CN114410809A - 慢传输便秘标志微生物及其应用 - Google Patents

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CN114410809A CN202111492678.2A CN202111492678A CN114410809A CN 114410809 A CN114410809 A CN 114410809A CN 202111492678 A CN202111492678 A CN 202111492678A CN 114410809 A CN114410809 A CN 114410809A
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Abstract

本发明提出了慢传输便秘标志微生物及其应用，根据所述标志微生物进一步提出了一种试剂盒，包括适于检测标志微生物中的至少一种菌种的试剂，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。本发明提出的微生物在健康人群和慢传输便秘患者中的丰度具有显著差异，可以作为检测和/或治疗慢传输便秘的标志物。

Description

慢传输便秘标志微生物及其应用
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体的，本发明涉及慢传输便秘标志微生物及其应用，更具体的，本发明涉及一种试剂盒、试剂在制备试剂盒中的用途、用于预防或者治疗慢传输便秘的药物标志微生物或者食品标志微生物、确定个体是否患有慢传输便秘的方法、确定个体是否患有慢传输便秘的装置、一种装置、一种筛选药物的方法。
背景技术
慢传输型便秘(Slow Transit Constipation,STC)是传输比较慢的一种便秘，由于大肠功能紊乱，传导失常而导致排便周期延长和排便困难，属于慢性、原发性、功能性、结肠性和传输缓慢性便秘。现在医学病理上没有完全明确，可能与肠神经系统、中枢神经及自主神经系统调节功能障碍，激素水平异常等有关，目前达成共识的是长期不良的生活习惯，比如居无规律、饮食过于精细、减肥、节食、缺少锻炼导致肠道受刺激不足，排便动作缺乏，粪便在肠腔内滞留时间过久，而形成慢传输型便秘。利用微生物标志物对慢传输型便秘进行无创检测，可帮助患者或易感人群对该疾病进行预防或治疗，对于慢传输型便秘的治愈及研究具有重要意义。
发明内容
本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：
本申请的申请人通过前期大量研究，意外地发现一些微生物可以作为检测慢传输便秘的标志微生物，为早期发现慢传输便秘提供一种非侵入性方法；合理有效地应用标志微生物，抑制肠道潜在致病菌，可以治疗或减轻慢传输便秘的临床症状。
为此，在本发明的第一方面，本发明提出了一种试剂盒。根据本发明的实施例，包括适于检测标志微生物中的至少一种菌种的试剂，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌Clostridium hathewayi、毛螺科菌Lachnospiraceae bacterium 3157FAA CT1、新属种Subdoligranulum unclassified、白粉科菌Erysipelotrichaceae bacterium 2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌Gordonibacterpamelaeae、艾克曼菌Akkermansia muciniphila、共生梭菌Clostridium symbiosum。本发明实施例的标志微生物的是发明人通过对大量患慢传输便秘个体和大量健康对照个体的粪便样本中的微生物的丰度进行差异比较分析和验证而确定下来的，从而明确了慢传输便秘相关的标志微生物，所述标志微生物可以非侵入性的在早期发现或辅助检测慢传输便秘，确定个体患有慢传输便秘的概率高低或者处于健康状态的概率高低。因此，根据本发明实施的包含检测所述标志微生物至少之一菌种的试剂的试剂盒可以非侵入性的在早期发现或辅助检测慢传输便秘，准确确定个体患有慢传输便秘的概率高低或者处于健康状态的概率高低。
