来源：IBD Daily

炎症性肠病 (IBD) 包括克罗恩病 (CD) 和溃疡性结肠炎 (UC)，是一类以慢性肠道炎症为特征的疾病。尽管肠道微生物组与IBD的关系已被广泛研究，但其组成变化与疾病发生发展之间的关键联系仍未完全明确，且IBD患者之间的菌群差异很大。与此同时，IBD诊断和病情监测仍依赖多项临床评估，临床上亟需更便捷、无创的炎症监测手段。粪便中除微生物DNA外，还含有人源DNA；在IBD中，由于肠上皮脱落加快及免疫细胞向肠黏膜募集增加，粪便中人源DNA含量会明显升高。然而，这部分人源DNA在宏基因组研究中长期被视为干扰信号而被去除，其作为肠道炎症生物标志物的潜力尚未得到充分重视。本研究结合甲基化分析和鸟枪宏基因组测序，系统评估粪便中人源DNA的含量及来源，并探讨其与肠道菌群变化及IBD炎症状态之间的关系。

本研究基于研究团队新建的儿科IBD临床队列展开，纳入来自以色列的134份粪便样本 (共101名儿童受试者)，涵盖健康对照、CD和UC个体，并同步整合临床资料及疾病活动度信息。研究首先从粪便样本中提取总DNA，随后采用ddPCR对粪便中总人源DNA水平进行定量，并进一步结合基于甲基化标记的分析策略，对人源DNA的细胞与组织来源进行解析，以识别中性粒细胞、淋巴细胞及肠上皮等成分。与此同时，研究应用鸟枪宏基因组测序对肠道微生物组进行表征，通过人基因组比对计算人源reads比例，并在去除宿主序列后完成菌群的物种水平注释。为评估研究发现的稳健性与可推广性，作者进一步引入荷兰成人外部队列 (689名成人) 进行验证，并结合线性混合模型与XGBoost模型，系统分析粪便人源DNA、炎症状态及肠道菌群特征之间的关联，以及其在IBD识别和CD/UC分型中的潜在预测价值。

•不同检测方法获得的粪便人源DNA定量结果与经典炎症指标具有相关性

研究者发现不同方法对粪便中人源DNA的定量结果具有较好一致性，其中基于鸟枪法宏基因组测序获得的人源reads比例与ddPCR测得的总人源DNA含量呈显著正相关，提示宏基因组数据中的人源reads比例可作为粪便人源DNA含量的替代指标。进一步结合疾病活动度分析发现，无论在CD还是UC中，活动期患者粪便中的人源DNA水平均整体高于缓解期及健康对照。研究者进一步比较发现，人源DNA比例超过1%的样本主要集中于活动期病例，在活动期CD和UC中的比例分别为28%和47%，在缓解期CD和UC中仅为15%和13%，而在对照组中几乎可以忽略，仅为2%。对于部分具有纵向随访样本的患者，同一受试者在不同时间点的人源DNA水平变化总体上也与疾病活动状态的转变保持一致，提示该指标在动态反映炎症波动方面具有一定潜力。进一步分析显示，粪便中人源DNA含量与粪钙卫蛋白呈正相关，且这种相关性在活动期IBD中更为明显。在线性混合模型中，人源reads比例联合疾病活动度已能够解释相当比例的粪钙卫蛋白变异 (儿科队列R²=0.33，成人队列R²=0.29)；在儿科队列中进一步纳入治疗进展后，模型解释度还可继续提高 (R²=0.53)。总体而言，该部分结果表明，粪便中人源DNA不仅能够通过不同技术平台实现稳定定量，而且与IBD炎症活动程度密切相关，具有作为无创炎症监测指标的潜在应用价值。

