大肠癌（CRC）是第三大最常见的恶性肿瘤，也是全世界与癌症有关的第二大死因。24%的I-III期CRC患者在肿瘤切除后5年内复发，超过一半的病例发生在2年内。因此，对手术后的进展风险进行分层，对个性化和长期管理很重要。

新发表在《Microbiome》的文章，对333名原发性CRC患者在手术前2周内的粪便样本，并对患者进行近30月的病情进展和40多月的生存期的跟踪。结果表明，肠道微生物与CRC患者的临床结果相关。特别是，Prevotella的高丰度与低的CRC进展和死亡风险有关，另外确定其他一些与高风险相关的微生物。

主要结果

CRC患者的术前肠道微生物与患者的状态有关

图1A展示了招募情况。招募了333名原发性CRC患者，他们被安排进行手术切除癌症，并在手术前2周内获得他们的粪便样本。

图1 结直肠癌患者术前的肠道微生物

CRC患者的肠道微生物被聚类为以拟杆菌为主（Bacteroides-dominant）的肠型1和以普雷沃菌为主（Prevotella-dominant）的肠型2，代表菌属相互分布（图1B, C）。菌群组成与临床病理阶段、CRC的进展和死亡（图1D-F）有关。此外，CRC的TNM分期系统与肠道微生物组有关。Akkermansiaceae和Fusobacteriaceae科在进展期患者中趋于增加，其中Prevotellaceae减少（图1g）。香农多样性指数在肠型2中明显较高；然而，在CRC阶段或术后结果之间是相当的（图1H）。肠型1的晚期CRC患者或进展期患者的比例较高，具有准显著性（quasi-significance）。

普雷沃菌肠型和四个机会性致病菌预示了CRC患者的状态

对患者进行了随访，CRC进展的中位数为27.6个月，生存期的中位数为42.7个月。然后，我们测试了肠型及其代表细菌是否与CRC的预后有关。肠型1显示出比肠型2更短的无进展生存期（PFS）和总生存期（OS）（图2A，B）。

图2 筛选预后的微生物生物标志物

普雷沃菌丰度较高的患者，其CRC进展和死亡的风险较低（图2C和D）。患有CRC的病人有微生物失调，机会性病原体的出现增多。因此，我们假设预后不良的患者会藏有更多的病原体。对79个物种进行了单变量对数生存检验和多变量Cox比例危险分析（CoxPH）。筛选采用总样本和随机子样本（1000次）进行（图2E）。用总样本进行的对数秩检验显示，Bacteroides sp, F.nucletum、Dialister invisus和Pyramidobacter piscolens表明进展和死亡的风险增加（图2F-J）。这四个预后生物标志物在对数秩检验和多变量CoxPH中是最有代表性的（图2J），这共同表明它们是有效和稳健的生物标志物。

肠道微生物衍生的危险评分可准确预测CRC的预后

为了通过这些预后细菌产生一个稳健的微生物危险评分（MHS），对原始数据集的一半随机抽样1000次；将31个不同的MHS组合应用到测试数据集中（图3A）。

图3 微生物衍生的危险评分的表现

在这些评分中，M5，即考虑到普雷沃菌的丰度和四种病原菌的评分，显示出最高的显著性和一致性指数（C-index），以及最小的HR方差（图3B）。将M5评分归为三类：0分代表M5-低分，1分和2分代表M5-中分，3至5分代表M5-高分，这就明确区分了高风险和低风险的患者群体（图3C，D）。M5-低的患者携带大量的普雷沃菌，没有病原体，其进展率很低，74例中只有2例进展。此外，与M5-低组相比，M5-高组有不理想的表现：高龄、全身性疾病、并发症、癌症晚期、淋巴侵犯和K-ras突变。特别是，2型糖尿病与较高的M5的发生率越来越高：M5低的为13.5%，M5中的为21.4%，M5高的为28.3%。这些数据可能意味着CRC和糖尿病的肠道微生物之间有趋同的特点。

