一种肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法与流程

本发明涉及临床医疗技术领域，尤其涉及一种肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法。

背景技术：

溃疡性结肠炎(uc)是炎症性肠病的一种亚型，是一种缓解性和复发性炎症性疾病，症状包括腹痛、腹泻、粪便急迫性、胃肠出血和体重减轻。uc已成为21世纪的一种全球性疾病，在西方国家的合并发病率为每10万人中6-15人，在新兴工业化国家发病率在加速上升。尽管有大量可用的治疗方法，包括皮质类固醇、抗肿瘤坏死因子(tnf-a)制剂、氨水杨酸盐、免疫调节剂和手术，但许多患者对这些治疗没有反应或在治疗期间出现继发性失效。因此，开发新疗法和研究替代策略是必要的。虽然uc的病因尚不清楚，但它被认为是复杂的遗传、免疫和环境因素。

肠道菌群作为一种重要的环境因子，在uc发育过程中起着重要的作用。通过粪便微生物群移植(fmt)操纵肠道微生物群已经在临床试验中证明了对uc缓解以及其他疾病的有效性。然而，fmt的有效性在不同的研究中存在差异，在这些研究中，特定的供体可能发挥关键作用。例如，使用5名供体对uc进行的fmt随机对照试验显示，78％的患者在接受了来自单一供体的粪便后达到了缓解。此外，接受来自同一供体粪便的fmt批次的患者表现出更高的缓解率(37％)，而接受fmt批次不包括该供体的患者(18％)。因此，如何准确选取溃疡性结肠炎医疗研究的特征参数，从而为溃疡性结肠炎患者匹配合适的菌群供体以保证菌群移植治疗的有效性，是菌群移植医疗技术急需解决的技术难题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提出一种肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法，通过本方法，便于溃疡性结肠炎患者匹配合适的菌群供体，以保证菌群移植治疗的有效性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供的一种肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法，包括如下步骤：(s1)：收集临床溃疡性结肠炎患者受体以及健康人员供体的肠道菌群数据，建立数据库；(s2)：通过分析处理数据库数据，提取供体独有多样性、菌属分类单元、通路分类单元以及用以比较供体与受体之间组成差异的供受体距离数据组成特征，构建溃疡性结肠炎供受体配型模型，并对各指标特征进行计算分析；(s3)：配型模型通过层次分析法分解特征层次结构，对供体库中供体进行打分排序，计算全局权重，选择最优值供体，使患者获得最优供体配型。

本发明优选地技术方案在于，在步骤(s2)中，采用求同存异法，根据供体和受体肠道内多样性的种类进行比对，找出供体独有多样性特征；

求同存异法计算供体独有多样性的公式为：

obsalpha-diver＝obsdonor-obsdonor∩patient；

本发明优选地技术方案在于，在步骤(s2)中，在溃疡性结肠炎患者中选择至少一种富集或缺失的菌属分类单元，组成菌属分类特征；

利用增益减害原则计算菌属分类单元，其公式为：

本发明优选地技术方案在于，在步骤(s2)中，在溃疡性结肠炎患者中选择至少一种富集或缺失的通路分类单元，组成通路分类特征；

利用增益减害原则计算通路分类单元，其公式为：

本发明优选地技术方案在于，供体和受体肠道内多样性的种类是基于数据库中供体和受体的粪便样本进行16s序列分析得到的。

本发明优选地技术方案在于，在步骤(s3)中，层次分析法进行供受体配型时包括如下步骤：

(s31)：将溃疡性结肠炎患者供受体配型涉及的因素划分为目标层、准则层以及方案层，建立供受体配型层次结构模型，其中，准则层包括供体独有多样性、有益菌属分类单元、有害菌属分类单元、有益通路分类单元、有害通路分类单元以及距离；

(s32)：构造两两比较判断矩阵，判断矩阵用数值表示下层元素对上层元素的相对重要性；

(s33)：进行层次单排序，计算单一准则下元素的相对权值，通过随机一致性比率cr来检验判断矩阵的一致性，当cr<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，当cr≥0.1时，则需重新调整判断矩阵，使其具有一致性；

(s34)：计算各层元素对目标层的总排序权重，检验一致性；

(s35)：根据综合权重得分进行排序，选择权重高的供体作为最优供体。

本发明优选地技术方案在于，供受体距离计算公式为：

其中，sp，i、sd，i分别代表受体和供体第i个多样性种类的个数。

本发明优选地技术方案在于，肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法，还包括如下步骤：(s4)：将根据步骤(s1)、步骤(s2)以及步骤(s3)确定的供受体配型模型运用于临床研究，与临床缓解率相结合评定其准确率。

