CN114938947B - 一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，所述方法包括步骤：A、确定多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；B、确定多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；C、确定多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；D、确定多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；E、确定多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；F、构建多层级的阴道微生态评估体系。本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，可以为处于不同阶段和状态的阴道微生态以及不同层次和维度的微生态数据提供多层级、全方位的分析方法和评估框架。

Description

一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置

技术领域

本发明涉及微生态数据分析与处理技术，特别是涉及到一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置。

背景技术

阴道微生态是一个复杂的生态系统，由微生物、内分泌调节系统等组成，具有多样性、稳定性和动态性。阴道菌群是阴道微生态的核心组分和影响微生态平衡的主要因素，具有种类多，数量大，互作强的特点。阴道炎多由阴道微生态失衡造成，阴道微生态评估是衡量阴道健康水平和修复微生态失衡的必要环节，也是阴道微生态数据分析的主要内容，对维护女性生殖健康具有重要意义。

目前的阴道微生态评估主要通过显微镜观察、细菌培养和代谢物检测手段，从细菌数量、细菌种类、优势菌、病原菌及细菌功能等方面进行评估。常用的阴道微生态评估形态学指标包括菌群密集度、多样性、优势菌和病原微生物，功能学指标包括阴道pH值、H₂O₂浓度、白细胞酯酶等。此外还有一些专项疾病评分系统，如细菌性阴道病的Nugent评分。这些阴道微生态评估方法在阴道微生态数据分析中发挥了重要作用，也推动了阴道微生态的研究进展，但实际工作中还存在细菌培养结果和阴道微生态评价不一致的情况，以及阴道炎容易复发和耐药的现象。这说明现有的阴道微生态评价内容还不够全面，对阴道微生态的发展变化，特别是菌群变化及细菌互作变化尚缺乏系统深入地分析，这不利于优化微生态分析策略和准确评估微生态状况，因此需要补充和完善阴道微生态评估，开发多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置。

发明内容

为了解决现有阴道微生态评价内容还不够全面，对阴道微生态的发展变化，特别是菌群变化及细菌互作变化尚缺乏深入分析，不利于优化微生态分析策略和准确评估微生态状况的技术问题，本发明提出了一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，该方法和装置能够提供一种多层级的阴道微生态评估体系，对处于不同阶段和状态的阴道微生态以及不同层次和维度的微生态数据进行多层级、全方位评估，并根据微生态评估的结果、层级和需求，指导更深更全的微生态分析。为了实现这一目标，本发明采取了如下的技术方案。

一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法，所述方法包括步骤：

A、根据多个阴道微生态中多个样本的核糖体核糖核酸测序结果，获取各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；

B、对于多个阴道微生态中多个样本，确定各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；

C、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

D、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

E、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；

F、整合多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准，构建多层级的阴道微生态评估体系。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，获取多个阴道微生态中各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准包括：

根据样本所处的阴道微生态，计算各个阴道微生态所含样本的细菌种类、丰度和占比，确定不同阴道微生态中的标志菌；

比较不同阴道微生态中各种细菌的丰度和占比变化，将阴道微生态中丰度和占比变化最显著的一种或多种细菌，确定为不同阴道微生态转换时的预警菌。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本，确定各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准包括：

将每个样本所含细菌的操作分类单元数据加和取对数，作为该样本的细菌表达指数，将多个样本的细菌表达指数加和求平均，获得不同阴道微生态的细菌表达指数；

利用威尔科克森检验不同阴道微生态的细菌表达指数的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准包括：

对于每个样本中每种细菌的操作分类单元数据以及该样本的细菌表达指数，利用二者间的异速率关系进行拟合，得到细菌生长曲线；

比较不同阴道微生态中细菌生长曲线的差异，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，分别根据门水平和属水平的细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，得到门水平的细菌生长曲线和属水平的细菌生长曲线；比较不同阴道微生态中门水平和属水平的细菌生长曲线的统计学差异，作为多个阴道微生态中的门水平和属水平的细菌生长趋势评估标准。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异的评估标准包括：

