。我們通過(guò)10倍交叉驗(yàn)證的隨機(jī)森林進(jìn)一步驗(yàn)證了細(xì)菌標(biāo)志物。與代謝產(chǎn)物標(biāo)志物相比，通過(guò)調(diào)整年齡、性別和肥胖，細(xì)菌標(biāo)志物AUC沒(méi)有得到顯著的改善（圖S9和圖S10）。

圖3. 宏基因組數(shù)據(jù)概況和診斷性能。（A）CRC組、CRA組和NC組細(xì)菌物種豐度基于Bray-Curtis距離的非度量多維標(biāo)度（NMDS）分析；（B）CRC組和NC組之間44種豐富度差異的細(xì)菌物種熱圖；（C）CRC組和CRA組之間44種豐富度差異的細(xì)菌物種熱圖；使用Wilcoxon秩和檢驗(yàn)確定相對(duì)豐富度差異的物種；FDR調(diào)整后的p < 0.05，相對(duì)豐度的平均值 > 0.001和流行率 > 0.4；（D）用于區(qū)分CRC組和NC組的6種細(xì)菌物種的接受者操作特征（ROC）分析；（E）用于區(qū)分CRA組和NC組的14種細(xì)菌物種的ROC分析；CRC，結(jié)直腸癌；CRA，結(jié)直腸腺瘤；NC，健康對(duì)照。

4 細(xì)菌標(biāo)志物提高了代謝產(chǎn)物標(biāo)志物的診斷能力

為了探究是否可以更好地區(qū)分結(jié)直腸癌不同的發(fā)生階段，我們通過(guò)逐步邏輯回歸模型，將代謝產(chǎn)物標(biāo)志物和細(xì)菌標(biāo)志物結(jié)合起來(lái)。11種代謝產(chǎn)物標(biāo)志物（2-羥基丁酸、γ-氨基丁酸、L-丙氨酸、L-天冬氨酸、正纈氨酸、鳥氨酸、氧代己二酸、氧代戊二酸、棕櫚油酸、苯乙酸和庚二酸）和6細(xì)菌物種（F.  nucleatum、P.  anaerobius、P. micra、R. inulinivorans、E. corrodens和X. perforin）可以區(qū)分NC組與CRC組，AUC達(dá)到了更高的0.9417（圖4A），而僅使用代謝產(chǎn)物標(biāo)記的AUC為0.905。

代謝產(chǎn)物標(biāo)志物和細(xì)菌標(biāo)志物的組合還可以將CRA組與NC組以及CRC組與CRA組區(qū)分開來(lái)，AUC分別為0.6728和0.92（圖S11A和B）。L-天冬酰胺和苯乳酸與14種區(qū)分CRA組與NC組細(xì)菌標(biāo)志物的結(jié)合可以將AUC從0.8408提高到0.8759（圖4B）。這樣代謝產(chǎn)物與細(xì)菌的組合可以區(qū)分NC組與CRC組，AUC為0.8195（圖S11C）以及CRA組與CRC組，AUC為0.8976（圖S11D）。此外，α-亞麻酸、L-高絲氨酸、苯乙酸和苯乳酸與6種區(qū)分CRC組與CRA組的細(xì)菌標(biāo)志物的結(jié)合可以將AUC從0.9071提高到0.9375（圖4C）。用于區(qū)分CRC組與CRA組的10種代謝產(chǎn)物和細(xì)菌標(biāo)志物的組合也可以將CRC組與NC組以及CRA組與NC組分類，AUC分別為0.8723和0.7499（圖 S11E 和 S11F），這證實(shí)了代謝產(chǎn)物與細(xì)菌相結(jié)合早期診斷CRA的潛力。

圖4. 用于區(qū)分成對(duì)的CRC組、CRA組和NC組的細(xì)菌和代謝物標(biāo)志物的組合。（A）用于區(qū)分CRC組和NC組的6種細(xì)菌物種和11種代謝物組合的接受者操作特征（ROC）分析；（B）用于區(qū)分CRA組和NC組的14種細(xì)菌物種和2種代謝物組合的ROC分析；（C）用于區(qū)分CRA組和CRC組的6種細(xì)菌物種和4種代謝物組合的ROC分析；CRC，結(jié)直腸癌；CRA，結(jié)直腸腺瘤；NC，健康對(duì)照。 

