多組學分析在炎癥性腸病中的應用與研究進展

張立興 王麗娜 康廣博 黃鶴

（天津大學化工學院 系統生物工程教育部重點實驗室，天津 300350）

炎癥性腸病（Inflammatory bowel disease，IBD）是一種累及末端小腸至直腸的慢性腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結腸炎（Ulcerative colitis，UC）和克羅恩病（Crohn’s disease，CD）。患者多伴有復雜的臨床癥狀，如腹痛、直腸出血和體重減輕等［1］。IBD的發病率和流行率在過去幾十年里急劇增加，影響已經超過350萬人，逐漸成為一種全球流行性疾病［2］。盡管近年來得到了醫學研究團體的廣泛關注，但個體遺傳變異、飲食、環境因素、腸道生態失調等多因素相互作用共同導致了疾病的發生，如圖1所示。因此僅從易感基因座位、腸道微生態對宿主的影響等單一維度無法揭示IBD的發病機制。

圖1 IBD發病因素之間的復雜相互作用

得益于測序和質譜技術的不斷進步和完善，涌現出的宏基因組測序、轉錄組學和蛋白質組學等技術手段能夠在不同維度上反映生物體形貌。如圖2所示，自2007年以來，每年涉及炎癥性腸病和高通量組學數據的研究文章和摘要的數量（log值）正在逐年上升。單一組學研究在疾病的診斷和治療中起著不可替代的作用，但是單組學的研究方式通常存在局限性，僅能從單一維度去描述多系統、多層次的IBD病理變化。此外富集分析結果范圍較大，其有效性有待考證，例如轉錄組學研究中盡管上游基因突變或喪失功能，但如果激活其他途徑，mRNA表達可能保持不變甚至增加，這顯然已無法滿足病因學研究的需要。相較于傳統的單組學技術手段，多組學聯合分析具有系統性與整體性的特點且組學間交叉驗證，其結果在IBD的發病機理，診斷和治療方面更具說服力。IBD表型異質性是由基因-環境相互作用所驅動，并且被腸道菌群失調介導。多組學聯合分析能夠更好地反映宿主免疫反應、宿主環境因素和腸道微生物群之間復雜的相互作用特征。

圖2 組學在IBD相關研究文章中的歷史趨勢

由美國國立衛生研究院（USA National Institutes of health，NIH）資助的人類微生物組項目聯盟召集了一批科學家來探索微生物群落及其與人類宿主的關系。人類微生物組計劃的第一階段（HMP）［3-4］通過確定包括胃腸道、鼻、皮膚、泌尿生殖道等在內的人類微生物組的多樣性和組成以評估與健康相關的微生物多樣性的共同模式；這些努力揭示了與人類有關的巨大微生物多樣性，并為宿主與微生物組間的相互作用關系提供了新的見解。人類微生物組計劃的第二階段（iHMP）［5］通過與微生物有關的3種人類疾病模型的研究，利用包括16S擴增子、宏基因組和宏轉錄組、代謝組和蛋白組數據、單細胞測序、病毒組測序以及血清學在內的多組學數據，建立了完整的分子互作網絡，并且系統揭示了腸道菌群的組成、多樣性以及穩定性與人體正常的生理功能以及疾病的發生密切相關。這3項縱向研究集中在（1）妊娠和早產；（2）腸道疾病發病，以炎癥性腸病為模型；（3）呼吸道病毒感染和2型糖尿病發病。作為iHMP研究的3個領域之一，研究人員深入剖析了炎癥性腸病宿主以及微生物活動的內在和外部關聯，同時也為應用多組學關聯分析技術進一步探究IBD的發病機制、尋找IBD的治療新靶點指明方向。此外，世界范圍內不同國家和地區也進行了多項IBD患者隊列的多組學研究，產生了海量IBD特征數據，這將有利醫學研究團隊深層次探究病因的分子機制。這些研究項目尋找出的有效靶點將成為未來IBD干預治療策略研究的新方向、新思路。目前根據臨床特征將IBD分為多個亞型，如果要開發一種更有針對性的治療方法，需要發現IBD的分子亞型，這些亞型可以作為新的藥物靶點。為了實現這一目標，需要從相同的IBD患者中獲得多層分子數據。本文探討了多組學關聯分析在IBD研究中的重要潛在應用，包括發病機理分析、疾病異質性特征分析、治療反應預測、新型靶向藥物開發、精準醫療等，為IBD的診療提供理論參考和借鑒。

