肠道微生态的标志物组合、辅助诊断模型及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种肠道微生态的标志物组合、辅助诊断模型及其应用。所述标志物组合包括以下微生物：斯卡多维亚菌属(Scardovia)、瘤胃菌属(未命名)(Ruminococcaceae noname)、嗜胆菌属(Bilophila)、拟杆菌属(Bacteroides)、孪生球菌属(Gemella)、另枝菌属(Alistipes)、草酸杆菌属(Oxalobacter)、索拉杆菌属(Solobacterium)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和梭菌属(未命名)(Clostridiales noname)。本发明专利技术的模型可以提供高准确率、无创的帕金森病辅助诊断，准确率可达80.3％。

【技术实现步骤摘要】
肠道微生态的标志物组合、辅助诊断模型及其应用
本专利技术涉及医学、生物学及生物信息学领域，具体涉及一种肠道微生态的标志物组合、辅助诊断模型及其应用。
技术介绍
帕金森病(Parkinson'sdisease，PD)是一种多灶性和进行性的神经退行性疾病。该病是仅次于阿尔兹海默病的第二大神经退行性疾病。截至2015年，全球患病人数为620万，其中11.7万人死于帕金森病。从病理上来讲，PD的主要特征是黑质多巴胺能神经元的退化、纹状体多巴胺减少和神经元内异常蛋白聚集体路易小体的形成。临床上，PD的主要特征是静止性震颤、强直、运动迟缓和步态异常，这也被认为是PD的“四主征”。其他的特点还包括冻结步态、姿势不稳、言语困难、自主神经功能紊乱、感觉异常、心境障碍、睡眠障碍、认知功能减退和痴呆。不少PD患者在出现运动障碍之前，常常还有胃肠道功能障碍的表现。临床上已鉴定出一系列与PD相关的胃肠道功能障碍，包括体重减轻、胃轻瘫、便秘和排便障碍。近年宏基因组学研究更进一步探讨了帕金森病与肠道菌群异常的相关性，可以说是“胃肠道假说”在肠道菌群方面的延伸。肠道菌群由胃肠道中与人类宿主共生的细菌群落组成。肠道菌群的形成受许多因素影响，例如饮食、抗生素治疗、分娩类型和母乳喂养。一个健康稳定的肠道菌群群落在维持肠屏障完整性、功能、新陈代谢和免疫力的稳态平衡以及调节肠-脑轴方面起着至关重要的作用。最近的研究中强调了肠道菌群对肠-脑轴的影响，及其在中枢神经系统相关疾病和神经精神疾病(如多发性硬化症、自闭症、抑郁症和精神分裂症)中的潜在作用。已知肠道菌群和微生物代谢产物会显著干扰宿主的代谢、认知、行为和免疫，因此肠道菌群和微生物代谢产物在PD发病机理中的作用受到越来越多的关注，并且最近已经显示出一些表型相关性。例如，在PD患者中发现肠道微生物群和微生物代谢物的数量和组成发生改变。因此，了解肠道菌群与PD发生之间的早期相互作用将为干预，尤其是PD的早期诊断和早期治疗开辟新的途径。目前，已有基于肠道菌群的疾病诊断模型，例如用于结直肠癌、溃疡性肠炎的诊断模型、冠状动脉疾病的预测模型见诸报道，但除了阿尔茨海默病的肠道菌群诊断模型已有，且已有药物针对肠道菌群治疗退行性神经疾病，例如，GV-971治疗阿尔茨海默病，针对中枢神经系统疾病的肠道菌群诊断模型大部分尚在开发阶段。由于帕金森病缺乏早期诊断标志物，大部分帕金森病患者诊断时已是晚期，预后很差。考虑到帕金森症的诊断需要繁杂的量表及医生的经验判断，因此，亟需找到帕金森病的新型诊断标志物和高效的诊断模型，以期改善预后。由RehmanAetal.,GeographicalpatternsofthestandingandactivehumangutmicrobiomeinhealthandIBD.Gut65,238-248(2016)、KushugulovaAetal.,MetagenomicanalysisofgutmicrobialcommunitiesfromaCentralAsianpopulation.BMJOpen8,e021682(2018)和DeschasauxMetal.,Depictingthecompositionofgutmicrobiotainapopulationwithvariedethnicoriginsbutsharedgeography.NatMed24,1526-1531(2018)可知，肠道菌群与饮食和人种有非常大的相关性，西方饮食与我国的饮食结构差异巨大，所以非常有必要针对中国人群，利用精度更高的鸟枪法(shotgun方法)而不是16S的方法对差异菌群进行鉴定并构建诊断模型。虽然在中国大陆，已有北京、上海、广州、长春和锦州五个城市的机构使用16SrRNA扩增子测序技术分析了肠道微生物组多样性。但是大规模人群研究显示，肠道菌群疾病诊断模型存在着非常显著的地域依赖性，不同疾病受到地域因素的影响也不同。因此，有必要找到帕金森病的肠道菌群诊断标志物，构建辅助诊断模型，以应用于所选地域人群的帕金森病辅助诊断。