在本发明的第二方面，本发明提出了试剂在制备试剂盒中的用途，所述试剂适于检测标志微生物中的至少一种菌种。根据本发明的实施例，所述试剂适于检测标志微生物中的至少一种菌种，所述试剂盒用于诊断慢传输便秘或者检测慢传输便秘的治疗效果，所述标志微生物由以下菌种组成：(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceaebacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。根据本发明具体实施例的试剂制备的试剂盒，可以准确的检测所述标志微生物中的至少一种菌种，极准确的区分慢传输便秘患者和健康个体，由此，可以有效的在早期进行慢传输便秘诊断，或用于检测治疗过程中慢传输便秘的变化。
在本发明的第三方面，本发明提出了一种确定个体是否患有慢传输便秘的方法。根据本发明的实施例，(1)确定所述个体的粪便样本中标志微生物的丰度；(2)将步骤(1)中得到的所述丰度与预定的阈值进行比较，以便确定所述个体是否患有慢传输便秘；其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种
(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceaebacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。根据本发明实施例的方法可以依据个体的粪便样本中的所述标志微生物中的各种菌种的丰度确定个体是否患有慢传输便秘，所述标志微生物是发明人对大量已知状态的粪便样本进行验证，通过差异比较分析各种肠道微生物的丰度，而确定下来的。
在本发明的第四方面，本发明提出了一种确定个体是否患有慢传输便秘的装置。根据本发明的实施例，包括：丰度确定单元，用于确定所述个体的粪便样本中标志微生物的丰度；比较单元，用于将所得到的所述丰度与预定的阈值进行比较，以便确定所述个体是否患有慢传输便秘；其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridiumhathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。所述标志微生物是发明人通过差异比较分析各种肠道微生物在慢传输便秘患者和健康人群的粪便样本中的丰度后经过分析以及对大量已知状态的粪便样本的验证而确定下来的，根据本发明实施例的装置可以准确确定所述个体是否为慢传输便秘的高风险人群或慢传输便秘患者。
在本发明的第五方面，本发明提出了一种装置。根据本发明的实施例，包括：计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序用于第三方面所述的方法；以及一个或者多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。根据本发明实施例的装置可以准确确定个体是否为慢传输便秘的高风险人群或慢传输便秘患者。
在本发明的第六方面，本发明提出了一种筛选药物的方法。根据本发明的实施例，所述药物用于治疗或者预防慢传输便秘，所述方法包括：将候选药物施用于受试者，检测施用前后，所述受试者粪便中标志微生物的丰度，满足下列条件的候选药物适于用于治疗或者预防慢传输便秘：进行所述施用后，所述标志微生物中的至少一种菌种的所述丰度降低；其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。根据本发明实施例的方法可以生产或筛选出抑制所述标志微生物各种菌种生长的药物，对于辅助减轻慢传输便秘的临床症状具有重要意义。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的筛选慢传输便秘标志微生物实验分析流程示意图；以及
图2是根据本发明实施例的7个标志微生物综合指标AUC评价结果示意图，其中，Specificity表示特异度，即预测为阳性且实际为阳性，真阳性，纵坐标Sensitivity表示敏感度，即真阴性，Confidence interval表示置信区间：
2-A为一期90个样品数据ROC曲线下AUC值和置信区间结果图；
2-B为二期28个样品数据ROC曲线下AUC值和置信区间结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