1 宿主基因組學

基因分型（Genotyping），是通過使用生物學分析方法檢查個體的DNA序列并將其與其他個體的序列或參考序列進行比較來確定個體的遺傳組成（基因型）差異過程的技術。免疫芯片、全局篩選芯片和人外顯子組芯片的應用使得大規模檢測IBD易感基因座，探究人類遺傳因素與疾病表型之間的關系成為可能，也為宿主基因型和腸型之間的相互作用提供了強有力的證據。由英國、德國、瑞典等多個國家聯合成立的國際炎癥性腸病遺傳學聯盟（UK IBD Genetics Consortium，IIBDGC）致力于建立IBD患者和健康人群的高質量基因組DNA和表型信息，目前擁有來自IBD患者和健康對照者的大約40000個DNA樣品，現已發現了99個明確的IBD易感基因座。同時應用Immuno Chip定制芯片，為大約15000名CD患者，12000名UC患者和21000名健康對照患者進行分型，聯合基因型-表型分析技術挖掘全基因組關聯研究（Genome-Wide Association Studies，GWAS）數據，以鑒定更多的新型藥物靶點、改進現有診療方法為目標，為個性化治療提供數據支持。此外，我國炎癥性腸病學組證實了IBD遺傳易感性在東西方人群中存在顯著差異，這為我國IBD發病機制研究提供了新的研究方向［6］。

傳統芯片篩選技術僅能檢測出疾病已知關聯位點，針對潛在位點對疾病的遺傳影響不能很好地闡明，因此需要通過其他測序手段了解疾病的遺傳學機理。對特定細胞類型或組織中IBD全外顯子組測序和易感性基因座靶點重測序研究有望了解IBD發病機制中基因位點的功能作用，通過測序平臺的高特異性、靈敏度以及覆蓋度，深度發掘與IBD發病相關的基因信息。核苷酸結合寡聚化結構域蛋白2（NOD2）在CD的發病風險中最顯著，也是第一個被發現與IBD相關的基因［7-9］。與全基因組重測序相比，外顯子組測序和IBD易感基因座靶向重測序具有低成本、高效快捷的優勢，且能針對潛在變異位點反復測序，測序深度可達100x-150x，檢測到更多低頻和罕見變異，有利于更好地解釋所得變異與疾病的關系。宿主基因型和腸道型都與疾病表型有關，這為宿主基因型和腸道型之間的相互作用提供了強有力的證據。Weersma等［10］通過宿主基因組外顯子測序和全基因組測序，鑒定到12個微生物數量性狀基因座（microbial Quantitative Trait Locus，mbQTLs），包 括IBD相 關 基 因IL17REL、MYRF、SEC16A和WDR78。產短鏈脂肪酸途徑中乙酰輔酶A生物合成減少與基因MYRF變異相關，同時基因CYP2D6、GPR151和CD160的一些罕見變異也會導致代謝相關功能通路的變化，此外相互作用分析證實了TNFSF15基因中IBD疾病特異性mbQTLs。

通過測序技術找到的基因組易感位點范圍往往很大，其中許多變異位點僅僅具有統計意義上的關聯性，而不具有因果性，產生了很多和疾病無關的候選基因列表。黃海亮等［11］設計出新的精細化定位算法，精確定位出和疾病具有因果關系的易感位點，可以更多地了解與IBD發病機制相關的基因信息，并可拓展應用到其他復雜遺傳疾病上。盡管近十年以來，GWAS已經確定了許多IBD疾病易感位點，至少涉及300個基因［12］，但與IBD發生機制的關系還有待進一步闡釋。

2 環境組學和表觀基因組學

宿主環境包括飲食、種族、性別、抗生素用藥史等，在IBD患者發病病因中起到重要作用，并且能影響患者腸道微生物表型。例如，飲食被認為是長期和短期時間尺度上微生物結構和功能的重要決定因素［13-14］，涉及腸道菌群的IBD研究應在研究設計階段盡可能控制飲食。抽煙、闌尾切除術與UC呈負相關，但它們卻能加重CD；高脂飲食、精細碳水化合物與IBD的發生密切相關，相反富含水果、蔬菜和不飽和脂肪酸的飲食可以預防這類疾病；此外，維生素D供給不足、空氣污染、睡眠障礙、心理因素等也能影響IBD發生及發展［15］。這些結果表明在IBD的研究設計和分析中都應該包含這些影響因素。