技术实现思路
为解决现有技术中缺少高准确率、无创的帕金森病的肠道菌群诊断标志物和辅助诊断模型的技术问题，本专利技术提供一种肠道微生态的标志物组合、辅助诊断模型及其应用，基于肠道菌群选择诊断标志物检测帕金森病，靶向肠道微生态的标志物可作为某一地区潜在的帕金森病无创诊断工具，对帕金森病的诊断准确率可达80.3％。专利技术人在对收集的样本进行宏基因组分析中发现，帕金森病患者和健康人的肠道微生物相对丰度信息绝大部分映射到细菌界；进一步多样性分析表明，在属水平和种水平上帕金森病患者的α多样性高于健康人，并且疾病状态与肠道微生物的变化有关；结合β多样性评估，得知在不同的分类水平上，高分类水平的差异比低分类水平的差异显著。因此，专利技术人选择在组间具有显著差异的属水平的微生物，选择随机森林模型，对具有显著差异的属水平的微生物在预测待测样本的类型中的作用进行验证，并构建基于随机森林模型的帕金森病辅助诊断模型。本专利技术的第一方面提供一种肠道微生态的标志物组合，所述标志物组合包括以下微生物：斯卡多维亚菌属(Scardovia)、瘤胃菌属(未命名)(Ruminococcaceaenoname)、嗜胆菌属(Bilophila)、拟杆菌属(Bacteroides)、孪生球菌属(Gemella)、另枝菌属(Alistipes)、草酸杆菌属(Oxalobacter)、索拉杆菌属(Solobacterium)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和梭菌属(未命名)(Clostridialesnoname)。在本专利技术一较佳实施方案中，所述标志物组合还包括：罗斯氏菌属(Roseburia)、厌氧棒状菌属(Anaerostipes)、副沙门氏菌属(Parasutterella)、巨单胞菌属(Megamonas)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、丁酸单胞菌属(Butyricimonas)、柯林斯菌属(Collinsella)、志贺氏菌属(Shigella)、罕见小球菌属(Subdoligranulum)和黄杆菌属(Flavonifractor)。所述标志物组合适用于湖北襄阳地区。本专利技术的第二方面提供一种试剂组合，所述试剂组合包括能够检测如第一方面所述的标志物组合的试剂。在本专利技术一较佳实施方案中，所述试剂组合包括PCR用试剂或测序用试剂。较佳地，所述试剂组合包括如第一方面所述的标志物组合。本专利技术的第三方面提供如第一方面所述的标志物组合或如第二方面所述的试剂组合在制备诊断帕金森病的诊断剂中的用途。本专利技术的第四方面提供一种辅助诊断模型，包括：(1)输入模块，所述输入模块用于输入待测样本的微生物分类学表征和相对丰度的信息，得到基于平均准确度下降方法得到的排名前10或前20的属的菌群；(2)处理模块，所述处理模块采用随机森林分类器，调用预测函数，基于(1)中排名前10或前20的属的菌群对待测样本的来源进行预测；其中，所述随机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种肠道微生态的标志物组合，其特征是，所述标志物组合包括以下微生物：斯卡多维亚菌属(Scardovia)、瘤胃菌属(未命名)(Ruminococcaceae noname)、嗜胆菌属(Bilophila)、拟杆菌属(Bacteroides)、孪生球菌属(Gemella)、另枝菌属(Alistipes)、草酸杆菌属(Oxalobacter)、索拉杆菌属(Solobacterium)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和梭菌属(未命名)(Clostridiales noname)。/n