5 在結(jié)直腸癌（CRC）中，代謝產(chǎn)物和細(xì)菌之間的相互作用發(fā)生了改變

為了探究顯著改變的代謝產(chǎn)物和豐富度顯著差異的細(xì)菌物種之間潛在的相互作用，我們使用零膨脹負(fù)二項(xiàng)（Zero-inflated Negative Binomial，ZINB）回歸進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析。在CRC階段的相互作用分布顯著不同（圖S12）。此外，一些相互作用隨著CRC進(jìn)展呈增加或減少趨勢(shì)，而一些相互作用則從負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)檎�相關(guān)（圖S13A），反之亦然（圖S13B）。

在鑒別CRC組與NCZ組的6種細(xì)菌物種中，P.  anaerobius與甘氨酸之間的相關(guān)性顯著，且隨著CRC的發(fā)展而增加（p < 0.05，表 S4），而P. anaerobius與肉豆蔻酸之間的相關(guān)性顯著，但會(huì)隨著CRC的發(fā)展而降低。P. micra與亞油酸和L-纈氨酸顯著相關(guān)，并且相關(guān)性聯(lián)都遵循從NC組、到CRA組，再到CRC組的下降趨勢(shì)。在區(qū)分CRA組和NC組的14種細(xì)菌標(biāo)志物中，Clostridium symbiosum與在CRC組富集的L-纈氨酸和L-高絲氨酸顯著相關(guān)，并且相關(guān)性的強(qiáng)度隨著CRC的發(fā)展而增加。此外，Synergistes sp.3_1_syn1與L-天冬氨酸和L-酪氨酸顯著相關(guān)，并且相關(guān)性會(huì)隨著CRC的發(fā)展均呈下降趨勢(shì)。Porphyromonas gingivalis與γ-氨基丁酸之間以及Prevotella nigrescens與L-天冬酰胺之間的也存在顯著的相關(guān)性，并且隨著CRC的發(fā)展而降低（表S4）。

我們進(jìn)一步研究了與CRC相關(guān)的代謝產(chǎn)物之間的相互作用。在CRC組減少的代謝產(chǎn)物丁酸與在CRC組富集的代謝產(chǎn)物（包括庚二酸、L-脯氨酸、L-蛋氨酸和L-異亮氨酸）顯示出獨(dú)有的相互作用。此外，CRC組富集的代謝產(chǎn)物之間存在很強(qiáng)的共現(xiàn)關(guān)系，例如L-脯氨酸、L-天冬氨酸、L-蛋氨酸、氧代戊二酸、L-亮氨酸、L-纈氨酸、γ-氨基丁酸、L-異亮氨酸、L-苯丙氨酸和 L-酪氨酸，這證明了它們?cè)贑RC發(fā)生過(guò)程中的潛在作用（圖S14）。綜上所述，這些結(jié)果表明腸道代謝產(chǎn)物和細(xì)菌之間存在顯著的相關(guān)性，這些相關(guān)性會(huì)隨著結(jié)直腸癌發(fā)生的階段而發(fā)生變化。

討論

越來(lái)越多的研究結(jié)果表明，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物在結(jié)直腸腫瘤發(fā)生中發(fā)揮了重要作用。在本研究中，我們分析了CRC患者的糞便代謝產(chǎn)物和微生物組，并將其與癌癥前期的CRA患者和健康受試者的糞便代謝產(chǎn)物和微生物組進(jìn)行了比較分析。我們的結(jié)果證明了關(guān)鍵的代謝途徑在CRC發(fā)病過(guò)程中被破壞。