許多證據表明，DNA甲基化、組蛋白修飾和miRNAs表達改變能解釋IBD發病過程中基因與環境因素的關系。“表觀遺傳學”的概念由Waddington等提出，包括DNA甲基化、組蛋白修飾和非編碼RNA［16］。表觀基因組描述了不同時期、不同細胞類型中的表觀遺傳修飾的位置，并找到它們的功能相關性，可以為炎癥性腸病的發病機理提供新的研究思路。Nimmo等［17］針對IBD患者外周血樣品繪制了CD不同階段的全局甲基化譜，與對照組相比，CD患者的甲基化水平顯著改變，包括一些免疫激活改 變 的 基 因：MAPKI3、FASLG、PRF1、S100A13、RIPK3和IL-21R等，證實相關基因的甲基化狀態是疾病狀態的預測指標。Kelly等［18］研究分析了CD患兒回腸上皮細胞的組蛋白甲基化特征，鑒定出組蛋白H3K4me3表觀遺傳修飾發生顯著變化的基因，主要集中在免疫調節、細胞生存和信號轉導等代謝通路，與患者的腸道炎癥程度密切相關。Kim等［19］通過甲基化特異性PCR和亞硫酸氫鹽測序技術對207例CD患者進行了功能驗證，確定了脆性組胺酸三聯體基因（FHIT）在CD患者中以疾病特異性的方式高度甲基化，并且發現其蛋白表達水平下調，確認甲基化FHIT是一種很有前景的CD生物標志物。涉及IBD發病機制的基因調控網絡研究不再是“單線程”（如基因組學或表觀基因組學）的研究方式，而應結合兩者共同解釋克羅恩病或潰瘍性結腸炎的基因分子調控機制，為IBD的診斷與治療提供新的研究方向。

3 宿主轉錄組學

IBD病因的復雜性超出了基因組和表觀遺傳學的范疇，并涉及基因調控下游的其它組件，包括轉錄組、蛋白質組和代謝組。轉錄組是某一生理條件下，細胞內全部RNA轉錄本的集合，能夠從整體上揭示細胞中基因的表達情況及調控規律。轉錄失調與包括IBD在內的多種疾病相關，分析組織中RNA的表達可以提供疾病活動、病程和治療效果等信息。Clark等［20］通過整合微陣列與miRNA數據集發現IBD患者中上調最多的基因與糖尿病發生（REG1A，REG1B）、細菌信號（TLRs、NLRs）、先天免疫（DEFA6、IDO1、EXOSC1）、炎癥（CXCLs）和基質降解（MMPs）相關；下調緊密連接蛋白（CLDN8）、溶質轉運蛋白（SLCs）和粘附蛋白基因表達，將重新定位現有IBD治療方法的藥物途徑和治療靶標。Momozawa等［21］通過大型轉錄組數據集鑒定了23650個順式-表達數量性狀基因座，確定了驅動63個IBD相關基因座的疾病相關性的調控模塊。此外，轉錄組還被應用于發現診斷和治療UC和CD患者的生物標志物。Lin等［22］識別出炎癥性腸病中的新型miRNA標志物包括miR-31、miR-206、miR-424和miR-146a，這將有助于炎癥性腸病的診斷。轉錄組學的主要挑戰之一是不同宿主細胞類型的表達譜差異性。隨著高通量測序技術的發展，這些局限性會被逐步優化和改進，從黏膜活檢標本中分離單個宿主細胞進行單細胞測序可以緩解這一問題。

4 蛋白質組學

蛋白質組學針對某一生物、組織或細胞在特定生理或病理條件，系統性研究所有蛋白質的特征、數量和功能，能夠獲得包括功能多樣性腸道菌群在內的環境樣本，揭示正在進行的代謝過程以及受環境變化如疾病狀況的影響，更有可能反映宿主與微生物生態系統的實際情況以及與IBD的內在關聯。Washington等［23］利用支持向量機算法和機器學習技術研究蛋白質組特征的預測效力，在區分CD和UC分類上獲得了較好的預測結果。Manfredi等［24］評估了UC與CD的血清蛋白譜，發現UC與CD患者相比對照組均有不同程度的蛋白表達差異，其中有些蛋白如KAIN、PRCC和GELS僅在CD中發現差異，還有些蛋白如LPPRC，SURF4和CHADL僅在UC中發現差異。Di等［25］發現與健康組相比，IBD患者中上調的蛋白在趨化因子和細胞因子活性、免疫性疾病生物標志物和自身免疫性疾病GWAS信號中顯著富集；相反，下調的蛋白在營養和代謝方面富集。蛋白質組學的應用有助于挖掘新的IBD標志物，發現的IBD相關生物標志物主要有血小板因子4［26］、結合珠蛋白［27］、波形蛋白［28］、人中性粒細胞防御素組分［29］等，這種蛋白質組學診斷模式為IBD的鑒別診斷提供具有臨床價值的參考標準。蛋白質組學可以有效地加速互補生物標志物的發現，從而能夠持續監測患者的治療反應；還可以進一步改善治療方法，并最終促進針對IBD的個性化藥物治療［30］。

