摘要
肥胖是结直肠癌（CRC）的一个风险因素，肠道菌群在肥胖和CRC的发病机制中的参与已被广泛认可。然而，区分与肥胖相关的CRC患者与肥胖人群的粪便微生物组和代谢组的特征尚不清楚。在这里，作者利用来自522名CRC患者和健康对照者的宏基因组测序和代谢组学来识别肥胖CRC的特征。作者的综合分析揭示，与肥胖相关的CRC特征包括Peptostreptococcus stomatis的增加、脂肪酸和磷脂的失调，以及涉及甘油磷脂代谢和脂多糖合成的KEGG途径的改变。相关性分析揭示了肥胖中的微生物相互作用，其中益生菌Faecalibacterium prausnitzii和促进肿瘤的物种P. stomatis可能参与交叉喂养，从而促进肿瘤形成。体外实验证实了在交叉喂养条件下的生长增强。互利的微生物-微生物相互作用可能有助于肥胖与增加的CRC风险之间的关联。此外，结合BMI特异性微生物生物标志物的诊断模型显示出精准CRC筛查的潜力。
研究结果
1、粪便样本的研究设计及宏基因组和代谢组特征
实验分组：正常体重的结直肠癌患者（N-CRC）；超重的结直肠癌患者（Ov-CRC）；
肥胖的结直肠癌患者（Ob-CRC）；正常体重的健康对照组（N-CTRL）；超重的健康对照组（Ov-CTRL）；肥胖的健康对照组（Ob-CTRL）。
在正常体重、超重和肥胖人群中，与对照组（CTRLs）相比，患有结直肠癌（CRC）的患者观察到由香农指数测量的α多样性降低。不同BMI组的结直肠癌（CRC）与相应的对照组（CTRLs）在多样性和微生物距离指标上存在差异，而且超重结直肠癌（Ov-CRC）和肥胖结直肠癌（Ob-CRC）显示出降低的α多样性变化。
图1. 研究设计以及粪便样本的宏基因组和代谢组特征。
2、肥胖CRC和非肥胖CRC的微生物分类学特征
作者鉴定了不同BMI组中结直肠癌（CRC）与对照组（CTRL）之间的差异丰度物种，并发现在正常体重CRC（N-CRC）和超重CRC（Ov-CRC）中有更多的差异物种，这些物种与肥胖CRC（Ob-CRC）高度不同。由296种细菌物种组成的差异丰度特征被展示出来（图2A）。与相应的对照组相比，Peptostreptococcus stomatis和Fusobacterium nucleatum在CRC中富集，P. stomatis的丰度变化在三个组中呈上升趋势。一些益生菌物种在所有BMI组的CRC中一致减少，例如Faecalibacterium prausnitzii和Dorea longicatena。
图2. 不同BMI组中的差异物种以及特定物种与结直肠癌患者或健康对照组BMI之间的关系。
3、结直肠癌不同BMI组的粪便代谢组变化。
与肥胖对照组（Ob-CTRL）相比，肥胖结直肠癌（Ob-CRC）中特别变化的代谢物包括富集的琥珀酸和丙酸以及减少的十二烷二酸。与脂肪酸代谢密切相关的代谢物，包括涉及磷脂代谢的富集的单酰基甘油磷脂（LysoPG）14:1和减少的血浆磷脂酰胆碱（plasmenyl-PCs）29:0，在Ob-CRC中被观察到。增加的LysoPG和来自磷脂降解的游离脂肪酸被报道可以产生更多的花生四烯酸和类花生酸，导致炎症和促进肿瘤的微环境。血浆磷脂酰胆碱是一种被报道与肥胖呈负相关的血浆素，能够调节氧化应激。与Ob-CTRL相比，Ob-CRC中血浆磷脂酰胆碱进一步减少，表明增强的氧化应激是肥胖人群中CRC肿瘤发生的一个关键机制。
图3. 不同BMI组中结直肠癌患者和健康对照组的代谢组特征。
4、不同BMI组结直肠癌中微生物基因的变化，包括KO基因和KEGG途径
在相关途径中的上调（图4A）涉及甲烷代谢、甘油磷脂代谢和脂多糖（LPS）生物合成的途径在肥胖结直肠癌（Ob-CRC）中显著改变。肥胖结直肠癌（Ob-CRC）表现出独特的微生物酶反应和代谢过程，这些过程是由微生物基因谱的显著变化所驱动的。
5、微生物与代谢物之间的代表性标记物关联
富集于肿瘤的P. stomatis与多种代谢物如异丁酸和十二烷二酸呈正相关，而F. prausnitzii与这些代谢物也呈正相关。观察到F. prausnitzii和P. stomatis之间的微生物-代谢物相互作用，使作者提出了假设：益生菌可能会交叉滋养富集于肿瘤的物种。在48小时的孵化后，在交叉滋养条件下，与单培养对照相比，F. prausnitzii和P. stomatis的生长都显著增加（图5C）。
