撰文 | 吴思成
责编 | 兮
质子泵抑制剂（Proton Pump Inhibitor，PPI） 在抑制胃酸分泌方面十分有效，通常用于胃肠道疾病的治疗，在肝硬化患者的临床治疗中也被广泛使用，有时由于风险低而被过度使用。近年来，大量研究聚焦于PPI的使用对肠道菌群的影响，研究者们发现，PPI的使用会引起一些口腔源细菌的相对丰度显著增加，且与疾病状态无关，包括Streptococcus和Veillonella【1-3】。
2021年3月2日，华中科技大学陈卫华教授课题组和复旦大学赵兴明教授课题组在Cell Metabolism上发表题为“Treatment regimens may compromise gut-microbiome derived signatures for liver cirrhosis”的Letter【4】，讨论了受PPI影响的细菌在肝硬化肠道微生物模型中所发挥的作用，强调治疗方案有可能会掩盖真正疾病相关的肠道微生物特征，并呼吁在宏基因组学分析中，对药物使用这一重要混杂因素加以控制。
2020年6月，Tae Gyu Oh及其同事开发的一种基于肠道微生物种类、年龄和血清指标的新型诊断工具，能通过无创的方法，高效便捷地检测出肝硬化发表于Cell Metabolism【5】。研究者通过从肝硬化-健康肝人群中识别了包含19种差异物种的肠道微生物特征，所建立的诊断模型能够准确地检测出肝硬化，且具有跨研究、跨地区普遍性 （参考（Oh et al., 2020）的图5） 。这19种肠道微生物特征中有12种菌在肝硬化患者中表达上调，其中4种属于Streptococcus （S. parasanguinis和S. salivarius） 和Veillonella （V. parvula和V. atypica） ，陈教授团队怀疑其受到了PPI的影响。
为了探究Oh等人所发现的肝硬化特征的有效性，作者试图确定在诊断模型中这19种特征物种的相对重要性。由于Oh等人收集的原始测序数据尚未发布，作者分析了来自中国的肝硬化宏基因组数据集【6】（以下简称Qin的数据集，包含训练集和测试集；是Oh等人的诊断模型使用的外部验证数据集之一） ，并采用类似的方法建立了基于相同的19种物种的随机森林机器学习模型。所得的模型在Qin的数据集中表现出色 （训练集AUC：0.93，测试集AUC：0.92；图1A） ，而S. parasanguinis、S. salivarius、V. parvula和V. atypica被列为对该模型最重要的前四名贡献者 （图1B） 且在肝硬化患者中显著上调 （图1C） 强烈地引起了作者的注意。
接下来，作者仅用这四种已知受PPI影响的菌在Qin的数据集上构建肝硬化分类模型，结果模型表现出十分优异的分类性能 （训练集AUC：0.91，测试集AUC：0.89；图1D） 。为了验证用受PPI影响的菌所构建的分类模型的普适性，作者还用Qin的数据集和Iebba的数据集【7】（16S数据，也是Oh等人所用的外部验证之一） 仅基于Streptococcus和Veillonella两个属构建属水平分类模型，并相互交叉验证，模型的分类性能亦十分出色 （图1E和图1F） 。
图1，陈教授团队使用Oh等人识别的19种特征菌或受PPI影响菌在公共数据集中构建的随机森林机器学习模型及其交叉验证结果
由此可见，仅用已知受PPI影响的特征菌足以构建机器学习模型用以区分这些数据集中的肝硬化患者和对照。因此，作者认为Oh等人构建的分类模型之所以能够在不同数据集中区分肝硬化和不同对照 （正常肝、非酒精性脂肪肝或纤维化） 有可能是受到了PPI使用的影响，而非对疾病状态的区分。
Oh等人对此的回复则反驳了这一观点【8】。他们通过剔除自己训练集中使用过PPI的参与者后，仍使用先前鉴定的19种特征菌构建随机森林机器学习模型，并在Qin的数据集上验证，模型依然表现出了优异的分类性能 （图2） 。其结果表明，他们所鉴定的19种特征菌无论是用于评估混合人群还是非PPI使用人群，其模型的准确性并无显著差异。Oh等人认为，PPI的使用与否，并不会影响模型对区分肝硬化的诊断能力。
图2：Oh等人使用所识别的19种特征菌及年龄在剔除了经PPI治疗的人群后的训练集中构建肝硬化随机森林机器学习模型并在Qin的数据集中验证
由于Oh及其同事的回复中并未公开其模型的特征重要性排序，因此无法得知使用混合人群或无PPI使用人群所构建的模型，其特征的贡献度有无变化。且仍难以回答这19个通过PPI混合队列所鉴定的特征菌中是否存在受PPI影响的菌。
因此，综合陈教授团队及Oh等人的研究看来，PPI、肝硬化和肠道菌群三方之间的相互关系值得更加深入的探索和研究。一方面，Oh等人所构建的诊断模型不管在混合队列还是非PPI使用者队列均表现出了出色的诊断能力，进一步说明了能够使用肠道细菌作为肝硬化的体外诊断工具的可能；另一方面，也需要科学家们对药物、疾病与肠道细菌之间的关系展开进一步的探索，分离药物相关菌和疾病相关菌，推动使用肠道微生物作为疾病诊断工具、干预手段的发展，也对进一步了解疾病机理提供有效途径。