5 代謝組學

代謝組是指細胞、組織或器官中所有代謝組分的集合，尤其是指分子質量在1000以下的小分子物質［31］。與細胞的主要功能單位蛋白質不同，代謝物是指代謝過程中生化活動產生的小分子，基因與蛋白質的微小調控最終反映在代謝物表型的變化［32］。近年來，研究人員開始利用代謝組學技術探討IBD病因機制，旨在改善疾病診斷和治療效果。Schicho等［33］采用核磁共振氫譜（NMR）分析IBD患者的血清和血漿樣本，發現IBD患者中的甲醇、甲酸鹽、甘露糖、氨基酸含量明顯增加，而尿素和檸檬酸鹽含量明顯降低。Wilson等［34］研究人員從血漿、血清、尿液、糞便、糞便揮發物、呼氣中的揮發性有機化合物等不同生物樣本對IBD人群進行定性定量分析發現，與非IBD人群相比，IBD患者的氧化三甲胺TMAO水平有所下降。這些數據表明，TMAO可能有潛力作為一種生物標志物，以支持IBD診斷以及評估UC的疾病活動。Marchesi等［35］采用無創代謝組學方法識別不同類型IBD糞便標本的代謝物特征，觀察到CD患者的糞便代謝譜相比UC患者存在顯著差異，表明CD引起的炎癥更廣泛，涉及整個腸道。這些研究說明了代謝組學在識別潛在生物標志物方面應用前景廣闊。此外，代謝組學作為其他組學技術的補充，能夠揭示關鍵生物學機制，具有明顯的應用價值。

6 微生物組學

盡管IBD病因尚不清楚，但越來越多證據表明IBD與腸道生態失衡有關［36］。目前IBD患者腸道微生物群落結構研究主要是通過糞便標本檢測，結果與腸道活檢標本檢測有明顯差異［37］，并不能很好地解釋IBD與腸道微生態失衡的強相關性。但仍然有其他證據，如服用抗生素后的新生兒在未來患有IBD的風險更高［38］，以及IBD風險位點與模式識別受體（PRRs）、免疫細胞因子相關［39］。PRRs能夠對病原菌產生應答，如與CD患者相關的NOD2基因能編碼胞內PRR，若該基因上的功能位點缺失，會導致腸道微生態中的有害菌清除功能障礙［40］。這些證據都能表明IBD發病與腸道微生物群落失衡有關，為進一步對IBD病因機制研究提供了方向。對腸道微生物群落的深入分析，以及對人體腸道和宿主微生物群落之間的相互作用分析，能夠更好地發現微生物相互作用（如合作、競爭、利他、侵略）對IBD發病機制的新見解。

6.1 16S rRNA擴增子測序

16S rRNA擴增子測序是研究微生物群落結構的常用手段。16S rDNA是細菌編碼核糖體16S亞基的基因，存在于原核微生物基因組中［41］，具備高度保守性（保守區）和特異性（可變區），是系統發育研究和分類學研究的理想目標。在一項中西方IBD患者隊列中，利用16S rRNA測序技術發現不同人種患者糞便標本中的腸道菌群變化模式相似，并且開發出一套用于IBD診斷的預測模型，CD與UC的預測準確率分別為87.5%和79.1%。另外發現對英夫利昔單抗治療應答的患者治療后腸道菌群多樣性恢復，梭菌目（Clostridiales）相對豐度顯著增加，這使得英夫利昔單抗更有針對性地治療IBD，從而達到降低成本和藥物不良反應發生率的目的［42］。在IBD患者腸道微生態中尋找豐度特異性變化的生物標志物成為臨床個性化治療IBD的重要基礎，發現是否有跨種族通用或特定的腸道微生物標志物可以顯示和預測疾病進展和藥物治療反應，為不同IBD患者菌群模式提供更多精準治療方案。

6.2 宏基因組學

宏基因組學是生境中全部微小生物遺傳物質的總和，以微生物多樣性、種群結構、進化關系、功能活性、相互協作關系及與環境之間的關系為研究目的［43］。通過宏基因組測序（Metagenomic Sequencing，MGS）得到的不同層面特征信息可用于給IBD疾病狀態和治療反應分類及預測。Douglas等［44］在腸檢樣本中鑒定出可作為標志物的腸道微生物，并研究了腸道菌群功能，鑒定出的嗜粘蛋白-艾克曼菌屬（Akkermansia muciniphila）在CD患者中豐度較低，MGS鑒定出的功能相關代謝通路如ko00633、KO7793等可較準確地預測治療反應。在一項西方IBD患者隊列研究中發現，IBD患者的糞便微生物多樣性相比健康組物種多樣性顯著減少［45］，這種變化與疾病發展緊密相關。更進一步研究表明，厚壁菌門豐度特異性減少，變形菌門豐度特異性增加，這種變化與復雜微生物群落介導宿主炎癥反應的環境應力相一致。