基于多个阴道微生态中的多个样本的操作分类单元数据，构建集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数；

求解集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数，得到多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，以及对应的独立丰度参数和互作丰度参数；

比较多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准包括：

基于多个阴道微生态中多种细菌的独立丰度参数和互作丰度参数，构建整体细菌网络；

比较不同阴道微生态中相同细菌的互作丰度参数，将互作丰度参数均相同的细菌，归入第一假设；将互作丰度参数不全相同的细菌归入第二假设，计算第一假设和第二假设的似然值的比值，将该比值与通过排列组合确定的阈值进行比较的结果，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准。

一种多层级的阴道微生态评估体系构建装置，该装置包括多层级阴道微生态评估体系构建单元、多个阴道微生态中的细菌分布评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准确定单元、多个阴道微生态中的整体细菌网络差异评估标准确定单元，多层级阴道微生态评估体系构建单元连接至其他单元形成装置，其中，

多个阴道微生态中的细菌分布评估标准确定单元，用于获取多个阴道微生态中各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；

多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；

多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中多种细菌间的关系，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；

多层级阴道微生态评估体系构建单元，用于整合多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准，构建多层级的阴道微生态评估体系。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，所具有的技术效果包括如下。

首先，本发明能够提供具有多个层级的阴道微生态评估体系，对于该评估体系的使用对象—待评估的样本个体而言，可以根据实际需要或者微生态数据层次采用不同层级的评估标准进行阴道微生态评估，该评估体系适用范围广、分析内容多、对数据要求低，具有良好的普适性。

其次，本发明能够提供具有多个层级的阴道微生态评估体系，对于该评估体系的待评估样本个体而言，如果初级评估发现阴道微生态存在异常或评估需要进一步深入时，可指导该待评估样本个体获取更高层次的数据，并及时调整和采用相应层级的评估标准，同时还可以对初级评估标准和结果进行验证，指导该待评估样本个体的微生态数据采集和分析。

另外，本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，运用计算生物学技术从网络角度对阴道微生态进行全面评估，评估标准具有多个层级和多个维度，包括门纲目科属种不同水平的细菌生长变化，细菌生长和细菌网络等不同维度。这些评估都是通过大量的微生态数据分析获得，它补充和完善了现行的阴道微生态评估体系，能更加全面系统地评估阴道微生态。

附图说明

图1为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法的流程示意图。

图2为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，利用三元相图展现多个阴道微生态中的细菌分布。

图3A-3D为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，利用小提琴图展现多个阴道微生态中的细菌表达指数。

图4为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，多个阴道微生态中门水平和属水平的细菌生长曲线，展现多个阴道微生态中的细菌生长趋势，其中图4A为门水平标准，图4B为属水平标准。

图5为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度以及独立丰度曲线和互作丰度曲线，展现多个阴道微生态中的细菌互作差异。

图6为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，正常状态和炎症状态的整体细菌网络，展现多个阴道微生态中的整体细菌网络的差异，其中，图6A为正常组，图6B为AV组。

图7为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，卵泡期和黄体期的整体细菌网络，展现多个阴道微生态中的整体细菌网络的差异。

图8为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例，但此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

参阅附图，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的位置限定用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解（例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等）。

本发明的目的是通过提供数据处理方法和分析技术来全面系统地评估阴道微生态，为不同环境、不同层次和不同需求的阴道微生态数据分析提供多层级、全方位的评估框架和技术支持。为实现该目的，本发明具体实施方式中，采用了下述技术方案。

图1为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法的流程示意图，如图所示，本发明具体实施方式中包括一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法，所述方法包括步骤：

A、根据多个阴道微生态中多个样本的核糖体核糖核酸测序结果，获取各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；

