本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)，更具體的說是涉及一種結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物及其應(yīng)用與構(gòu)建結(jié)直腸癌檢測模型的方法。

背景技術(shù)：

1、結(jié)直腸癌是一種惡性腫瘤，起源于結(jié)腸或直腸的內(nèi)膜上皮細(xì)胞。它是全球最常見的癌癥之一，發(fā)病率和死亡率逐年上升。結(jié)直腸癌早期癥狀不明顯，常常被忽視或誤診；隨著病情進展，患者可能會出現(xiàn)腹痛、腹瀉、便秘、便血、貧血等癥狀。如果癌細(xì)胞擴散到其他部位，還可能出現(xiàn)肝、肺等器官的轉(zhuǎn)移癥狀。

2、結(jié)直腸癌的診斷包括腸鏡檢查、組織活檢和影像學(xué)檢查等。目前，結(jié)直腸癌的診斷方法還存在一些不足之處，如結(jié)腸鏡檢查需要患者進行腸道準(zhǔn)備，且有一定的創(chuàng)傷性和風(fēng)險性；ct掃描可以提供高分辨率的影像，幫助醫(yī)生確定腫瘤的位置、大小、形態(tài)等信息，但是放射線可能會對患者造成一定的輻射損傷；血液中的腫瘤標(biāo)志物如cea、ca19-9等雖然可以用于篩查結(jié)直腸癌，但其敏感性和特異性并不高，不能作為確診的依據(jù)，對于結(jié)直腸癌的預(yù)后評估也不夠準(zhǔn)確，無法根據(jù)患者的具體情況制定個性化的治療方案。

3、早期發(fā)現(xiàn)和治療可以顯著提高患者的生存率和生活質(zhì)量；研究表明，腸道微生物群落的失調(diào)與結(jié)直腸癌的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。因此，迫切需要一種微生物標(biāo)志物，作為結(jié)直腸癌的早期診斷和預(yù)后評估依據(jù)，通過分析患者腸道微生物的組成和功能變化，更早地發(fā)現(xiàn)癌癥跡象，并監(jiān)測治療效果。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物及其應(yīng)用與構(gòu)建結(jié)直腸癌檢測模型的方法，通過分析患者腸道微生物的組成和功能變化，更早地發(fā)現(xiàn)癌癥跡象，并監(jiān)測治療效果。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明提到了一種結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物，所述腸道微生物標(biāo)志物包括以下菌種：tm7phylum_sp_oral_taxon_348、科氏梭菌(clostridium_sp_nsj_42)、狄氏副擬桿菌(parabacteroides_distasonis)、血鏈球菌(streptococcus_sanguinis)、產(chǎn)孢腸道細(xì)菌(turicibacter?sanguinis)、candidatus_nanosynsacchari_sp_tm7_anc_38_39_g1_1、華德薩特菌(sutterella_wadsworthensis)、齒放線菌(actinomyces_dentalis)、非典型韋榮菌(veillonella_atypica)、放線菌屬(actinomyces_sp_icm47)、gemmiger_formicilis、大腸桿菌(escherichia_coli)、blautia_faecicola、溝跡優(yōu)桿菌(eubacterium_sulci)、變異白蟻菌(isoptericola_variabilis)、sellimonas_intestinalis、瘤胃球菌屬(ruminococcus_sp_af41_9)、多爾氏菌(dorea_longicatena)、普通擬桿菌(phocaeicola_vulgatus)、糞腸球菌(enterococcus_faecium)、靈巧糞球菌(coprococcus_catus)、直腸真桿菌(eubacterium_rectale)、梭狀芽孢桿菌(clostridium_sp_af20_17lb)、羅姆布茨菌(romboutsia_timonensis)、產(chǎn)丁酸無桿菌(agathobaculum_butyriciproducens)、多形擬桿菌(bacteroides_thetaiotaomicron)、阿德勒克羅伊茨菌屬(adlercreutzia_equolifaciens)、口腔消化鏈球菌(peptostreptococcus_stomatis)、candidatus_cibiobacter_qucibialis、卵形擬桿菌(bacteroides_ovatus)、脆弱擬桿菌(bacteroides_fragilis)、普拉梭菌(faecalibacterium_prausnitzii)、fusicatenibacter_saccharivorans。

4、本發(fā)明還提到了一種結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物的應(yīng)用，所述應(yīng)用包括用于制備診斷患者是否患有結(jié)直腸癌或結(jié)直腸癌風(fēng)險的產(chǎn)品、作為靶點用于結(jié)直腸癌的病情評估和治療以及構(gòu)建結(jié)直腸癌檢測模型；所述產(chǎn)品包括檢測試劑、檢測試劑盒和檢測芯片中的任意一種。