本发明优选地技术方案在于，溃疡性结肠炎患者中富集的菌属分类单元为sellimonas、parvimonas、消化链球菌属、埃希志贺氏杆菌属、flavonifractor、erysipelatoclostridium、链球菌属、peptoniphilus、肠球菌属中的至少一种；溃疡性结肠炎患者中缺失的菌属分类单元为考拉杆菌属、瘤胃菌科_ucg-002、瘤胃球菌属_2、粪球菌属_2、akkermansia、odoribacter、[eubacterium]_ventriosum_group、毛螺菌科_nk4a136_group、瘤胃菌科_ucg-014、瘤胃菌科_ucg-013、un_f_瘤胃菌科、fusicatenibacter、ruminiclostridium_6、parabacteroides、[eubacterium]_xylanophilum_group、氏菌属、parasutterella、christensenellaceae_r-7_group、alloprevotella、毛螺菌科_ucg-008、[eubacterium]_hallii_group、enterorhabdus、senegalimassilia、un_o_gastranaerophilales、tyzzerella_3中的至少一种。

本发明优选地技术方案在于，溃疡性结肠炎患者中富集的通路分类单元为pwy-6470、hemesyn2-pwy、galactardeg-pwy、methglyut-pwy、pwy-6891、pwy-5910、orndeg-pwy、3-hydphenacetate-pwy、kdo-naglipasyn-pwy、nad-biosynthesis-ii、ppgppmet-pwy、rump-pwy、pwy-7377中的至少一种；溃疡性结肠炎患者中缺失的通路分类单元为pwy-7374、pwy-6151、pwy-7090、pwy-6572、pwy-7111、cobalsyn-pwy、pwy-6478、pwy-5005、glutorn-pwy、pwy4fs-7、pwy-5103、pwy-5101、pantosyn-pwy、pwy-6507、ileusyn-pwy、pwy-3001、pwy-6385、pwy-5659、pwy-5676的至少一种。

本发明的有益效果为：

本发明提供的肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法，结合供体和受体的信息，根据相生相克的原则采用相关方法计算其供体独有的多样性种类、菌属分类特征、通路分类特征、距离，通过层次分析法建立层次结构模型计算相应的权重来确定配型模型，并应用于预先临床试验进行性能比较，评定模型的高灵敏性，从而验证本发明策略方法的可行性。通过上述过程，便于患者匹配合适的菌群供体，以保证菌群移植治疗的有效性。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中提供的肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法的原理流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，为了便于患者匹配合适的菌群供体，以保证菌群移植治疗的有效性。进一步地，本实施例中提供的一种肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法，包括如下步骤：(s1)：收集临床溃疡性结肠炎患者受体以及健康人员供体的肠道菌群数据，建立数据库；(s2)：通过分析处理数据库数据，提取供体独有多样性、菌属分类单元、通路分类单元以及用以比较供体与受体之间组成差异的供受体距离数据组成特征，构建溃疡性结肠炎供受体配型模型，并对各指标特征进行计算分析；(s3)：配型模型通过层次分析法分解特征层次结构，对供体库中供体进行打分排序，计算全局权重，选择最优值供体，使患者获得最优供体配型。其中，供体独有多样性特征指供体肠道中不同于受体肠道内的独有多样性菌种，菌属分类特征指在溃疡性结肠炎患者中富集或缺失的菌属分类单元，通路分类单元特征指在溃疡性结肠炎患者中富集或缺失的通路分类单元，供受体距离特征指bray-curtis距离，主要基于otus的计数统计，比较供体群落和受体群落之间的组成差异，dbray-curtis值越小表示二者组成差异小。通过提取上述多角度多方位的供受体数据特征来建立配型模型，能提供更多的信息，使得配型模型特征多样化，配型匹配度更高，提高菌群移植治疗效果。在层次分析法供体与受体配型中，层次分析法是将为患者匹配合适的菌群供体的决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的供体配型备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权和的方法递阶归并各供体配型备择方案对为患者匹配合适的菌群供体的总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。通过上述过程，便于患者匹配合适的菌群供体，以保证菌群移植治疗的有效性。

优选地，在步骤(s2)中，采用求同存异法，根据供体和受体肠道内多样性的种类进行比对，找出供体独有多样性特征；

求同存异法计算供体独有多样性的公式为：

obsalpha-diver＝obsdonor-obsdonor∩patient；

式中，obsalpha-diver代表供体独有的多样性种类个数；obsdonor代表供体实际的多样性种类个数；obsdonor∩patient代表供体和受体共有的多样性种类个数；代表供体独有多样性种类的相对丰度。通过上述公式，可计算环境样本内供体独有的物种多样性大小，并对供体各个独有物种多样性的具体数据进行打分排序。

