文献解读 | 粪便样本多组学预测干细胞移植效果

一、背景介绍

造血干细胞移植（HSCT）是一种输入健康干细胞来重建患者造血和免疫系统的治疗方法，目前已成为多种恶性血液病或遗传性疾病的根治性手段，近年来我国干细胞移植手术持续增长，比如2023年北京一地完成数量已达6211例。HSCT治疗潜力强大，是许多血液病患者实现长期生存甚至治愈的关键手段，具有不可替代的临床价值，但尚存在许多并发症的限制，这些临床问题或严重影响患者生活质量甚或生存率，比如移植物抗宿主病（GVHD）、感染与中性粒细胞缺乏性发热（NF）、复发（PD）等，是目前现实存在的临床痛点。近年研究发现，肠道菌群及其代谢物或通过调控免疫稳态影响HSCT结局，因此开展HSCT期间肠道菌群与代谢研究，不仅有助于理解并发症的发生机制，更有可能实现早期预测和精准干预，具有重要的临床转化价值。

 

二、材料方法

研究包含了58名接受造血干细胞移植的患者，其中自体移植35名，异体移植23名，在移植前（T1）、移植期间（T2）和移植后（T3）三个时间段采集粪便样本，采集后立即 −80 °C 冻存，用于后续基因测序与代谢分析。菌群测序基于Illumina MiSeq平台对16S rRNA V3-V4 区扩增子测序；非靶向代谢检测基于GC-TOF-MS平台，靶向代谢检测基于HS-GC-FID平台，重点关注短链脂肪酸（SCFAs），如乙酸、丙酸等。菌群物种注释或组成使用Silva数据库，α 多样性分析包括Shannon、Faith PD、Chao1等，β 多样性分析包括Bray-Curti、UniFrac等，差异菌群分析使用DESeq2；代谢分析使用SIMCA-P 16 进行 PCA、PLS-DA、OPLS-DA等分析，差异代谢物筛选参数为VIP>0.7 且 Kruskal-Wallis 校正 p<0.05 ，通路富集分析基于SMPDB 数据库；组间比较分析基于Wilcoxon 秩和检验或 Mann-Whitney U，组内配对基于Wilcoxon 符号秩检验，多组比较基于Friedman 检验，生存分析基于Kaplan-Meier 与 log-rank 检验，单因素分析基于Cox 回归等。

 

三、结果讨论

研究发现，造血干细胞移植（HSCT）患者在移植前（T1）、移植中（T2）和移植后（T3）三个时间点采集的粪便样本中，肠道微生物α多样性从T1到T3下降显著，菌群结构发生剧烈重塑，比如Staphylococcus等丰度上升，而Saccharimonadaceae-TM7x等减少；代谢数据分析显示短链脂肪酸（SCFAs）如乙酸、丁酸、丙酸和戊酸在T2和T3阶段显著降低，尿酸下降、1-苯乙胺升高等代谢紊乱普遍存在。

进一步分析表明，低α多样性与急性移植物抗宿主病（GVHD）和疾病进展（PD）显著相关，且T1和T3阶段的高α多样性均与更长的总体生存率显著相关；SCFA水平的降低也与GVHD、G2级腹泻及PD密切相关，而T2期SCFA或乙酸较T1期升高者，其生存率显著优于下降者；此外PLS-DA分析显示，基于代谢物谱可有效区分中性粒细胞缺乏性发热、腹泻、GVHD及自体与异基因HSCT等不同临床状态。联合分析显示HSCT可关联菌群多样性丧失和SCFA等关键代谢物减少，与并发症发生和生存预后密切相关，或可作为预测HSCT结局的临床标志物。

 

四、研究结论

研究揭示了造血干细胞移植患者肠道菌群多样性及代谢产物（尤其是短链脂肪酸和尿酸等）随时间显著下降，与GVHD、腹泻、疾病进展及总生存期缩短密切相关，此研究结果，有望实现通过粪便菌群检测α-多样性与特定代谢物（如乙酸、1-苯乙胺、尿酸）建立早期无创检测体系，或有可能为个体化干预GVHD、感染和复发提供精准预警依据，是实现临床转化或功能医学检测的代表研究。而通过整合肠道菌群与代谢检测，实现对患者肠道微生态及功能代谢物的动态全景监测，为临床决策提供实时、可操作的生物标志物，实为临床特殊检测提供了系统性新视角。

 

五、结果展开

图1. 显示造血干细胞移植（HSCT）患者粪便样本肠道菌群与代谢随时间变化的综合评估。

A. 显示研究课题开展流程图。  

B. 显示各时间点（T1至T3）粪便微生物组的α多样性测量结果。  

C. 显示基于不同时间点测定的HSCT患者β多样性。  

D. 显示随时间变化具有显著差异的粪便样本中肠道微生物群的相对丰度，包括葡萄球菌属（Staphylococcus）和Saccharimonadaceae-TM7x。  

E. 显示按时间点分组的患者全部粪便样本的偏最小二乘判别分析（PLS-DA）。  

F. 显示HSCT患者短链脂肪酸（SCFA）浓度随时间的变化。  

G. 显示总体样本中代表性变化代谢物随时间的变化趋势。

 

图2. 显示肠道菌群多样性与HSCT并发症及总生存期（OS）的关系 

A. 显示移植物抗宿主病（GVHD）患者样本与非GVHD患者样本粪便微生物组α多样性的比较。  

B. 显示按是否发生GVHD分层的20个月总生存曲线。  

C. 显示疾病复发组（PD）与无复发组的α多样性比较。

D. 显示根据中性粒细胞缺乏性发热持续时间分组的时间依赖性样本的β多样性分析，或  

E. 显示按是否发生疾病复发进行分组的β-多样性分析。  

F. 显示按T1时点α-多样性高/低分层的总生存曲线。  

G. 显示按T3时点α-多样性高/低分层的总生存曲线。

 

图3. 显示短链脂肪酸（SCFA）变化对HSCT并发症及总体生存率（OS）的影响。 

A. 显示依据是否发生≥2天的2级腹泻分层的SCFA浓度显著变化。  

B. 显示依据是否发生GVHD分层的SCFA显著变化。  

C. 显示依据是否发生PD分层的SCFA变化。  

D. 显示以T2-T1时点总SCFA浓度变化分层的总生存曲线。

E. 显示以T2-T1时点乙酸浓度变化分层的总生存曲线。

 

图4. 显示特异性代谢物（SPMs）对HSCT并发症及移植类型的影响。

A. 显示基于是否发生中性粒细胞减少性发热（NF）的PLS-DA分析。  

B. 显示NF相关显著变化的代谢物。  

C. 显示基于是否发生2级腹泻的PLS-DA分析。  

D. 显示2级腹泻样本中SPMs的显著变化。  

E. 显示具有GVHD因素的患者全部粪便样本的PLS-DA分析。  

F. 显示GVHD患者相关显著变化的特异性代谢物。  

G. 显示按移植类型分组的患者全部粪便样本的PLS-DA分析。  

H. 按移植类型分组的SPMs比较。  

 

参考文献：

Kim J, Kim Y, Lee YJ, Lee HJ, Sim I, Koh S, Suh DH, Jung ES, Jo JC. Gut Microbiome and Metabolome Dynamics as Predictors of Clinical Outcomes in Hematopoietic Stem Cell Transplantation. MedComm (2020). 2025 Aug 18;6(9):e70334. doi: 10.1002/mco2.70334.