腸道菌群的縱向數據收集成本較高，但在某些情況下信息解釋度并不夠，因為腸道微生物具有一定的可塑性和穩定性。微生物群落對人類健康風險的影響在很大程度上取決于微生物之間合作交流、競爭侵略等相互作用［46］。因此，系統闡明微生物相互作用對宿主疾病的調控機制研究很有意義。姜立波等［47］將博弈論、行為生態學等學科理論整合到微生物相互作用關系的網絡架構中，并開發出一套基于物種豐度依賴性的互作網絡算法。微生物相互作用經驗法則的開發設計對解釋IBD遺傳-環境相互作用網絡具有重大意義。

7 多組學聯合分析

盡管基因組、轉錄組、蛋白質組、代謝組、微生物組等多個組學在探索IBD發病機制研究和提供更優的治療策略方面提供了極大的幫助。然而多數研究僅通過單一的組學從單一的因素入手，而沒有考慮到它們在健康或疾病中的復雜相互作用。基于IBD疾病的復發性，從單一角度可能無法很好的解釋疾病的發展過程，所以整合組學對于IBD的解讀擁有無可比擬的優勢。IBD系統生物學通過各種組學數據集結合多層次分析，能全面描述IBD分子特征，是IBD發生發展研究的理想方式。利用基因組學、轉錄組學和免疫組學可以觀察宿主遺傳結構和免疫應答；通過宏基因組測序和宏轉錄組可以測量腸道微生物；蛋白質組學、宏蛋白質組學和代謝組學可以測量宿主信號和微生物共代謝；通過飲食日記、飲食頻率問卷和標準化臨床記錄來測量環境因素。但多組學整合分析的工作還較為欠缺，樣本量、測序深度及數據庫注釋度是限制IBD多組學研究的主要因素，這會導致不同研究中得到的結果相互矛盾，表明標準化的必要性。如表1-2所示，世界各地的多個研究小組和協會正在生成大型數據集，包括廣泛的臨床數據與高通量組學數據。

多組學技術應用于腸道微生物研究，為遺傳、代謝和生化過程的變化提供了一個全局視角。如圖3所示，這種方法現在已被應用于IBD患者的腸道菌群，能幫助我們更好地理解IBD患者微生物組致病作用的具體機制，以及宿主-微生物相互作用的功能闡釋。IBDMDB項目作為iHMP的一部分，研究涉及宏基因組、宿主和宏轉錄組、蛋白質組、代謝組、病毒組、甲基化分析和16S測序，將微生物組成與基因關聯分析，在直腸和回腸分別獲得了106對和31對基因-OTU對，這與區分不同部位的不同基因表達模式一致；最后整合多組學構建出大規模交叉測量型關聯網絡，其中普拉氏梭桿菌（Fecalibacterium prausnitzii）相關性最強，能解釋在“失調”時相關基因、轉錄及蛋白水平表達下調。酰基肉堿與許多失調相關的物種有關，包括肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae），副流感嗜血桿菌（Haemophilus parainfluenzae）和鮑氏梭菌（Clostridium bolteae）等，這意味著包括長期生長和短期轉錄在內的多種調控尺度都參與其中［64］。在一項Alenghat等［65］主導的研究中，他們通過包括全基因組表達譜、16S rRNA擴增子測序和染色質免疫沉淀測序（ChIP seq）在內的多組學聯合分析發現，宿主遺傳和環境因素包括共生細菌信號，能影響IBD的發展和嚴重程度。他們認為HDAC3是協調腸上皮細胞內在轉錄途徑網絡的關鍵作用機制，HDAC3可調節IBD患者中多種細胞過程和共生菌信號。對腸道微生物群的反應改變是疾病風險的主要決定因素和疾病的可能機制，許多與保護腸道菌群相關的宿主生物功能易受組成基因中有害基因突變的影響。我們可以整合微生物組學和GWAS數據，研究宿主遺傳變異對微生物組的影響。在一項包括10000多名IBD患者和5000多名非IBD患者的多中心研究中，證明一種特定的錯義變體（rs13107325）與CD和結腸粘膜微生物組分的變化有關，所有樣本均在同一位置進行基因分型，驗證隊列最終證明了特定的IBD風險變異導致腸道微生物群的致病性變化［66］。