Fig 1. IBD患者粪便中的人源DNA含量可作为疾病活动水平的替代指标。

•粪便中DNA的来源有助于反映IBD的炎症水平

在明确粪便中人源DNA总量与炎症程度相关后，研究者进一步利用基于甲基化标记的分析方法，对粪便中人源DNA的细胞和组织来源进行了分型。结果显示，在IBD患者粪便的人源DNA组分中，中性粒细胞来源DNA占主导地位，并能够较好地区分健康对照与IBD患者，甚至可进一步区分UC的缓解期与活动期。中性粒细胞DNA比例与总人源DNA含量呈高度正相关，在全部样本中相关系数达到0.88，同时也与宏基因组测序得到的人源reads比例显著相关 (Spearman R=0.64)。进一步分析发现，相较于单纯总人源DNA水平，中性粒细胞DNA比例对粪钙卫蛋白的解释能力更强，在儿科队列中建立的线性混合模型可解释大部分粪钙卫蛋白变异 (R²=0.68)。相比之下，结肠上皮来源DNA虽然在对照组和缓解期IBD中也较常见，但其区分IBD与对照的能力有限。为了判断是否能够检测涉及多个细胞区室的更复杂动态变化，研究者尝试将不同组织和细胞类型的测量结果整合为单一指标。结果发现，中性粒细胞/上皮细胞比值 (NER) 较传统的中性粒细胞/淋巴细胞比值 (NLR) 更能区分CD和UC的缓解期与活动期。此外，研究者还排除了便血是中性粒细胞DNA升高主要来源的可能性。总体而言，IBD患者粪便中升高的人源DNA主要反映了中性粒细胞向肠道炎症部位的大量募集，其来源信息较总量指标更能刻画肠道炎症程度。

Fig 2. 对IBD患者粪便进行细胞类型谱分析显示，其中大多数人源DNA来源于中性粒细胞。

•物种数是解释IBD及跨年龄样本差异的主要因素

在肠道微生物组组成方面，既往研究表明微生物多样性降低是IBD最突出的特征之一，也是解释样本间整体差异的重要因素。主坐标分析显示，IBD患者与健康对照在菌群组成上明显分离，而物种数与PCoA第一主成分高度相关，且这种相关性强于Shannon指数，提示相较于多样性本身，物种的存在或缺失更可能主导IBD相关的菌群变异。进一步分析表明，健康对照的物种数约为IBD患者的两倍，且CD患者的物种数低于UC患者，提示CD对肠道微生态丰富度的损害可能更为显著。与此同时，物种数下降与人源DNA升高、粪钙卫蛋白增高及NER升高相伴发生，并且这一现象在统一测序深度后仍然存在。结合年龄和病程分析，研究者还发现儿科个体的物种数随年龄增长上升更快，而CD和UC在病程进展中呈现相反趋势：UC的物种数随病程延长而增加，CD则随病程延长而下降。总体而言，物种数能够较好概括IBD相关肠道微生物组失衡的总体格局，并反映不同年龄阶段及疾病进展过程中菌群生态变化的动态特征。

Fig 3. 肠道微生物组丰富度是驱动IBD与健康对照样本差异的主要因素，并且在CD和UC中与病程持续时间呈现不同相关性

•基于物种存在/缺失信息可实现IBD亚型的预测与特征刻画

研究者进一步基于物种数、人源reads比例以及物种组成信息构建XGBoost模型，用于预测IBD、区分CD和UC，并识别疾病活动状态。结果显示，基于物种存在/缺失信息建立的模型，其整体性能与基于相对丰度的模型几乎相当，仅在缓解期与活动期的区分任务中略逊一筹，但后者整体预测能力本身也较有限。相比之下，仅使用物种数或单独使用人源reads比例的模型表现较弱；其中，人源reads比例单独用于Control vs IBD和CD vs UC分类时，AUC仅分别为0.60和0.53，提示其更适合作为微生物组信息的补充变量，而非独立判别指标。进一步分析表明，纳入完整物种组成信息的模型在成人队列中的AUC可达到0.95以上，而在儿科外部队列中，对Control vs IBD的预测仍保持较好泛化能力。SHAP分析还显示，Bifidobacterium bifidum和Escherichia coli在IBD中更常出现，而Faecalibacterium prausnitzii的部分物种单元则更常见于UC。总体而言，该部分结果表明，IBD及其亚型的关键信息在很大程度上可由物种层面的存在/缺失模式捕捉，且其预测能力并不逊于传统的相对丰度分析。

Fig 4. 基于物种存在/缺失数据和人源reads比例训练的XGBoost模型能够准确预测成人IBD，并在儿科患者中表现出中等程度的泛化能力。

本研究从宿主—微生物双重视角系统揭示了IBD粪便DNA组成的变化特征，指出粪便中升高的人源DNA并非单纯的测序干扰信号，而是能够反映肠道炎症状态的重要指标。IBD患者粪便中人源DNA主要来源于中性粒细胞，且与疾病活动度及粪钙卫蛋白水平密切相关，提示其可用于无创评估肠道免疫炎症反应。与此同时，研究表明IBD相关肠道微生态失衡的核心特征之一在于物种丰富度下降及物种存在/缺失模式的改变，这些特征联合人源DNA信息可较好地区分IBD及其亚型。总体而言，该研究强调，将粪便中宿主DNA定量、细胞来源解析与微生物组分析相结合，有助于更全面地理解IBD中的宿主—微生物互作，并为疾病的无创监测和分型评估提供了新的思路。