术语“任选地”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。由此，限定有“任选地”的特征可以明示或者隐含地包括或不包括该特征。
生物学标志物是从生物学介质中可以检测到的细胞/生物化学或分子改变。生物学介质包括各种体液、组织、细胞、粪便、头发、呼气等。
微生物的丰度是指在某一微生物群体中该种微生物的丰富程度，例如在肠道微生物群体中的该种微生物程度，可表示为该种微生物在该群体中的含量。
根据本发明的一个实施方式提供的一种试剂盒，包括适于检测标志微生物中的至少之一的菌种的试剂，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridiumhathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansiamuciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
根据本发明的具体实施方案，所述试剂盒包括适于检测所述标志微生物中全部所述菌种的试剂。
根据本发明的具体实施方案，所述适于检测所述标志微生物的试剂不受特别限制，可以检测所述微生物菌种的试剂均包含在本发明的范围内，如通过形态学特征、生理生化反应特征、生态学特征以及血清学反应、对噬菌体的敏感性、分子生物学等方面检测所述微生物菌种的试剂等，具体的，如抗体、酶、核酸分子。
本文中，所述微生物形态学特征指：在显微镜下观察微生物外形大小、形状、排列等，细胞构造，革兰氏染色反应，能否运动、鞭毛着生部位和数目，有无芽孢和荚膜、芽孢的大小和位置，放线菌和真菌的繁殖器官的形状、构造，孢子的数目、形状、大小、颜色和表面特征等。
本文中，所述微生物生理生化反应特征指：微生物利用物质的能力、代谢产物的特殊性，如是否产生H2S、吲哚、CO2、醇、有机酸，能否还原硝酸盐，能否使牛奶凝固、冻化等、生长环境(适宜生长的温度、湿度、氧气及二氧化碳等气体的浓度、PH、是否耐高渗、是否有嗜盐性等)、与其它生物间的关系(如：共生、寄生、宿主范围及致病情况)等。
本文中，所述微生物血清学反应指：利用抗原与抗体的高度敏感特异性反应，来鉴别相似的菌种，或对同种微生物分型，如用已知菌种、型或菌株制成的抗血清，与待鉴定的所述微生物是否发生特异性的血清学反应来鉴定微生物。
本文中，分子生物学方法检测微生物主要包括：利用PCR技术、高通量测序等方法。
根据本发明提供的试剂在制备试剂盒中的用途，所述试剂适于检测标志微生物中的至少一种菌种，所述试剂盒用于诊断慢传输便秘或者检测慢传输便秘的治疗效果，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
根据本发明的具体实施方案，所述标志微生物是发明人通过对大量患慢传输便秘个体和大量健康对照个体的粪便样本中的微生物的丰度的差异比较分析、以及验证，而确定下来的，明确了肠道微生物中慢传输便秘相关的微生物标志物。利用检测所述标志微生物的试剂能够确定个体患有慢传输便秘的概率高低或者处于健康状态的概率高低，能够用于非侵入性的早期发现或辅助检测慢传输便秘。
根据本发明的具体实施例，所述适于检测所述标志微生物的试剂不受特别限制，可以检测所述微生物菌种的试剂均包含在本发明的范围内，如通过形态学特征、生理生化反应特征、生态学特征以及血清学反应、对噬菌体的敏感性、分子生物学等方面检测所述微生物菌种的试剂等，具体的，如抗体、酶、核酸分子。
本文中，所述微生物形态学特征指：在显微镜下观察微生物外形大小、形状、排列等，细胞构造，革兰氏染色反应，能否运动、鞭毛着生部位和数目，有无芽孢和荚膜、芽孢的大小和位置，放线菌和真菌的繁殖器官的形状、构造，孢子的数目、形状、大小、颜色和表面特征等。
本文中，所述微生物生理生化反应特征指：微生物利用物质的能力、代谢产物的特殊性，如是否产生H2S、吲哚、CO2、醇、有机酸，能否还原硝酸盐，能否使牛奶凝固、冻化等、生长环境(生长的温度、湿度、氧气及二氧化碳等气体的浓度、PH、是否耐高渗、是否有嗜盐性等)、与其它生物间的关系(如：共生、寄生、宿主范围及致病情况)等。
本文中，所述微生物血清学反应指：利用抗原与抗体的高度敏感特异性反应，来鉴别相似的菌种，或对同种微生物分型，如用已知菌种、型或菌株制成的抗血清，与待鉴定的所述微生物是否发生特异性的血清学反应来鉴定微生物。
本文中，分子生物学方法检测微生物主要包括：利用PCR技术、高通量测序等方法。
根据本发明提供的一种确定个体是否患有慢传输便秘的方法，包括步骤(1)和(2)。