獻文［67］［5］［64］［48］［49］［50］［51］［52］［53］［54］［55］［56］本本本本本本本本標標標標標標標標便檢便便便便便便///糞/活/糞//糞/糞//糞/糞/糞序序本序序序序本序序序序序序測測標測測測測標測測測測測測法子檢法子法子檢子子子本法子法槍增活槍增槍增活增增增標槍增槍學鳥鳥組組本本組組腸活組組物因標標因因和膜因因生基便便基基糞——16S rRNA擴和鳥16S rRNA擴鳥16S rRNA擴道便粘基基微宏糞糞宏宏16S rRNA擴16S rRNA擴16S rRNA擴檢腸宏16S rRNA擴鳥宏————便/糞/糞/結學組質本組組質組組質白質白白標蛋本蛋本質蛋織白白主標主標主組蛋本宿便宿便蛋——宏標————————————宿腸——組（SCAFs）/糞漿本本本人）標勻標標便便便便列（/糞/糞/糞/糞組隊組組究謝謝組謝/糞謝代學代代代謝研學組向向向向代本謝靶靶靶靶向標組代——非非——————————非非靶便————多病本檢本本檢本本腸標活標標活標標性便腸便檢道本織血癥/糞/糞標組/全錄RNA-Seq/結錄RNA-Seq/活序序RNA-Seq/腸RNA-Seq/胞細檢腸片1 炎測測維芯學組組纖達成組RNA-Seq/活RNA-Seq/結表表錄轉主本轉主主本主腸因轉——宏宿標宏宿宿標宿人————————基/位析本本/分標標感本析/化液液分片基血化芯DNA甲/血血和IBD易標疫/序檢和周基免析測組/活序/外和測序細片標組本子析組測DNA甲胞維芯本胞學因標顯分子重組纖型子標GWAS分本細組基血外化顯向因成分顯血化白因主周主基外靶基腸因外周基血基——宿外宿甲全點全人基人外————————甲全量數12 90 1321 215 61821 561 63 183934——UC/CD 0/10 36/3638/67495/6150/367/115 0/1561 17/1982/509/015/9——The GEM Project Inflammation at IBDMDB稱HMP iHMP目名Med into Grad 1000 IBD Project IBDGC——Interfaces——————項

獻文［57］［58］［59］［60］［61］［62］［63］物容內腸/盲序測子增學組物微————16S rRNA擴——生——————本標本本本腸標標標結膜本膜本腸本標結標腸標粘臟腸臟腸腸和鼠）和粘/肝/結/肝/結/結/肝/結組組究（組組組組組研學質質質質質質質組白白白白白白白學質蛋蛋蛋蛋蛋蛋蛋組白主主主主主主主宿宿多宿宿蛋宿宿宿的型本標模臟本內肝標體和漿病漿血本腸血和標臟臟性凍癥/冷/肝/肝組2 炎組組謝謝謝學代代代組向向向表謝靶非————靶非————靶代非本本本標本標標腸標腸腸結膜結本本結本和粘和標標和標臟腸臟腸腸臟腸/肝/結/肝/結/結/肝/結片片片片片片片芯芯芯芯芯芯芯學達達達達達達達組表表表表表表表錄因因因因因因因轉基基基基基基基型型鼠模模小炎炎陷腸炎鼠性腸腸腸炎炎大腸缺結因移結-/-）轉導導導導結結DSS誘模DSS誘型DSS誘IL-10基胞T細DSS誘Mdr1a（

多組學聯合分析還能用于研究IBD患者中腸道菌群與免疫系統的相互作用。適應性免疫通過抗原特異性應答來保護微生物，免疫應答受損會改變腸道菌群結構，進而導致腸道菌群紊亂或失衡；反過來腸道菌群能夠促進粘膜免疫系統和全身免疫系統的正常發育與成熟，其生態失調則會破壞免疫系統。Erickson等［67］在6對健康或受CD影響的雙胞胎的糞便樣本中，通過宏基因組學和宏蛋白質組學技術，旨在明確與CD相關的基因和蛋白質水平的功能差異。最后發現在回腸克羅恩病患者的蛋白譜中，負責機體炎癥反應的蛋白質明顯增多，并且伴隨著細菌碳水化合物代謝和細菌-宿主相互作用的改變。多組學技術被越來越廣泛地用于闡析IBD患者中腸道微生物、免疫系統和宿主遺傳結構三者之間的相互作用關系，組學數據之間能互相補充和證明，確保研究結果的深入性和可靠性。在一項IBD宏基因組研究中，發現IBD患者和健康組之間有12%的代謝功能途徑存在顯著差異。另一項宏基因組學和宏蛋白質組學研究證實，iCD中丁酸鹽和丙酸鹽代謝基因減少，丁酸鹽和其他短鏈脂肪酸的總體水平降低，這與16S研究發現的產短鏈脂肪酸厚壁菌減少一致［68］。