B、对于多个阴道微生态中多个样本，确定各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；

C、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

D、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

E、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；

F、整合多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准，构建多层级的阴道微生态评估体系。

本发明具体实施方式中，多个阴道微生态可以是不同健康状态如阴道炎，或处于不同月经周期如卵泡期和黄体期等。本发明的目的是构建一种多层级的阴道微生态评估体系，评估和分析阴道微生态状况或阴道健康水平。该评估体系从大量微生态样本数据采集和分析中总结出不同阴道微生态的特征和规律，通过数据拟合和求解参数，得到不同阴道微生态中的细菌分布、细菌表达指数、细菌生长趋势、细菌互作差异和细菌网络的特征，作为评价不同阴道微生态的标准。这样当获取待评估样本的各种指标后，就可以依据本发明具体实施方式中的各种评估标准，评估样本的阴道微生态，并根据实际需要和评估结果采用本发明具体实施方式中其他层级的评估标准，进一步扩大或更新待评估样本的指标，继续对阴道微生态进行更深层次的评估。

因此，本发明具体实施方式是对已采集的多个阴道微生态中多个样本的微生态数据进行研究，通过数据拟合和求解参数，得到不同阴道微生态中的细菌分布、细菌表达指数、细菌生长趋势、细菌互作差异和细菌网络，总结它们的特征和规律，发明并不直接或局限性或单纯性针对阴道炎等疾病进行诊断和治疗，具体而言它是一种微生态数据处理方法和分析技术。

本发明具体实施方式的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，获取多个阴道微生态中多个样本的操作分类单元数据，确定多个阴道微生态中的标志菌，以及确定多个阴道微生态转换时的预警菌包括：

根据各个样本所处的阴道微生态，计算不同阴道微生态中的细菌种类、丰度和占比，确定不同阴道微生态中的标志菌；

比较不同阴道微生态中各种细菌的丰度和占比变化，将不同阴道微生态中丰度和占比变化最显著的一种或多种细菌，确定为不同阴道微生态转换时的预警菌。

一个具体实例中，需氧菌性阴道炎（Aerobic vaginitis，AV）是一种常见的危害妇女生殖健康的炎性疾病，主要因阴道内乳杆菌减少，需氧菌增多导致的阴道微生态失衡引起。所用数据下载自2020年Wang 等公开发表的论文《Vaginal bacterial profiles ofaerobic vaginitis: a case-control study》,该论文共收集240例阴道微生态样本，80例AV患者（AV组）和160例无阴道炎的正常妇女，她们的生活习惯、月经周期、阴道pH值、抗生素使用情况、样本的细菌培养和药敏实验结果等均有详细记录。样本提取DNA后送HiSeq 2500平台进行16S rRNA测序，通过生信分析得到以97%为基准聚类的操作分类单元（operational taxonomic units，OTU）数据。

阴道内微生物体积小、数量多、分布不均匀，并且保持动态变化，准确描述微生物种类数量及群落结构并非易事。本发明具体实施方式中采用了16S rRNA测序结果，16SrRNA测序是一种高效的细菌学检测手段能同时测多个样品，包括难以或不能培养的微生物，无需进行传统的微生物培养，以较低成本获得大量OTU数据，进行菌群特征分析、菌群丰度分析、群落结构分析、菌群差异比较等，更全面客观地反映微生态变化。该技术重现性强、可靠性高、速度快，有助于全面了解阴道微生物的多样性和复杂性，以及不同状态下阴道微生态的差别，在阴道微生态分析领域具有明显优势。

获取各种细菌OTU数据后，按Nugent评分判断各个样本的微生态发展阶段，将0-2分、3-4分、5-6分的样本分别归为阶段1、阶段2和阶段3，样本例数分别为179、36和16。

接下来计算各阶段样本中的细菌种类、丰度和占比，以三元相图形式展现细菌分布的变化，见图2。可以看出，乳杆菌和假单胞菌是阶段1的优势菌和标志菌，占比分别为57%和82%，但阶段2时它们的丰度明显减小，占比也降为24%和9%，预示着微生态进入亚健康状态。在阶段2向阶段3转化时，厌氧球菌和气球菌占比下降明显，它们是微生态将要失衡的预警菌。阶段3时，多种细菌的丰度都较前增大，占比均超过50%，如普雷沃菌、优杆菌和链球菌，但这些细菌在分布上较接近，说明AV发生由多种需氧菌增多引起，而非单一病原菌所致。由此可见，细菌分布随阴道微生态的变化而变化，各微生态发展阶段的标志菌和预警菌不同，一个阴道微生态转换为另一个阴道微生态时，可能导致一种或多种细菌的占比或丰度发生明显改变。