綜合代謝組和微生物組分析表明，CRC相關(guān)細(xì)菌和代謝產(chǎn)物之間的相互作用隨著CRC的發(fā)展而改變。重要的是，我們證明了除了細(xì)菌外，糞便代謝產(chǎn)物在非侵入性診斷CRC的潛力。 代謝組學(xué)具有診斷癌癥（包括CRC）的潛力。我們的代謝組學(xué)分析表明，與CRA組和NC組受試者相比，L-丙氨酸、甘氨酸、L-脯氨酸、L-天冬氨酸、L-纈氨酸、L-亮氨酸、L-絲氨酸、肉豆蔻酸和苯乳酸在CRC患者中富集。氨基酸在分子生物合成的步驟中發(fā)揮著重要作用，它們維持著氧化還原平衡，并作為能量來(lái)源。

豐富的氨基酸也被認(rèn)為是促進(jìn)癌細(xì)胞增殖的關(guān)鍵因素。氨基酸衍生物可以影響免疫反應(yīng)和調(diào)節(jié)表觀遺傳學(xué)。因此，據(jù)報(bào)道它們與致癌作用有關(guān)。在本研究中，被確定為與CRC相關(guān)的丙氨酸已被證明是一些胃腸道癌癥的重要生存信號(hào)。例如，基質(zhì)細(xì)胞分泌TCA循環(huán)所需的丙氨酸，促進(jìn)胰腺癌的生長(zhǎng)。

此外，甘氨酸可以為核酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)的合成提供必要的前體，從而支持癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。有研究表明，脯氨酸生物合成上調(diào)并與癌癥預(yù)后不良有關(guān)，這支持了我們?cè)诒狙芯恐械慕Y(jié)果。有趣的是，發(fā)現(xiàn)正纈氨酸和肉豆蔻酸從NC組到CRA組再到CRC組呈增加趨勢(shì)。正纈氨酸是纈氨酸的異構(gòu)體，它與巨噬細(xì)胞對(duì)乳腺腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒活性有關(guān)。還有研究表明，正纈氨酸還可以通過(guò)抑制核糖體蛋白S6激酶beta-1部分促進(jìn)組織再生和肌肉生長(zhǎng)。肉豆蔻酸是一種常見的不飽和脂肪酸，與人類的高膽固醇水平呈正相關(guān)，據(jù)報(bào)道會(huì)增加患乳腺癌的風(fēng)險(xiǎn)。這兩種代謝產(chǎn)物在結(jié)直腸癌發(fā)展過(guò)程中的增加趨勢(shì)表明了它們?cè)诮Y(jié)直腸腫瘤發(fā)生中的潛在作用，值得進(jìn)一步研究。在本研究中，CRC組患者中唯一減少的代謝產(chǎn)物是丁酸，丁酸是一種由膳食纖維在大腸中發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸。

研究已經(jīng)證明，丁酸通過(guò)抑制細(xì)胞增殖和誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡對(duì)結(jié)直腸癌具有保護(hù)作用，進(jìn)一步支持了我們?cè)诒狙芯恐械陌l(fā)現(xiàn)。 代謝通路富集分析表明，與健康受試者相比，CRC組患者和腺瘤患者的氨酰-tRNA生物合成、芳香族氨基酸生物合成和BCAAs代謝發(fā)生了顯著改變。氨酰-tRNA生物合成需要氨酰-tRNA合成酶，這是一類重要的酶，具有進(jìn)化上保守的蛋白質(zhì)合成機(jī)制，其中一些與結(jié)直腸腫瘤的發(fā)展呈正相關(guān)。在本研究中，與CRA組和健康受試者相比，包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸在內(nèi)的BCAA在CRC組中上調(diào)。