优选地，在步骤(s2)中，在溃疡性结肠炎患者中选择至少一种富集或缺失的菌属分类单元，组成菌属分类特征；

利用增益减害原则计算菌属分类单元，其公式为：

式中，ratio.btdonor代表受体缺少的有益菌属分类单元但在供体中出现的有益菌属分类单元个数在受体缺少的有益菌属分类单元总数的比例；ratio.htdonor代表在供体和受体中均出现的有害菌属分类单元的个数在受体出现的有害菌属分类单元总数的比例；abu.btdonor和abu.htdonor分别代表对应的相对丰度。通过上述公式，可计算环境样本内受体在富集或缺失的有益菌属或者有害菌属分类单元的比例构成以及相对丰度，并对不同组成的菌属分类单元的具体数据进行打分排序，以便构建更准确可靠的配型模型。

优选地，在步骤(s2)中，在溃疡性结肠炎患者中选择至少一种富集或缺失的通路分类单元，组成通路分类特征；

利用增益减害原则计算通路分类单元，其公式为：

式中，ratio.bpdonor代表受体缺少的有益通路分类单元但在供体中出现的有益通路分类单元个数在受体缺少的有益通路分类单元总数的比例；ratio.hpdonor代表在供体和受体中均出现的有害通路分类单元的个数在受体出现的有害通路分类单元总数的比例；abu.bpdonor和abu.hpdonor分别代表对应的相对丰度。通过上述公式，可计算环境样本内受体在富集或缺失的有益通路或者有害通路分类单元的比例构成以及相对丰度，并对不同组成的通路分类单元的具体数据进行打分排序，以便构建更准确可靠的配型模型。

优选地，供体和受体肠道内多样性的种类是基于数据库中供体和受体的粪便样本进行16s序列分析得到的。通过16s序列分析法对肠道菌群进行高通量测序，通过分析测序序列的构成了解特定环境中肠道菌群的构成情况或基因的组成以及功能，核心是研究菌群样本中的物种分类、物种丰度以及系统进化，通过otu分析，可以知道研究样本中的菌群多样性和不同菌群的丰度。

优选地，在步骤(s3)中，层次分析法进行供受体配型时包括如下步骤：

(s31)：将溃疡性结肠炎患者供受体配型涉及的因素划分为目标层、准则层以及方案层，建立供受体配型层次结构模型，其中，准则层包括供体独有多样性、有益菌属分类单元、有害菌属分类单元、有益通路分类单元、有害通路分类单元以及距离；

(s32)：构造两两比较判断矩阵，判断矩阵用数值表示下层元素对上层元素的相对重要性；

(s33)：进行层次单排序，计算单一准则下元素的相对权值，通过随机一致性比率cr来检验判断矩阵的一致性，当cr<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，当cr≥0.1时，则需重新调整判断矩阵，使其具有一致性；

(s34)：计算各层元素对目标层的总排序权重，检验一致性；

(s35)：根据综合权重得分进行排序，选择权重高的供体作为最优供体。

在步骤(s32)中，构造两两比较判断矩阵，所述判断矩阵用数值表示下层元素对上层元素的相对重要性，将比较的结果用数值表示。一般使用数字1～9作为标度(见表1)。

表1：因素比值规则表

例如，对准则层的六个特征因素(供体独有多样性、有益菌属分类单元、有害菌属分类单元、有益通路分类单元、有害通路分类单元以及距离)进行专家打分(见表2)，

表2：六个特征因素的打分表

因此构造的判断矩阵m为：

由判断矩阵m计算出6个特征指标的全局权重分别为0.072，0.433，0.210，0.037，0.210，0.037。

在步骤(s33)中，进行层次单排序，计算单一准则下元素的相对权值，采用随机一致性比率cr来检验判断矩阵的一致性，其计算公式为：

cr＝ci/ri(1)，

公式(1)中ri为随机一致性指标(见表3)，ci为一致性指标，公式(2)中n为本层指标的个数，λmax为判断矩阵的最大特征根；当cr<0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，反之，则需重新调整判断矩阵，使其具有一致性。

表3：ri数值表

在步骤(s34)中，进行层次综合排序，检验一致性，即计算各层元素对目标层的总排序权重，计算公式为：

公式(3)中ckj表示c层包含的n个元素相对于上一层b层因素的层次单排序，bj为b层单排序权值。

通过上述过程，根据综合权重得分进行排序，选择权重高的作为最优供体，便于患者匹配最合适的菌群供体，以保证菌群移植治疗的有效性。

优选地，供受体距离计算公式为：

其中，sp，i、sd，i分别代表受体和供体第i个多样性种类的个数。bray-curtis距离主要基于otus的计数统计，比较供体群落和受体群落之间的组成差异，值越小表示二者组成差异小。通过上述过程，以便根据构成准则层的距离因素的具体数据进行打分排序。