(1)确定所述个体的粪便样本中的标志微生物的丰度。
所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。根据本发明的一些具体的实施方案，步骤(1)进一步包括：获得所述个体的粪便样本中的核酸测序数据；将所述测序数据与参考基因组进行比对；基于所述比对的结果，确定所述标志微生物的丰度。
根据本发明的具体实施方案，在步骤(1)中，按照下列公式确定所述标志微生物的丰度：Ab(S)＝Ab(US)+Ab(MS)，其中其中，S表示所述标志微生物的编号，Ab(S)表示所述标志微生物S的丰度，Ab(US)＝US/lS，US为所述测序数据中与所述标志微生物S的参考基因组唯一比对的读段数目，lS为所述标志微生物S的参考基因组的总长度，
Figure BDA0003399911040000061
MS为所述测序数据中与所述标志微生物S的参考基因组非唯一比对的读段的数目，i表示所述非唯一比对读段的编号，Coi为所述第i读段对应的丰度系数，
Figure BDA0003399911040000062
Coi,s表示针对所述标志微生物S，所述非唯一比对的读段i的丰度系数，N为所述非唯一比对的读段i能够比对的微生物的总数，j表示所述非唯一比对的读段i能够比对的微生物的编号。
所称的测序数据通过对样本中的核酸序列进行测序得来，测序依据所选的测序平台的不同，可选择但不限于半导体测序技术平台比如PGM、Ion Proton、BGISEQ-100平台，合成边测序的技术平台比如Illumina公司的Hiseq、Miseq序列平台以及单分子实时测序平台比如PacBio序列平台。测序方式可以选择单端测序，也可以选择双末端测序，获得的下机数据是测读出来的片段，称为读段(reads)。
比对可以利用已知比对软件进行，例如SOAP、BWA和TeraMap等，在比对过程中，一般对比对参数进行设置，设置一个或者一对读段(reads)最多允许有s个碱基错配(mismatch)，例如设置s≤2，若reads中有超过s个碱基发生错配，则视为该reads无法比对到(比对上)该组装片段上。所称的获得的比对结果包含各条读段与各物种的参考基因组的比对情况，包括读段是否能够比对上某个或某些物种的参考基因组、只唯一比对到一种物种还是比对到多种物种的参考基因组、比对到物种的参考基因组的位置、比对到物种参考基因组的唯一位置还是多个位置等信息。
所称菌种/微生物的参考基因组指预先确定的该微生物物种的序列，可以是预先获得的待测样本所属或者所包含的生物类别的任意参考模板，例如，目标是待测样本中的微生物，参考序列可选择NCBI数据库中的各种微生物的参考基因组和/或HMP、MetaHIT项目公开的DACC肠道基因组，进一步地，也可以预先配置包含更多参考序列的资源库，例如依据待测样本来源的个体的状态、地域等因素选择或是测定组装出更接近的序列作为参考序列。根据本发明的一个实施例，各种微生物的参考基因组从公开的数据库中获得，通常的，一种微生物的参考基因组有多个版本，即一种微生物有多个公开的参考基因组。
reads与物种的参考基因组比对，比对上的可以被分为两部分：a)Unique reads(U)：唯一比对上一个物种的基因组；称这些reads为unique reads。即，如果reads比对上的基因组均来自同一物种，定义这些reads为unique reads。b)Multiple reads(M)：比对上一个以上物种的基因组，定义为multiple reads。即，如果reads比对上的基因组来自至少两种物种，定义这些reads为multiple reads。
(2)丰度比较，以确定个体是否患有慢传输便秘。
根据本发明的一个实施例，将步骤(1)中得到的所述丰度与预定的阈值进行比较，以便确定所述个体是否患有慢传输便秘。
根据本发明的一些具体实施例，所述阈值为预先设定的。将标志微生物在待测个体样本中的丰度与所述的阈值比较，基于所述待测个体样本中的丰度是否达到所述阈值，进行待测个体的状态的确定。所述阈值可以为一数值或者数值范围，例如，基于已知患病或健康状态个体中的标志微生物的丰度均值，该微生物对应的阈值可以设为该丰度均值的95％的置信区间(Confidence interval)。