這些BCAAs是癌癥發(fā)展的必需營(yíng)養(yǎng)素，被腫瘤細(xì)胞用于各種生物合成途徑和作為能量來(lái)源。此外，我們還觀察到腸道微生物在包括酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸在內(nèi)的芳香族氨基酸的代謝中發(fā)揮著積極的作用。有研究表明，調(diào)節(jié)血清芳香族氨基酸水平會(huì)破壞無(wú)菌小鼠的腸道通透性和全身免疫。這表明本研究中觀察到的芳香族氨基酸生物合成失調(diào)可能通過(guò)受損的腸道屏障誘導(dǎo)CRC的發(fā)生。此外，有研究表明，色氨酸代謝途徑與通過(guò)宿主-腸道微生物界面治療胃腸道疾病有關(guān)。在本研究中發(fā)現(xiàn)在CRC組患者中上調(diào)的苯丙氨酸是一種必需氨基酸，可能有助于癌細(xì)胞的增殖和遷移。我們的結(jié)果得到了前人研究結(jié)果的支持，表明BCAAs、芳香族氨基酸和苯丙氨酸代謝組學(xué)途徑可能在結(jié)直腸癌發(fā)生中起重要作用。 我們進(jìn)一步探討了腸道微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物在CRCD非侵入性診斷中的潛在應(yīng)用。為了區(qū)分CRC組與NC組和CRA組，分別鑒定了20和13個(gè)代謝產(chǎn)物標(biāo)志物，AUC均約為0.80。6個(gè)細(xì)菌物種可以將CRC組與NC組和CRA組區(qū)分開來(lái)，AUC分別為0.91和0.89。

通過(guò)代謝產(chǎn)物和細(xì)菌標(biāo)志物的結(jié)合，11個(gè)代謝產(chǎn)物和6個(gè)細(xì)菌物種（F. nucleatum、P. anaerobius、P. micra、R. inulinivorans、E. corrodens和X. perforans）可以得到更好的鑒別能力（AUC=0.94）。有趣的是，我們觀察到4種代謝產(chǎn)物的組合（α亞油酸、 l- 高絲氨酸、苯乳酸和苯乙酸），以及細(xì)菌標(biāo)志物（F. nucleatum，P. anaerobius, P. micra，R. inulinivorans，E. corrodens和X. perforans）可以區(qū)分NC組與CRA組，AUC為0.7499；這表明了在健康患者中早期診斷結(jié)直腸腺瘤的潛力。此外，我們的相關(guān)性分析表明，與NC組和CRA組受試者相比，CRC組患者的代謝產(chǎn)物和細(xì)菌之間的相關(guān)性存在顯著差異。有些相關(guān)性會(huì)隨著CRC發(fā)展呈現(xiàn)增加或減少的趨勢(shì)，還有些相關(guān)性從正相關(guān)轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，反之亦然。值得注意的是，幫助癌細(xì)胞生長(zhǎng)的甘氨酸與通過(guò)PI3K-Akt-NF-κB信號(hào)通路驅(qū)動(dòng)CRC發(fā)展的P. anaerobius之間的相關(guān)性增加，這表明甘氨酸和P. anaerobius在CRC的發(fā)展中有潛在的合作。

此外，我們發(fā)現(xiàn)豐富度從健康受試者到腺瘤患者，再到結(jié)直腸癌患者增加的Clostridium symbiosum與CRC組富集的L-纈氨酸和L-高絲氨酸顯著相關(guān)，并且相關(guān)性會(huì)隨著CRC的發(fā)展而增加。總的來(lái)說(shuō)，我們的結(jié)果表明腸道代謝產(chǎn)物和細(xì)菌之間存在顯著的相互作用，這可能會(huì)影響結(jié)直腸癌的發(fā)生。 在本研究中的微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物是基于代謝組學(xué)數(shù)據(jù)和人類腸道微生物相關(guān)代謝產(chǎn)物的化學(xué)性質(zhì)。氯    甲酸烷基酯衍生方法用于GC-TOF/MS檢測(cè)。由于膽汁酸的強(qiáng)極性，GC-MS響應(yīng)較差。最近開發(fā)了用于特異性檢測(cè)膽汁酸的新方法，其與CRC發(fā)生的關(guān)聯(lián)將在未來(lái)的研究中進(jìn)行。

總之，我們的綜合代謝組和微生物組研究表明，腸道代謝產(chǎn)物和微生物組在結(jié)直腸癌發(fā)生的各個(gè)階段會(huì)發(fā)生變化，代謝產(chǎn)物和細(xì)菌物種的結(jié)合可以增加非侵入性診斷結(jié)直腸癌和腺瘤的能力。本研究表明了CRC腫瘤發(fā)生過(guò)程中潛在的早期驅(qū)動(dòng)代謝產(chǎn)物，并為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)提供了信息，以便開發(fā)更好的CRC診斷和預(yù)防策略。