优选地，肠道菌群移植治疗溃疡性结肠炎的供受体配型方法，还包括如下步骤：(s4)：将根据步骤(s1)、步骤(s2)以及步骤(s3)确定的供受体配型模型运用于临床研究，与临床缓解率相结合评定其准确率。通过本方法构建的供受体配型模型的准确率处于50％以上，保证菌群移植治疗的有效性。

优选地，溃疡性结肠炎患者中富集的菌属分类单元为sellimonas、parvimonas、消化链球菌属、埃希志贺氏杆菌属、flavonifractor、erysipelatoclostridium、链球菌属、peptoniphilus、肠球菌属中的至少一种；溃疡性结肠炎患者中缺失的菌属分类单元为考拉杆菌属、瘤胃菌科_ucg-002、瘤胃球菌属_2、粪球菌属_2、akkermansia、odoribacter、[eubacterium]_ventriosum_group、毛螺菌科_nk4a136_group、瘤胃菌科_ucg-014、瘤胃菌科_ucg-013、un_f_瘤胃菌科、fusicatenibacter、ruminiclostridium_6、parabacteroides、[eubacterium]_xylanophilum_group、氏菌属、parasutterella、christensenellaceae_r-7_group、alloprevotella、毛螺菌科_ucg-008、[eubacterium]_hallii_group、enterorhabdus、senegalimassilia、un_o_gastranaerophilales、tyzzerella_3中的至少一种。通过上述数据，使得菌属分类单元数据信息构成更多样化，保证供受体配型模型的构成更合理可靠。

优选地，溃疡性结肠炎患者中富集的通路分类单元为pwy-6470、hemesyn2-pwy、galactardeg-pwy、methglyut-pwy、pwy-6891、pwy-5910、orndeg-pwy、3-hydphenacetate-pwy、kdo-naglipasyn-pwy、nad-biosynthesis-ii、ppgppmet-pwy、rump-pwy、pwy-7377中的至少一种；溃疡性结肠炎患者中缺失的通路分类单元为pwy-7374、pwy-6151、pwy-7090、pwy-6572、pwy-7111、cobalsyn-pwy、pwy-6478、pwy-5005、glutorn-pwy、pwy4fs-7、pwy-5103、pwy-5101、pantosyn-pwy、pwy-6507、ileusyn-pwy、pwy-3001、pwy-6385、pwy-5659、pwy-5676的至少一种。通过上述数据，使得通路分类单元数据信息构成更多样化，保证供受体配型模型的构成更合理可靠。

本发明提供如下具体的实施例以阐述本方法的应用原理，有如下步骤组成：

1)全局权重设计：

根据专家打分建立判断矩阵，从而计算全局权重；

因此由判断矩阵m计算出6个特征指标的全局权重分别为0.072，0.433，0.210，0.037，0.210，0.037；

2)模型构建：

利用ahp进行模型构建，采用上述适合的理论方法与结论，优化参数；

3)指标计算：

对某个特定的受体运用求同存异的方法计算其供体独有的多样性指标特征权重为：

walpha-diver＝(0.043，0.055，0.052，0.060，0.070，0.055，0.040，0.040，0.071，0.067，0.060，0.081，0.044，0.045，0.052，0.068，0.096)^t

利用增益减害原则计算其菌属分类单元的特征权重分别为：wbt＝(0.067，0.040，0.040，0.053，0.054，0.040，0.054，0.041，0.079，0.053，0.026，0.082，0.070，0.053，0.076，0.096，0.077)^t

wht＝(0.026，0.039，0.036，0.051，0.089，0.073，0.090，0.019，0.046，0.083，0.089，0.039，0.068，0.055，0.064，0.056，0.078)^t

利用增益减害原则计算其通路分类单元的特征权重分别为：

wbp＝(0.052，0.055，0.055，0.058，0.064，0.053，0.063，0.056，0.061.0.061，0.059，0.059，0.061，0.059，0.061，0.061，0.062)^t

whp＝(0.058，0.059，0.059，0.058，0.059，0.059，0.059，0.058，0.059，0.059，0.059，0.059，0.059，0.059，0.059，0.059，0.059)^t

最后运用bray-curtis方法计算其距离的特征权重为：

wdist＝(0.050，0.056，0.057，0.057，0.062，0.062，0.061，0.052，0.060，0.062，0.063，0.058，0.061，0.059，0.060，0.058，0.061)^t

4)性能评定：

将根据1)、2)和3)确定的模型计算得分，公式为：

scoredonor＝gw[1]*wdist+gw[2]*walpha-diver+gw[3]*wbt+gw[4]*wht+gw[5]*wbp+gw[6]*whp

将上述供受体配型模型运用于已公开的临床研究的21个受体和17个供体，与临床缓解率相结合评定其准确率达到62％。

本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。