相应地，本发明具体实施方式中，对于多个样本利用Nugent评分划分各样本所处的阴道微生态，根据各个阴道微生态中的细菌种类、丰度和占比，确定各阴道微生态中的标志菌；比较不同阴道微生态中各种细菌的丰度和占比变化，将不同阴道微生态中丰度和占比变化最显著的一种或多种细菌，确定为不同阴道微生态转换时的预警菌。例如确定假单胞菌为阶段1时阴道微生态中的标志菌，确定乳杆菌和假单胞菌是阶段1向阶段2转换时的阴道微生态中的预警菌。

当应用本发明具体实施方式中所构建的多层级的阴道微生态评估体系时，针对具体待评估样本，如果指标参数显示乳杆菌和假单胞菌的丰度和占比明显下降，意味着该待评估样本的阴道微生态可能处于阶段1向阶段2转换时期。需要说明的是以上对于本发明具体实施方式中所构建的多层级的阴道微生态评估体系的应用，只是为了说明本发明的具体效果，本发明并未涉及如何应用该多层级的阴道微生态评估体系本身。

本发明具体实施方式的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本，确定各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准包括：

将每个样本所含细菌的操作分类单元数据加和取对数，作为该样本的细菌表达指数，将多个样本的细菌表达指数加和求平均，获得不同阴道微生态的细菌表达指数；

利用威尔科克森检验不同阴道微生态的细菌表达指数的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准。

实际上，阴道细菌生长受多种因素影响，包括健康状态，月经周期、阴道pH值等。对于不同的阴道微生态，包括正常态/炎症，卵泡期/黄体期，阶段1/阶段2/阶段3，pH 3.8/4.0-4.4/4.6-5.4，以OTU数值表示细菌丰度为基础，计算每个微生态的细菌表达指数，如下表所示，

从表中可以看出，不同阴道微生态中的细菌表达指数不同，说明细菌在不同阴道微生态中的生长情况不同，因此，细菌表达指数在微生态评估中是衡量细菌生长情况的有效指标。

本发明具体实施方式中，进一步利用威尔科克森检验不同阴道微生态的细菌表达指数的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准 (以p＜0.05为显著差异)。从表中可以看出，细菌表达指数除卵泡期/黄体期的相差不大外，其余3组的差异都很显著，说明阴道炎、阴道pH值和微生态发展阶段都会显著影响细菌生长，也就是说，阴道微生态中细菌表达指数的统计学差异，可以作为一个阴道微生态的初步评估指标。

为了更加形象地展示细菌表达指数的差异情况，本发明具体实施方式中还采取了小提琴图的方式来展现不同阴道微生态中细菌表达指数的变化，见图3A-3D。从图3可以看出，细菌表达指数在正常态/炎症态，阶段1/阶段2/阶段3，以及pH 3.8/4.0-4.4/4.6-5.4这3组中差异显著，具有统计学意义，可以作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准。

本发明具体实施方式的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准包括：

对于每个样本中每种细菌的操作分类单元数据以及该样本的细菌表达指数，利用二者间的异速率关系进行拟合，得到细菌生长曲线；

比较不同阴道微生态中细菌生长曲线的差异，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准。

事实上，细菌生长动态是阴道微生态评估的重要内容，不同细菌在不同阴道微生态中的生长动态不同，其生长曲线也存在差异。基于正常阴道微生态和AV阴道微生态中的细菌表达指数数据，在门水平和属水平选取丰度（即OTU数据）居前8的细菌，利用异速率关系拟合细菌丰度与细菌表达指数的关系，获得这些细菌在门水平和属水平的细菌生长曲线见图4所示。