【技术特征摘要】
1.一种肠道微生态的标志物组合，其特征是，所述标志物组合包括以下微生物：斯卡多维亚菌属(Scardovia)、瘤胃菌属(未命名)(Ruminococcaceaenoname)、嗜胆菌属(Bilophila)、拟杆菌属(Bacteroides)、孪生球菌属(Gemella)、另枝菌属(Alistipes)、草酸杆菌属(Oxalobacter)、索拉杆菌属(Solobacterium)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和梭菌属(未命名)(Clostridialesnoname)。


2.如权利要求1所述的标志物组合，其特征是，所述标志物组合还包括：罗斯氏菌属(Roseburia)、厌氧棒状菌属(Anaerostipes)、副沙门氏菌属(Parasutterella)、巨单胞菌属(Megamonas)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、丁酸单胞菌属(Butyricimonas)、柯林斯菌属(Collinsella)、志贺氏菌属(Shigella)、罕见小球菌属(Subdoligranulum)和黄杆菌属(Flavonifractor)。


3.一种试剂组合，其特征是，所述试剂组合包括能够检测如权利要求1或2所述的标志物组合的试剂，例如PCR用试剂或测序用试剂；较佳地，所述试剂组合还包括如权利要求1或2所述的标志物组合。


4.如权利要求1或2所述的标志物组合或如权利要求3所述的试剂组合在制备诊断帕金森病的诊断剂中的用途。


5.一种辅助诊断模型，其特征是，其包括：
(1)输入模块，所述输入模块用于输入待测样本的微生物分类学表征和相对丰度的信息，得到基于平均准确度下降方法得到的排名前10或前20的属的菌群；
(2)处理模块，所述处理模块采用随机森林分类器，调用预测函数，基于(1)中排名前10或前20的属的菌群对待测样本的来源进行预测；
其中，所述随机森林分类器基于已知样本的微生物分类学表征和相对丰度的信息得到已知样本的特征菌群；
所述随机森林分类器的定义如下：randomForest(class～.,data＝train_df,ntree＝1000,nPerm＝50,mtry＝floor(sqrt(ncol(train_df)-1)),proximity＝T,importance＝T)；其中，class为所述已知样本的微生物分类学表征和相对丰度的信息的数据集；
所述预测函数的定义如下：predict(rf,newdata＝test_df,type＝"response")；其中，test_df为(1)中的所述信息；
较佳地，所述特征菌群为由基于平均准确度下降方法得到的排名前10的属组成的菌群；和/或，所述已知样本和待测样本的微生物分类学表征和相对丰度的信息通过微生组宏基因组分析例如MetaPhlAn2获得；
更佳地，所述特征菌群为由基于平均准确度下降方法得到的排名前20的属组成的菌群；
进一步更佳地，所述待测样本为粪便，例如来自湖北襄阳地区受试者的粪便。


6.如权利要求5所述的辅助诊断模型，其特征是，还包括(0)预处理模块，和/或(3)输出模块，所述预处理模块对样本的DNA进行提取、文库构建和测序，得到样本的DNA的宏基因组原始读数并除噪，并将除噪后的信息传递至所述输入模块；所述输出模块用于输出所述处理模块的预测结果；
其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王普清，毛良伟，
申请(专利权)人：王普清，
类型：发明
国别省市：湖北;42