所述的置信区间是指由样本统计量所构造的总体参数的估计区间。在统计学中，一个概率样本的置信区间是对这个样本的某个总体参数的区间估计。置信区间展现的是这个参数的真实值有一定概率落在测量结果的周围的程度。置信区间给出的是被测量参数的测量值的可信程度，即前面所要求的“一定概率”，这个概率被称为置信水平。
根据本发明的一些具体实施例，当步骤(1)中确定的标志微生物的丰度达到所述患慢传输便秘丰度阈值，确定所述个体患有慢传输便秘，当(1)中确定的标志微生物的丰度未达到患慢传输便秘丰度阈值时，确定所述个体不患慢传输便秘。
需要说明的是，根据目的或要求不同，可能对确定个体状态结果的可信程度有不同的要求，本领域技术人员可以选择不同的显著性水平或阈值。
该方法基于检测个体的粪便样本中的标志微生物中的各种菌种的丰度，分别将检测确定的各种菌种的丰度与其阈值进行比较，依据获得的比较结果能够确定个体为慢传输便秘个体或者为健康个体的概率。为早期发现慢传输便秘提供一种非侵入性的辅助检测或者辅助干预治疗的方法。
以上任一实施例中的利用标志微生物确定个体是否患有慢传输便秘的方法的全部或部分步骤，可以利用包含可拆分的相应单元功能模块的装置/系统来施行，或者将方法程序化、存储于机器可读介质，利用机器运行该可读介质来实现。
根据本发明提供的一种确定个体是否患有慢传输便秘的装置，该装置包括：丰度确定单元，用于确定所述个体的粪便样本中的所述标志微生物的丰度；比较单元，用于将所得到的所述丰度与预定的阈值进行比较，以便确定所述个体是否患有慢传输便秘；其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。上述对本发明任一实施例的利用标志微生物确定个体是否患有慢传输便秘的方法的技术特征和优点的描述，同样适用本发明这一方面的装置，在此不再赘述。
根据本发明的实施例，所述丰度确定单元适于通过下列步骤确定所述丰度：获得所述个体的粪便样本中的核酸测序数据；将所述测序数据与参考基因组进行比对；基于所述比对的结果，确定所述标志微生物的丰度。
所称的测序数据通过对样本中的核酸序列进行测序得来，测序依据所选的测序平台的不同，可选择但不限于半导体测序技术平台比如PGM、Ion Proton、BGISEQ-100平台，合成边测序的技术平台比如Illumina公司的Hiseq、Miseq序列平台以及单分子实时测序平台比如PacBio序列平台。测序方式可以选择单端测序，也可以选择双末端测序，获得的下机数据是测读出来的片段，称为读段(reads)。
比对可以利用已知比对软件进行，例如SOAP、BWA和TeraMap等，在比对过程中，一般对比对参数进行设置，设置一个或者一对读段(reads)最多允许有s个碱基错配(mismatch)，例如设置s≤2，若reads中有超过s个碱基发生错配，则视为该reads无法比对到(比对上)该组装片段上。所称的获得的比对结果包含各条读段与各物种参考的基因组的比对情况，包括读段是否能够比对上某个或某些物种的参考基因组、只唯一比对到一种物种还是比对到多种物种的参考基因组、比对到物种的参考基因组的位置、比对到物种参考基因组的唯一位置还是多个位置等信息。
所称微生物的参考基因组指预先确定的该微生物物种的序列，可以是预先获得的待测样本所属或者所包含的生物类别的任意参考模板，例如，目标是待测样本中的微生物，参考序列可选择NCBI数据库中的各种微生物的参考基因组和/或HMP、MetaHIT项目公开的DACC肠道基因组，进一步地，也可以预先配置包含更多参考序列的资源库，例如依据待测样本来源的个体的状态、地域等因素选择或是测定组装出更接近的序列作为参考序列。根据本发明的一个实施例，各种微生物的参考基因组从公开的数据库中获得，通常的，一种微生物的参考基因组有多个版本，即一种微生物有多个公开的参考基因组。
reads与物种的参考基因组比对，比对上的可以被分为两部分：a)Uniquereads(U)：唯一比对上一个物种的参考基因组；称这些reads为uniquereads。即，如果reads比对上的参考基因组均来自同一物种，定义这些reads为uniquereads。b)Multiplereads(M)：比对上一个以上物种的参考基因组，定义为multiplereads。即，如果reads比对上的参考基因组来自至少两种物种，定义这些reads为multiplereads。
根据本发明的一个实施方案，按照下列公式确定所述标志微生物的丰度：Ab(S)＝Ab(US)+Ab(MS)，其中，S表示所述标志微生物的编号，Ab(S)表示所述标志微生物S的丰度，Ab(US)＝US/lS，US为所述测序数据中与所述标志微生物S的参考基因组唯一比对的读段数目，lS为所述标志微生物S的参考基因组的总长度，