图4中，A和B各包括8种细菌的丰度（纵坐标）和细菌表达指数（横坐标）；各个点代表各个样本的丰度（即OTU数据），例如链球菌图中的一个浅色点，表示一个正常阴道微生态样本中的链球菌丰度（见纵坐标数值），以及该样本的细菌表达指数（见横坐标数值）；而一个深色点表示一个AV阴道微生态的样本中的链球菌丰度（见纵坐标数值），以及该样本的细菌表达指数（见横坐标数值），图中的深色线和浅色线分别为根据细菌丰度与细菌表达指数间的异速率关系拟合出来AV和正常阴道微生态中的细菌生长曲线。可以看出无论哪条线，都不完全与深色点或浅色点重合，这是由于测量误差等多方面原因引起，但这些细菌生长曲线却能反映出不同阴道微生态中不同细菌的总体生长趋势。

举例说明：A图是门水平标准，图中厚壁菌生长在正常阴道微生态＞AV阴道微生态，但拟杆菌和放线菌，却是正常阴道微生态＜AV阴道微生态。B图为属水平标准，图中乳杆菌生长在正常阴道微生态＞AV阴道微生态，假单胞菌在两种阴道微生态中的生长动态无差别，剩余6种细菌生长在正常阴道微生态＜AV阴道微生态，并呈上升型生长态势。

正因为这些细菌的生长趋势在不同阴道微生态中表现出差异，当利用前述方法拟合出细菌生长曲线，并检验出这个细菌生长曲线在不同阴道微生态中存在显著性差异时，该生长曲线便可以成为评估阴道微生态的指标。例如，利用本发明具体实施方式中所构建的多层级的阴道微生态评估体系时，针对具体的待评估样本进行测序获得OTU数据，分别拟合出该样本中拟杆菌和放线菌的细菌生长曲线，然后评估其是接近正常阴道微生态，还是AV阴道微生态中对应细菌的生长曲线，从而判断该待评估样本所处的阴道微生态。分别在门水平和属水平检验两种阴道微生态中的细菌生长曲线的统计学差异，判断两种阴道微生态中的细菌生长趋势有无显著差异。需要再次说明的是以上对于本发明具体实施方式中所构建的多层级的阴道微生态评估体系的应用，只是为了说明本发明的具体效果，本发明并未涉及如何应用该多层级的阴道微生态评估体系本身。

以上利用细菌生长曲线评估阴道微生态中细菌生长情况，存在的问题是没有充分考虑细菌生长和细菌互作的关系。实际上细菌生长除受自身因素影响外，还受细菌互作影响，因此，可将细菌总生长量分解为独立生长量和互作生长量。本发明具体实施方式的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定各个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准包括：

基于多个阴道微生态中的多个样本的操作分类单元数据，构建集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数；

求解集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数，得到多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，以及对应的独立丰度参数和互作丰度参数；

比较不同阴道微生态中相同细菌的独立丰度和互作丰度的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准。

阴道微生态不同阴道微生态中的细菌互作表现不同，细菌间互作数目和效应也有差异。以乳杆菌，葡萄球菌和链球菌为例，利用本发明具体实施方式中所列明的方法求解细菌互作参数，拟合细菌互作曲线，如图5所示。分析细菌互作曲线发现，乳杆菌的互作占比在正常阴道微生态和AV阴道微生态中都很大，说明乳杆菌生长受细菌互作影响明显；葡萄球菌的互作占比较乳杆菌减小，在正常阴道微生态和AV阴道微生态分别为31%和68%，互作效应在正常阴道微生态中仅为促进作用，在AV阴道微生态中有促进也有抑制；链球菌跟其它细菌的互作曲线在正常阴道微生态明显比AV阴道微生态多，分别为6条和1条。

由上可见，不同阴道微生态中的细菌互作表现不同且动态变化，牵涉微生态平衡和阴道炎复发等问题。所以，细菌互作是评估阴道微生态状况的重要内容和依据。

具体地，对于每个样本，构建多元正态概率密度函数，包括该样本中各种细菌的丰度向量、均值向量和对称性协变量矩阵。将阴道微生态中多个样本的多元正态概率密度函数求积，得到集中反映该阴道微生态的综合多元正态概率密度函数，随后利用四阶龙格-库塔法求解综合多元正态概率密度函数，得到不同细菌的独立丰度和互作丰度，以及对应的独立丰度参数和互作丰度参数。