正如陈教授团队所提倡的，在宏基因组研究中对治疗方案加以考虑和/或控制，并呼吁公共数据在合伦理的范围内能公开更详细的样本信息，包括临床数据等，以进一步推动人类健康和肠道菌群关系的研究。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.02.012
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.02.013
转载需知
本文著作权归文章作者所有，未经允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。
参考文献
1.Jackson, M.A., Goodrich, J.K., Maxan, M.-E., Freedberg, D.E., Abrams, J.A., Poole, A.C., Sutter, J.L., Welter, D., Ley, R.E., Bell, J.T. et al. (2015) Proton pump inhibitors alter the composition of the gut microbiota.Gut, 65, 749-756.
2.Shi, Y.-C., Cai, S.-T., Tian, Y.-P., Zhao, H.-J., Zhang, Y.-B., Chen, J., Ren, R.-R., Luo, X., Peng, L.-H., Sun, G. et al. (2019) Effects of Proton Pump Inhibitors on the Gastrointestinal Microbiota in Gastroesophageal Reflux Disease.Genom Proteom Bioinform, 17, 52-63.
3.Bajaj, J.S., Acharya, C., Fagan, A., White, M.B., Gavis, E., Heuman, D.M., Hylemon, P.B., Fuchs, M., Puri, P., Schubert, M.L. et al. (2018) Proton Pump Inhibitor Initiation and Withdrawal affects Gut Microbiota and Readmission Risk in Cirrhosis. 113, 1177-1186.
4.Wu, S., Jiang, P., Zhao, X.-M. and Chen, W.-H. (2021) Treatment regimens may compromise gut-microbiome derived signatures for liver cirrhosis.Cell Metab.
5.Oh, T.G., Kim, S.M., Caussy, C., Fu, T., Guo, J., Bassirian, S., Singh, S., Madamba, E.V., Bettencourt, R., Richards, L. et al. (2020) A Universal Gut-Microbiome-Derived Signature Predicts Cirrhosis.Cell Metab, 32, 878-888.e876.
6.Qin, N., Yang, F., Li, A., Prifti, E., Chen, Y., Shao, L., Guo, J., Le Chatelier, E., Yao, J., Wu, L. et al. (2014) Alterations of the human gut microbiome in liver cirrhosis.Nature, 513, 59-64.
7.Iebba, V., Guerrieri, F., Gregorio, V.D., Levrero, M., Gagliardi, A., Santangelo, F., Sobolev, A.P., Circi, S., Giannelli, V., Mannina, L. et al. (2018) Combining amplicon sequencing and metabolomics in cirrhotic patients highlights distinctive microbiota features involved in bacterial translocation, systemic inflammation and hepatic encephalopathy.Sci Rep-uk, 8, 8210.
8.Oh, T.G., Kim, S.M., Atkins, A.R., Yu, R.T., Downes, M., Evans, R.M. and Loomba, R. (2021) Proton pump inhibitor use status does not modify the microbiome signature for cirrhosis.Cell Metab.