图5. 物种、KO基因和代谢物之间的综合网络以及肥胖组中的交叉滋养图。
6、不同BMI组结直肠癌的随机森林诊断模型。
不同BMI组的结直肠癌患者中差异物种和代谢物有所变化，肥胖人群由于患结直肠癌的风险更高，应该使用独立的诊断模型来更精确地筛查结直肠癌。为了探究微生物和代谢谱作为诊断标记的潜力，作者构建了随机森林分类器，以区分同一BMI组中健康对照和N-CRC、Ov-CRC、Ob-CRC病例，以及跨BMI组的情况（图6）。在发现队列中进行了Boruta特征选择，以选择关键的区分性细菌类群。在三个BMI组中选择的类群不同，即不同BMI的结直肠癌患者需要不同的生物标记物和诊断模型（图6A）。进行了5折交叉验证，以选择对N-CRC、Ov-CRC和Ob-CRC最有效的诊断模型。
此外，一个独立的外部验证队列被分为正常体重、超重和肥胖组，用于验证每个分类器的诊断潜力。由正常体重组提取的微生物标记构建的诊断分类器在正常体重、超重和肥胖组的接收者操作特征曲线下面积（AUROC）分别为0.9354、0.8892和0.8（图6B）。在超重和肥胖组也进行了组间验证（图6C和6D）。为了检验诊断策略的稳健性和有效性，作者进行了20次重复的组间验证分析，并计算了平均AUROC（图6E）。总体而言，从每个组中选择的特征在识别同一BMI组的结直肠癌患者方面表现出卓越的能力，在其他两个BMI组中的能力有所降低，表明其在不同BMI人群的筛查策略中具有巨大的潜力。
图6. 从三个BMI组中选择的微生物标记提高了诊断效率。
讨论与研究意义
在三个BMI组中，一些一致变化的差异类群和代谢物已被鉴定出来，尤其是P. stomatis和P. gingivalis，它们在肥胖结直肠癌（Ob-CRC）中的富集程度远高于非肥胖结直肠癌与相应健康对照组。P. stomatis已被报道为一种与胃癌相关的肠毒素产生菌，它是一种显著的口腔病原体，参与口腔癌、食管癌、胰腺癌和结直肠癌的肿瘤发生。在Ob-CRC中P. stomatis和P. gingivalis的高丰度可能部分解释了肥胖人群患结直肠癌风险更高的现象。
肥胖结直肠癌（Ob-CRC）具有与肠道微生物群相关的独特的代谢特征，其一个显著特征，表现为上调的LysoPG和下调的PG以及血浆磷脂酰胆碱（plasmenyl-PC），以及参与甘油磷脂代谢的KO基因异常表达。高脂饮食可以通过肠道微生物群调节甘油磷脂代谢，导致肠道屏障受损，最终促进结直肠癌的发展。这些发现强调了饮食、肠道微生物群和代谢途径对癌症发展的多方面影响。
在肥胖的刺激下，肠道微生物群之间的交叉滋养相互作用可能会扰乱肠道稳态，例如，由西方饮食驱动。在这个假设中，益生菌可能会潜在地促进促癌细菌的增殖，有效地成为这些致病微生物的促进者。体外实验提供了支持这一假设的证据，突出了益生菌和促癌细菌之间这种相互作用的潜在角色。这种相互作用可能解释了肥胖人群对结直肠癌的增加易感性，尽管需要更多的体内实验验证。
总之，研究识别了结直肠癌（CRC）在不同BMI组中的微生物和代谢特征，并阐明了可能的微生物机制，这些机制有助于解释肥胖人群中高结直肠癌风险的原因。基于BMI分层生物标志物的诊断模型在区分结直肠癌患者与BMI匹配对照组方面显示出增强的效能，为肥胖个体提供了改进的筛查工具。需要进一步的前瞻性研究来确认BMI分层模型在多个队列中的有效性。
参考文献
Li J, Chen Z, Wang Q, et al. Microbial and metabolic profiles unveil mutualistic microbe-microbe interaction in obesity-related colorectal cancer. Cell Rep Med. 2024 Mar 19;5(3):101429.
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