本发明具体实施方式的多层级的阴道微生态评估体系构建方法中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准包括：

基于多个阴道微生态中多种细菌的独立丰度参数和互作丰度参数，构建整体细菌网络；

比较不同阴道微生态中相同细菌的互作丰度参数，将互作丰度参数均相同的细菌，归入第一假设；将互作丰度参数不全相同的细菌归入第二假设，计算第一假设和第二假设的似然值的比值，将该比值与通过排列组合确定的阈值进行比较的结果，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准。

阴道微生态脆弱敏感，在正常状态和炎症状态时不同，为研究感染对阴道微生态和细菌互作的影响，构建正常组和AV组的整体细菌网络，如图6所示。

图中节点大小表示细菌的独立生长量，深色和浅色连线分别表示促进作用和抑制作用，连线粗度表示互作强度，箭头起点和终点分别表示互作影响的发出者和接受者。比较图6发现，厚壁菌在两组网络中均为优势菌，其节点（独立生长量）都是最大的，AV组网络比正常组复杂，细菌间互作联系更紧密，但细菌间互作强度差异没正常组大，所以AV组网络结构更稳定。正常组网络中，厚壁菌是枢纽细菌，对外互作的细菌数量最多，且以抑制为主，它强烈抑制拟杆菌和放线菌；AV组网络中，厚壁菌不再抑制拟杆菌，对放线菌的抑制也减弱，对柔壁菌却施加促进影响，所以拟杆菌、放线菌和柔壁菌数量增加，菌群比例失调发生AV，即需氧菌性阴道炎。

如前所述，本发明具体实施方式中的阴道微生态可以是正常态和炎症态，也可以是月经的卵泡期和黄体期，还可以是同时叠加多种阴道微生态，如正常态卵泡期和炎症态黄体期。阴道微生态会受性激素影响，不同月经周期如卵泡期和黄体期，因为雌激素和孕激素水平不同，微生态中的细菌网络也会变化。根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建方法，下载数据按正常组和AV组所处的卵泡期和黄体期进行分组，正常组卵泡期和黄体期例数分别为82和72，AV组卵泡期和黄体期例数分别为45和34。以OTU数值表示细菌丰度为基础，选取丰度居前9的乳杆菌，在种水平构建卵泡期和黄体期的整体细菌网络，如图7所示。

图7中，整体细菌网络中节点大小表示细菌的生长量，深色和浅色连线分别表示促进作用和抑制作用，连线粗度表示互作强度，箭头起点和终点分别表示互作影响的发出者和接受者。分析图7发现，不管卵泡期还是黄体期，卷曲乳杆菌一直都是网络枢纽菌。正常组阴道微生态中，不同种类的乳杆菌间紧密连接，卵泡期细菌互作数量大于黄体期，细菌网络结构也比黄体期稳定复杂；黄体期时，卷曲乳杆菌的独立生长量增大（节点增大），而惰性乳杆菌的独立生长量减小（节点变小）。AV组阴道微生态中，整体细菌网络结构没有正常组阴道微生态中复杂稳定，在卵泡期和黄体期也无明显变化；乳杆菌独立生长量方面，卷曲乳杆菌在卵泡期和黄体期无明显变化，但惰性乳杆菌和约氏乳杆菌在黄体期下降明显，而詹氏乳杆菌的独立生长量却在该期增加，这些变化可能会影响黄体期阴道pH环境和微生态平衡。因此，本发明具体实施方式中，整体细菌网络评估标准能够用于评估阴道微生态。