圖3 IBD多組學聯合分析

此外，還能利用在IBD多組學產生的大規模數據指導早期靶向藥物開發和腸道微生物組干預治療策略［69］。Mills等［70］收集40名UC患者患者糞便樣品進行16S rRNA、基因組、代謝組學、蛋白質組學，同時對血清樣品進行蛋白質組測序，整合測序數據集分析與UC疾病嚴重程度相關的微生物因素，所有組學分析結果均顯示出與疾病嚴重性相關的大規模變化，其中代謝組和蛋白質組學最能預測UC疾病的嚴重性，最后確定擬桿菌屬（Bacteroides）蛋白酶是反映UC疾病嚴重程度的一個明顯特征，而這主要是由于蛋白酶蛋白表達的變化所引起，體內和體外實驗的證據均顯示細菌蛋白酶抑制劑可能是未來治療UC的一種新型治療方法。Jia等［62］通過使用葡聚糖硫酸鈉（DSS）誘導的結腸炎小鼠模型進行多組學評估，發現歐芹通過改善腸道菌群失調進而干預IBD。更好地了解營養物質和腸道微生物群之間的協同相互作用，將有助于制定更有效的IBD干預手段。

8 總結與展望

多種高通量測序技術可用于識別和定量分子表型，包括基因和miRNA表達水平、表觀遺傳特征和腸道菌群組成等，可鑒定出一系列與臨床表型相關的IBD亞型。更好地將IBD劃分為不同的表型不僅有助于更好地了解疾病，還有可能有助于確定特定的患者亞群，這些患者將從特定的干預措施中受益。盡管多組學數據的整合與建模仍具有挑戰性，但多組學IBD分子表型分析，有助于了解IBD病因及開發個性化疾病管理和療法。當常規抗炎藥物失效時，在分子途徑水平上識別IBD亞型將有助于確定更適配的治療方案。為了合理使用這些治療資源，發現能夠可靠地識別哪些病人會從某種藥物中受益或受到傷害的生物標志物將是至關重要的。例如，美國PRISM隊列采用16S rRNA擴增子和宏基因組測序技術發現微生物譜可以預測維多株單抗（Vedolizumab，一種腸道選擇性生物制劑）療效［71］。Rueedi等［72］對兩組不同隊列CD患者的尿液進行了代謝組和全基因組關聯分析，結果表明，一種特異性SNP（rs492602）與巖藻糖基轉移酶FUT2之間存在聯系，FUT2與CD相關，得出FUT2可能是一個有用的CD預后生物標志物這一結論。這項研究表明遺傳風險位點是IBD蛋白表達變化的驅動因素，值得進一步研究以證實其因果性和有效性。

雖然新型生物標志物（表3）在臨床研究中表現出較好的預測效能，但是仍存在一定的局限性。生物標志物的結果可靠性有賴于研究對象的基因背景、治療方案、微生態組成、隨訪時間等多個影響因素［78］，其臨床價值不具備普適性。因此，我們需要進行多中心、大規模、標準化的臨床研究，提高生物標志物對IBD的診斷與鑒別水平，有利于擴大IBD人群的適用范圍。確定IBD個性化治療方案不僅需要臨床特征信息的輸入，還需要聯合復雜的多組學數據。因此，在大數據研究中整合這些多維數據源對IBD精準醫療的發展顯得十分重要。可以樂觀地預見，多組學聯合分析技術將為IBD患者提供特異性的藥物治療方案。