为了比较M5与其他的生物标志物的性能，我们测试了一个额外的指标在多大程度上改善了根据癌症阶段构建的基线模型。测试了十个生物标志物，包括CEA、纤维蛋白原、年龄、淋巴侵犯、BMI、NLR、性别和三个与微生物群相关的指标（M5、肠型和普雷沃菌）。无论变量类型如何，M5都优于其他指标（图3E, F）。除CEA和年龄外，普雷沃菌的丰度也改善了基线模型（图3E）。我们增加了更多的指标来检查冗余度；M5独立增强了预测能力（图3G）。M5对C-index的增加与CEA、淋巴侵犯和年龄的协同考虑相当（图3G），这支持M5的强大预测能力。

CRC患者的术前肠道微生物与患者的状态有关

为了确定不同预后的微生物代谢途径，使用PICRUSt2推断微生物代谢能力。测试了M5-低组中推断出的途径的富集和耗竭情况。用M5-低组和M5-中/高组之间的分类相对功能丰度（TRFA）的差异作为每条途径的影响大小。九条有益的和六条有害的途径被认为是有益的（图4A）。有益的途径包括Calvin-Benson-Bassham循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）、二磷酸硫胺盐回收II（thiamine diphosphate salvage II）、二磷酸硫胺盐生物合成I（thiamine diphosphate biosynthesis I）、黄素生物合成I（flavin biosynthesis I）、前Q0生物合成（preQ₀ biosynthesis,）、十二烯酸生物合成I（dodecenoate biosynthesis I）、硬脂酸生物合成II（stearate biosynthesis II,）、油酸生物合成IV（oleate biosynthesis IV）和棕榈油酸生物合成I（palmitoleate biosynthesis I）。有害的途径包括糖原降解I（glycogen degradation I）、糖酵解I（ glycolysis I）、糖酵解II（glycolysis II）、嘧啶脱氧核苷回收（pyrimidine deoxyribonucleoside salvage）、L-组氨酸降解I（L-histidine degradation I）和肌醇、芝兰素和肌醇降解（myo-, chiro-, and scyllo-inositol degradation）（图4B，C）。

图4 微生物功能途径的推断。

其中，两条途径--二磷酸硫胺回收II（thiamine diphosphate salvage II）和L-组氨酸降解I（L-histidine degradation I）--在结果中具有明显的区分性（图4D，E）。硫胺二磷酸盐回收II功能来自与细菌各科，这表明细菌合作形成对CRC患者有利的生态位的微生物联合体（图4B）。相反，有害的途径主要来自于拟杆菌科（图4C）。无论癌症阶段如何，进展期患者的二磷酸硫胺回收II途径的TRFA较低；然而，L-组氨酸降解的TRFA仅在进展期患者的后期阶段升高（图4F）。值得注意的是，这两个途径都与肿瘤相关上皮细胞的细胞毒性T细胞数量相关，这意味着它们具有免疫调节潜力（图4G）。然而，有必要采取谨慎的方法来解释这些结果，因为分类学组成并不总是反映肠道微生物群的真正功能能力，而这些数据可能为寻找潜在的CRC患者的后生物制剂提供线索。

总结

这项研究分析了CRC患者的肠道微生物，发现了新的预后细菌生物标记物，包括Prevotella、两个Alistipes属、P. piscolens和D. invisus，此外还有已经涉及的F. nucleatum。扩大非侵入性生物标志物的范围对于CRC的早期诊断和适当的预后是必要的；然而，只有少数研究通过16S rRNA基因测序对整个微生物群进行分析。在一项对180个CRC活体组织进行测序的研究中再现了F. nucleatum和B. fragilis的预后价值；在Prevotella共同丰度高的23名患者中观察到生存率略有提高，尽管不明显。

尽管存在一些局限性，如单一机构取样和缺乏对推断的微生物途径的机理验证，但我们首次显示了普雷沃菌（一种人类肠道类型的代表性细菌）的有益影响，并产生了一个简单但稳健的微生物危险评分，将F. nucleatum和新型预后物种结合起来用于CRC的预后。这些结果对于预测CRC手术治疗后的医疗效果和管理术后病人是很有用的。