图8为根据本发明具体实施方式中多层级的阴道微生态评估体系构建装置的结构示意图。与本发明具体实施方式中的一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法相对应，本发明具体实施方式中还包括一种多层级的阴道微生态评估体系构建装置，该装置包括多层级阴道微生态评估体系构建单元、多个阴道微生态中的细菌分布评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准确定单元、多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准确定单元，多层级阴道微生态评估体系构建单元连接至其他单元构成装置，其中，

多个阴道微生态中的细菌分布评估标准确定单元，用于获取多个阴道微生态中多个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；

多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；

多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中多种细菌间的关系，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；

多层级阴道微生态评估体系构建单元，用于整合多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准，构建多层级的阴道微生态评估体系。

本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，所具有的技术效果包括如下。

首先，本发明能够提供具有多个层级的阴道微生态评估体系，对于该评估体系的使用对象—待评估的样本个体而言，可以根据实际需要或者微生态数据层次采用不同层级的评估标准进行阴道微生态评估，该评估体系适用范围广、分析内容多、对数据要求低，具有良好的普适性。

其次，本发明能够提供具有多个层级的阴道微生态评估体系，对于该评估体系的待评估样本个体而言，如果初级评估发现阴道微生态存在异常或评估需要进一步深入时，可指导该待评估样本个体获取更高层次的数据，并及时调整和采用相应层级的评估标准，同时还可以对初级评估标准和结果进行验证，指导该待评估样本个体的微生态数据采集和分析。

另外，本发明的多层级的阴道微生态评估体系构建方法和装置，运用计算生物学技术从网络角度对阴道微生态进行全面评估，主要涉及细菌分布和生长变化，细菌互作关系，细菌网络结构和功能，阴道微生态变化造成的细菌互作差异等。这些评估都是通过大量的微生态数据分析获得，评估标准具有多个层级和多个维度，覆盖多个方面和需求水平。本发明补充和完善了现行阴道微生态评估体系，能更加全面科学高效地评估阴道微生态。

总体来说，多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准总体上是一种逐层深入和逐渐丰富型关系，相对而言，初级评估标准所需指标较少，但是评估精度或可靠性较低，获得的信息量也较少；而后期高层级评估所需指标增多，包括动态性检测指标，但评估结果更加系统准确丰富。

所以，本发明的多层级阴道微生态评估体系构建方法，其突出效果在于并非单一的提供一种阴道微生态评估指标或标准，而是提供多方面、多层级、多维度的评估体系构建方法，不同层级之间的阴道微生态评估标准还可以相互补充和互相校验。

例如对于细菌分布评估标准，如果待评估样本的指标显示其阴道微生态处于炎症发展第2阶段向第3阶段转换，既可以得出阴道微生态评估的初步结论，也可以进一步获取待评估标准的指标，进行后期更高层级的阴道微生态评估，同时初期评估结论可以为后期评估所需指标提供参考，并且与后期评估结果相互校验。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，本发明实施方式中所述只是在目前技术条件下本发明的技术流程的典型样例，在不脱离本发明的技术原理、步骤、功能、应用和实施框架的前提下，还有很大的优化提升空间，这些改进、优化等也视为本专利的保护范围。因此，如前所述，应当理解本发明并非局限于本说明书所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本说明书所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种多层级的阴道微生态评估体系构建方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A、根据多个阴道微生态中多个样本的核糖体核糖核酸测序结果，获取各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；

B、对于多个阴道微生态中多个样本，确定各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；

C、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

D、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

E、对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；

F、整合多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准，构建多层级的阴道微生态评估体系；

其中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准包括：

对于每个样本中每种细菌的操作分类单元数据以及该样本的细菌表达指数，利用二者间的异速率关系进行拟合，得到细菌生长曲线；

比较不同阴道微生态中细菌生长曲线的差异，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

其中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异的评估标准包括：

基于多个阴道微生态中的多个样本的操作分类单元数据，构建集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数；

求解集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数，得到多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，以及对应的独立丰度参数和互作丰度参数；

比较多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

其中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准包括：

基于多个阴道微生态中多种细菌的独立丰度参数和互作丰度参数，构建整体细菌网络；

比较不同阴道微生态中相同细菌的互作丰度参数，将互作丰度参数均相同的细菌，归入第一假设；将互作丰度参数不全相同的细菌归入第二假设，计算第一假设和第二假设的似然值的比值，将该比值与通过排列组合确定的阈值进行比较的结果，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准。