Figure BDA0003399911040000081
MS为所述测序数据中与所述标志微生物S的参考基因组非唯一比对的读段的数目，i表示所述非唯一比对读段的编号，Coi为所述第i读段对应的丰度系数，
Figure BDA0003399911040000082
Coi,s表示针对所述标志微生物S，所述非唯一比对的读段i的丰度系数，N为所述非唯一比对的读段i能够比对的微生物的总数，j表示所述非唯一比对的读段i能够比对的微生物的编号。上述对本发明任一实施例的利用标志微生物确定个体是否患有慢传输便秘的方法的技术特征和优点的描述，同样适用本发明这一方面的装置，在此不再赘述。
根据本发明提供的一种装置，包括：计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序用于执行前面所述的一种确定个体是否患有慢传输便秘的方法；以及一个或者多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
根据本发明提供的一种筛选药物的方法，所述药物用于治疗或者预防慢传输便秘，所述方法包括：将候选药物施用于受试者，检测施用前后，所述受试者粪便中标志微生物的丰度，其中，满足下列条件的候选药物适于用于治疗或者预防慢传输便秘：进行所述施用后，所述标志微生物中的至少一种菌种的所述丰度降低；其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceaebacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。根据本发明实施例的方法可以生产或筛选出抑制所述标志微生物中各种菌种生长的药物，对于辅助减轻慢传输便秘的临床症状具有重要意义。
利用本发明这一方面的生产或筛选治疗慢传输便秘的药物的方法，通过合理有效地应用确定的慢传输便秘生物标志物进行筛选，能够获得能扶持肠道有益菌的生长和/或抑制肠道潜在致病菌的药物，对于治愈和/或减轻慢传输便秘的临床症状具有重要意义。
下面将对实施例作具体介绍。以下实施例中涉及的未特别交待的试剂、序列、软件及仪器，都是常规市售产品。
实施例1生物标志物的鉴定
本实施例中，发明人通过对来自同济大学附属第十人民医院的118例粪便研究样本进行研究，其中有52例慢传输便秘患者粪便样品、66例中国健康对照粪便样品。我们将118例样本分为一期和二期，一期90个样品(包含40例慢传输便秘患者与50例正常人)，二期28例样品(包含12例慢传输便秘患者与16例正常人)。在实施例1中对118例样本进行统一处理，包括样本收集和DNA提取、构建DNA文库和测序、微生物物种丰度分析。在实施例2中，用90例一期数据进行微生物物种标记物的筛选。在实施例3中，用28例二期数据进行微生物物种标记物的验证。
1、样本收集和DNA提取
慢传输便秘患者来自同济大学附属第十人民医院，实验共采集了52例中国慢传输便秘患者粪便样品、66例中国健康对照粪便样品，其中每个个体的新鲜粪便样品分成200mg/份，共5份，立即-80℃冰箱冷冻保存。按照苯酚三氯甲烷处理提取DNA方法提取DNA。
2、构建DNA文库及测序
DNA建库按仪器制造商(Illumina)的操作指南进行。对文库进行PE 2*150bp测序。Illumina HiSeq2500平台对118个样品的文库进行测序。每个样本平均产生13.428Gb高质量测序结果，总计1584.5Gb测序数据量。
参照图1的实验流程，鉴定慢传输便秘的相关生物标志物，其中省略的步骤或者细节为本领域技术人员所熟知，几个重要步骤介绍如下面所述。
3、微生物物种丰度分析
3.1序列优化统计
首先进行第一期测序，本期测序采集90个样品的数据，获得第一期的90个样品的测序数据以后，对其进行过滤，质控按以下标准进行：a)移除大于3个N碱基的reads；b)去除低质量(Q20)的N50reads；c)移除超过10个低质量(Q2)的碱基或指定尾部N碱基数。丢失成对reads的序列被认为是单条reads用于组装。
3.2物种丰度分析