獻文參［73］考［73］［73］［73］［73］［74］［74］［73］［75-76］、醇PUS10，、肌miR-98，TNFSF8，IGNG，鹽酸ERAP2，IL10，CREM，、乳酸氨LRRK2、纈PIM3，IL/R，NDFIP1，TAGAP，IL2R，PRDM1，酸SLC22A4，氨、亮↓）TNFRSF9，氨TNFSF8，IL12B，IL23，酸GPC4，GPX1，亮、異miR-362-3p，miR-532-3p，ICAM3（CCL8，CCR6，胺IL8RB，氨酰鹽miRs-103-2*，物CCL2，CCL7，酸IL8RA，ADO，志標BACH2，TNFSF4，VMP1，、谷CUL2，MST1，物miR-98，miR125b-1*，let-7e*，IBD生、谷鹽氨酸、甲CCL11，CDH1，ERRFI1，堿的現CPEB4，HNF4A，WDR8，ITGB2，CARD9，CDH1（發↑）；DOK2，、膽究MUC19，酸氨研ICOSLG，TNFSF*15，PRDX5，學GNA12，IL27，SBNO2，FASLG，THAA，組多）酸）；IFITM1（↓過LRRK2，DAP，DLD JAK2，TYK2，著（↑）；丙顯3 通為氨堿HSPA6，、賴PARK7，表膽，CXCL1最酰IL23R，miRplusF1159，miR20b，磷CDH11等GBGT1，因↑）達PEX13、甘表分IBD vs. controlsCARD 9，RER，XBP1，基DENND1B，異FGR2a*/B，IL21，糖萄物FANCC，差：19個志miR-484（、葡油miRplus-E1035，酸標IGFBP4，FAM10A4（↑物：CYLD、IL23，IL1R1，IL1R2，SERNC3，ORMDL3，UTS2，腸膜SLC11A1，LNPEP，CBGT1，： 精的NOD2，ITLN1，ATG16L1，STAT3，IRGM，結粘狀腸氨生腸在miR340*，結潛乙結CD vs. controls UC vs. controls組IBD vs. controlsTHRAP2，CD vs. controls IBD vs. controls CD vs. controls IBD vs. controlsmiRs-3180-3p，UC vs. controls）態組狀因組基化組組學因觀基錄謝組基甲表（轉代［75-76］［77］［77］）［77］4、［77］［75］［75］（↓、視白鹽蛋白合酸菌菌蛋二應結桿球醇黃擬胃、丁）C-反弱瘤、視脆潑（↓Fusobacterium、醇白肌酸菌桿鹽氨蛋色應梭、乳酸、氏-3、CXCL16、拉素普）酸酸（↓氨氨組集-3、C-反Clostridium difficil、活凝素纈）鹽、菌、酸（↓酸胺糖）集乳（↓凝↑）梭Fusobacterium varium、性）氨胺馬氨半糖難菌樣艱桿尿酰酸多氨（↓IL-8、IL-18、、三鹽、乳物生Faecalibacterium）、變腸、TNF-RI、TNF-RII、IL-8、IL-18、CXCL16、半微屬亮甲、谷antichitin、antilaminarin、PAB、IL-18、CXCL16（亮甲檸酸、酸酸甲色菌三、Campylobacter concisus、梭賴酸異、、形）、酸基氨氨胺檬氨、鹽鹽）；丙桿氨酸酸（↑糞酰丁硫（↑氨、酚酸尿、TNF-RII、鹽氨白）；馬胺酸組蛋丁、TNF-RI、Dialister invisus、）；4-甲二丁、衛曲Klebsiella pneumoniae、氨鹽酸）；乙菌酸鈣菌谷鹽（↑谷桿特斯氨酰、酸酸、彎菌Roseburia hominis和酸谷利明伯（↑（↑二酸基白阿組簡雷菌戴、酸氨羥氨氨甲、衛鹽氨組、：S100A12、蛋氏濁酸賴基酸鈣炎膜瑞渾肺、甲索）、拜基谷胺甲粘酸、胡斯（↓酯羅酰、酸冬堿氨酯延白Enterotoxigenic Bacteroides fragilis人胺乙甲基）；天膽纈酸、）S100A12、蛋、）衛Escherichia coli、克大Bacteroides vulgatus、菌如桿、乙酸（（↑PAB、（↓）；結酸酸基氨氨氨胍脯素（↑桿：atypical pANCA、GAB、S100A12、鈣菌白）、、（↑擬鹽胺鹽酸ACCA、gASCA、anti-OmpC、AMCA、腸）；脂蛋菌三胍anti-OmpC、弱酸甲酸索（↑酸酸氨連白脆、鹽酸鐵（↑）；丙亮、、蛋↑）性丁（↑乙延乳白鐵菌素產Mycobacterium avium paratuberculosis、、）醇胡堿亮乙、氨醇蛋膽（↑Bifidobacterium adolescentis、菌衛酸酸酸擬腸異、酸（↓鈣、S100A12、連、S100A12、蛋桿通產菌枝素：atypical pANCA、IL-8（）普酰、酸氨乳gASCA、素桿胰歧：S100A12、）氨氨氨鐵Phylum proteobacteria、油甘甘、磷油氨甘、、、甘核桿毒）4、雙白結（↓賴甘甘、、、酸）；脂白（↑春蛋酸鹽氨鹽鹽鹽酸酸酸酸氨蛋青白：副Phylum Firmicutes、島：ALCA、白蛋：天：谷：葡：丙：甲丁（↑衛：檸：天結：鈣萄變Bacteroides fragilis、素：鈣膜合：乳病門粘：ALCA、菌門恩菌二氨檬冬便液清腸便液清清醇便糖氨酸冬清島便腸清清便形羅壁糞尿血結糞尿血血黃糞血胰糞結血血糞Ruminococcus gnavus、分克 厚prausnitzii、）蛋衛CD vs. controls CD vs. controls UC vs. controls CD vs. UC UC vs. CD IBD vs. controls）調調上IBD vs. controls下（（組組質物白生蛋微