2.根据权利要求1中所述的多层级的阴道微生态评估体系构建方法，其特征在于，根据多个阴道微生态中多个样本的核糖体核糖核酸测序结果，获取各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌包括：

根据样本所处的阴道微生态，计算各个阴道微生态所含样本的细菌种类、丰度和占比，确定不同阴道微生态中的标志菌；

比较不同阴道微生态中各种细菌的丰度和占比变化，将阴道微生态中丰度和占比变化最显著的一种或多种细菌，确定为不同阴道微生态转换时的预警菌。

3.根据权利要求1中所述的多层级的阴道微生态评估体系构建方法，其特征在于，对于多个阴道微生态中多个样本，确定各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准包括：

将每个样本所含细菌的操作分类单元数据加和取对数，作为该样本的细菌表达指数，将多个样本的细菌表达指数加和求平均，获得不同阴道微生态的细菌表达指数；

利用威尔科克森检验不同阴道微生态的细菌表达指数的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准。

4.根据权利要求3中所述的多层级的阴道微生态评估体系构建方法，其特征在于，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，分别根据门水平和属水平的细菌操作分类单元数据与细菌表达指数间的关系，得到门水平的细菌生长曲线和属水平的细菌生长曲线；

比较不同阴道微生态中门水平和属水平的细菌生长曲线的统计学差异，作为多个阴道微生态中的门水平和属水平的细菌生长趋势评估标准。

5.一种多层级的阴道微生态评估体系构建装置，其特征在于，该装置包括多层级阴道微生态评估体系构建单元、多个阴道微生态中的细菌分布评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准确定单元、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准确定单元、多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准确定单元，多层级阴道微生态评估体系构建单元连接至其他单元整合为装置，其中，

多个阴道微生态中的细菌分布评估标准确定单元，用于获取多个阴道微生态中各个样本的操作分类单元数据，确定不同阴道微生态中的标志菌，以及确定不同阴道微生态转换时的预警菌，作为多个阴道微生态中的细菌分布评估标准；

多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中各个样本的细菌表达指数，作为多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准；

多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准确定单元，用于确定多个阴道微生态中多种细菌间的关系，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准；

多层级阴道微生态评估体系构建单元，用于整合多个阴道微生态中的细菌分布评估标准、多个阴道微生态中的细菌表达指数评估标准、多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准、多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准和多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准，构建多层级的阴道微生态评估体系；

其中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定每种细菌操作分类单元数据与细菌表达指数之间的关系，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准包括：

对于每个样本中每种细菌的操作分类单元数据以及该样本的细菌表达指数，利用二者间的异速率关系进行拟合，得到细菌生长曲线；

比较不同阴道微生态中细菌生长曲线的差异，作为多个阴道微生态中的细菌生长趋势评估标准；

其中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，确定多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异的评估标准包括：

基于多个阴道微生态中的多个样本的操作分类单元数据，构建集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数；

求解集中反映多个阴道微生态因素的综合多元正态概率密度函数，得到多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度，以及对应的独立丰度参数和互作丰度参数；

比较多个阴道微生态中不同细菌的独立丰度和互作丰度的统计学差异，作为多个阴道微生态中的细菌互作差异评估标准；

其中，对于多个阴道微生态中多个样本中的多种细菌，构建整体细菌网络，检验不同阴道微生态中的整体细菌网络差异，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准包括：

基于多个阴道微生态中多种细菌的独立丰度参数和互作丰度参数，构建整体细菌网络；

比较不同阴道微生态中相同细菌的互作丰度参数，将互作丰度参数均相同的细菌，归入第一假设；将互作丰度参数不全相同的细菌归入第二假设，计算第一假设和第二假设的似然值的比值，将该比值与通过排列组合确定的阈值进行比较的结果，作为多个阴道微生态中的整体细菌网络评估标准。

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