SOAPalign2.21用于匹配针对冗余基因组的paired-endcleanreads，参数为–r2–m200–x 1000。Reads与冗余基因组比对，可能被分为两部分：a)Uniquereads(U)：reads只与一个基因组比对；这些基因被定义为uniquereads。b)Multiplereads(M)：如果这些基因组来着同一物种，reads与一个以上的基因组比对；我们将这些reads定义为uniquereads。如果来着不同物种，我们定义为multiplereads。
对于物种S，如果丰度为Ab(S)，可能与U特有reads和M共享reads相关，评估方式如下：
Ab(S)＝Ab(US)+Ab(MS)，
其中，S表示所述标志微生物的编号，
Ab(S)表示所述标志微生物S的丰度，
Ab(US)＝US/lS，
US为所述测序数据中与所述标志微生物S的参考基因组唯一比对的读段数目，
lS为所述标志微生物S的参考基因组的总长度，
Figure BDA0003399911040000101
MS为所述测序数据中与所述标志微生物S的参考基因组非唯一比对的读段的数目，
Coi为所述第i读段对应的丰度系数，
Figure BDA0003399911040000102
i表示所述非唯一比对读段的编号，
Coi,s表示针对所述标志微生物S，所述非唯一比对的读段i的丰度系数，
N为所述非唯一比对的读段i能够比对的微生物的总数，
j表示所述非唯一比对的读段i能够比对的微生物的编号。
每个样品中计算得到的物种丰度值，全部除以每个样品的丰度总数后，得到归一化后的物种丰度表。
实施例2筛选微生物物种标记物
为了获得与慢传输便秘疾病密切相关的肠道微生物物种标记物，发明人利用一期90例数据的慢传输便秘患者组(40例)与正常人组(50例)两组肠道微生物物种丰度数据，在物种级别做了一个与疾病相关性的研究。基于实施例1中得到的物种丰度表，发明人设置标准如下：(1)通过结合Benjamini Hochberg的多重检验的Wilcoxon秩和检验进行检验，得到每个物种和慢传输便秘疾病的相关性p值和q值；(2)使用一个严格的阈值(q值<0.04)，利用上述参数进行筛选。发明人得到7个与慢传输便秘疾病密切相关的肠道微生物物种，数据分析如表1所示，其中，在慢传输便秘(stroke)患者肠道内中富集的微生物有7个物种。
表1：
分类 p值 q值 来源
Clostridium hathewayi 3.18E-06 0.001106205 STC
Lachnospiraceae bacterium 3 1 57FAA CT1 8.56E-05 0.009996065 STC
Subdoligranulum unclassified 0.000128857 0.012035227 STC
Erysipelotrichaceae bacterium 2 2 44A 0.000461387 0.02713231 STC
Gordonibacter pamelaeae 0.000522892 0.02713231 STC
Akkermansia muciniphila 0.000658458 0.027954545 STC
Clostridium symbiosum 0.001049912 0.032724528 STC
实施例3微生物物种标记物的验证
为了证实实施例2中的发现，发明人参照实施例2所述的方法确定验证群中的16个健康人及12个慢传输便秘患者(二期数据28例)的粪便样本中的表1所示7种菌属的丰度，并判断各样本种的这7种菌属丰度是否落入实施例2确定出的疾病组或健康组的95％的置信区间，判定7种菌种的丰度落入疾病组对应区间的样本所对应的个体的状态为慢传输便秘患者，判定7种菌种的丰度落入健康组的对应区间的样本所对应的个体的状态为非慢传输便秘患者。根据分析结果对表1中所示微生物物种标记物做出删选，验证群体的DNA提取、测序以及基因丰度的分析参照实施例1和实施例2进行。
验证结果如下：验证富集在慢传输便秘患者中的7个物种，慢传输便秘患者富集的微生物物种标志物验证的p值和q值情况如表2所示。
表2：
Figure BDA0003399911040000111
Figure BDA0003399911040000121
发明人利用上述物种标记物来诊断、治疗慢传输便秘患者，监测治疗进程，或者生产筛选药物、功能性食品、益生菌，生产检测上述物种标记物的试剂盒以及装置等为本领域技术人员所知悉，皆在本发明的保护范围之内。
物种标志物可以选自慢传输便秘患者富集的物种标记物中的一种或者多种。优选的，对于慢传输便秘患者或易感人群，应该检测到表2中的物种标志物不被富集。