5、本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物構(gòu)建結(jié)直腸癌檢測模型的方法，包括以下步驟：

6、(1)分別提取結(jié)直腸癌患者和健康人群的糞便中總dna，預(yù)處理后進行高通量測序，對測序結(jié)果進行物種注釋與組成譜分析、基因豐度統(tǒng)計、功能注釋以及差異分析，篩選出直腸癌腸道微生物標(biāo)志物；

7、(2)通過結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物建立鑒定結(jié)直腸癌和健康人群的隨機森林模型，評估，得到結(jié)直腸癌檢測模型；

8、(3)將待測患者的宏基因組及其豐度信息輸入結(jié)直腸癌檢測模型進行識別。

9、進一步地，所述步驟(1)中，所述物種注釋與組成譜分析包括：

10、alpha多樣性：shannon、simpson、insimpson指數(shù)分析；

11、beta多樣性：bray-curtispcoa、pca、nmds、upgma分析；

12、菌群樣本組成、樣本heatmap圖；

13、物種互作關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分析。

14、進一步地，所述步驟(1)中，所述基因豐度統(tǒng)計包括：基因core-pan曲線、基因稀釋曲線、基因數(shù)目的樣品間相關(guān)性分析。

15、進一步地，所述步驟(1)中，所述功能注釋包括：kegg數(shù)據(jù)率功能注釋分析、humann3：定量通路豐度、ko功能豐度及分析、module功能豐度及分析、pathway功能豐度及分析。

16、進一步地，所述步驟(1)中，所述差異分析包括：lefse分析、優(yōu)勢物種差異、多元方差adonis、maaslin、秩和檢驗差異、隨機森林、pathway功能豐度及分析。

17、進一步地，所述步驟(1)中進行高通量測序，包括：用fastp進行去除接頭、用bowtie2去除宿主序列、用metaphlan4進行基于marker的物種豐度分析、用humann33進行功能分析。

18、進一步地，所述步驟(2)中，通過結(jié)直腸癌腸道微生物標(biāo)志物建立鑒定結(jié)直腸癌和健康人群的隨機森林模型，評估，得到結(jié)直腸癌檢測模型，具體為：

19、將結(jié)直腸癌患者和健康人群分為訓(xùn)練集和測試集，利用python中的sklearn.ensemb1e.randomforestclassifier對所述訓(xùn)練集進行隨機森林模型訓(xùn)練；

20、所述評估的方法為：通過繪制學(xué)習(xí)曲線衡量隨機森林模型對數(shù)據(jù)的擬合程度，并通過十折交叉驗證來評估隨機森林模型中每一組參數(shù)的性能，選出最優(yōu)參數(shù)組合。

21、進一步地，所述步驟(2)中隨機森林模型的訓(xùn)練參數(shù)為：基學(xué)習(xí)器的數(shù)據(jù)nesfimators＝{100，500，1000}，樹的最大深度max_depth＝{1，2，3，7，9}，最大特征數(shù)max_features＝[″log2″，″sqrt″]，使用gridsearchcv從python的sci?kit-learn庫中進行參數(shù)調(diào)優(yōu)。

22、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

23、(1)本發(fā)明從宏基因組數(shù)據(jù)中提取與結(jié)直腸癌發(fā)病機制和進程相關(guān)的生物標(biāo)志物；采用隨機森林算法來構(gòu)建結(jié)直腸癌檢測模型具體為：構(gòu)建隨機森林模型，并進行評估得到結(jié)直腸癌檢測模型，增加了結(jié)直腸癌檢測模型的泛化能力和抗過擬合性，能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測和評估結(jié)直腸癌的病情，有助于醫(yī)生制定更有效的治療方案，提高患者的生存率和生活質(zhì)量。

24、(2)本發(fā)明提供的方法具有非侵入性、操作簡便等優(yōu)點，能夠為結(jié)直腸癌的診斷提供新的途徑，篩選出的結(jié)直腸癌微生物標(biāo)志物和構(gòu)建的結(jié)直腸癌檢測模型具有較高的準(zhǔn)確性和特異性，有助于提高結(jié)直腸癌的診斷效率。本發(fā)明的應(yīng)用能夠為結(jié)直腸癌的早期篩查、個性化治療以及疾病監(jiān)測提供有力的支持。

25、(3)本發(fā)明中識別結(jié)直腸癌的特異性腸道微生物標(biāo)志物的技術(shù)方案，有助于發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)新的生物標(biāo)志物或治療靶點。