治疗方案中，优选的，使表2中的物种标志物生长得到抑制或者清除。
发明人使用7个微生物物种标记物，构建一个综合指标，估计ROC(receiver-operating characteristic)曲线下面积AUC(AUC越大，表示诊断能力越高)，评价综合得分对慢传输便秘的诊断能力。通过一期90个样品和二期28个样品进行评测，在一期得到AUC＝86.15％(一期评价AUC在85％以上为良好)，二期得到AUC＝75％(二期评价AUC在75％以上为良好)，都表现出了较好的诊断能力，具体实验结果如图2a、图2b所示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种试剂盒，其特征在于，包括适于检测标志微生物中的至少一种菌种的试剂，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
2.根据权利要求1所述的试剂盒，其特征在于，包括适于检测所述标志微生物中全部所述菌种的试剂。
3.试剂在制备试剂盒中的用途，所述试剂适于检测标志微生物中的至少一种菌种，所述试剂盒用于诊断慢传输便秘或者检测慢传输便秘的治疗效果，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulum unclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceaebacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
4.一种确定个体是否患有慢传输便秘的方法，其特征在于，包括：
(1)确定所述个体的粪便样本中标志微生物的丰度；
(2)将步骤(1)中得到的所述丰度与预定的阈值进行比较，以便确定所述个体是否患有慢传输便秘；
其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulumunclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)进一步包括：
获得所述个体的粪便样本中的核酸测序数据；
将所述测序数据与参考基因组进行比对；
基于所述比对的结果，确定所述标志微生物的丰度。
6.一种确定个体是否患有慢传输便秘的装置，其特征在于，包括：
丰度确定单元，用于确定所述个体的粪便样本中标志微生物的丰度；
比较单元，用于将所得到的所述丰度与预定的阈值进行比较，以便确定所述个体是否患有慢传输便秘；
其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulumunclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述丰度确定单元适于通过下列步骤确定所述丰度：
获得所述个体的粪便样本中的核酸测序数据；
将所述测序数据与参考基因组进行比对；
基于所述比对的结果，确定所述标志微生物的丰度。
8.一种装置，其特征在于，包括：
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序用于执行权利要求4或5任一项所述的方法；
以及一个或者多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。
9.一种筛选药物的方法，其特征在于，所述药物用于治疗或者预防慢传输便秘，所述方法包括：
将候选药物施用于受试者，
检测施用前后，所述受试者粪便中标志微生物的丰度，
满足下列条件的候选药物适于用于治疗或者预防慢传输便秘：进行所述施用后，所述标志微生物中的至少一种菌种的所述丰度降低；
其中，所述标志微生物由以下菌种组成：哈氏梭菌(Clostridium hathewayi)、毛螺科菌(Lachnospiraceae bacterium)3157FAA CT1、新属种(Subdoligranulumunclassified)、白粉科菌(Erysipelotrichaceae bacterium)2244A、帕梅莱亚戈尔多尼巴氏菌(Gordonibacterpamelaeae)、艾克曼菌(Akkermansia muciniphila)、共生梭菌(Clostridium symbiosum)。
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