[发明专利]一种基于互作网络正负关系比值的分类技术及其用途

说明书

本发明公开了一种基于互作网络正负关系比值(P/N比值)的分类技术及其在区分疾病相关菌群中的应用。基于菌群细菌物种组成及物种相对丰度，构建正常菌群和待测菌群的互作网络，并以给定的正常菌群互作网络的P/N比值作为基准，根据待测菌群互作网络的P/N比值对待测菌群进行分类判定。本发明主要针对一类被称之为“微生物菌群相关”的疾病，如消化道疾病、细菌性阴道病、牙周炎等疾病。发明人通过分析人体包括肠道、阴道、肺、口腔及皮肤多个部位的微生物菌群数据发现：疾病组和健康组微生物互作网络的正负作用关系数量的比值(即P/N比值)存在显著差异。基于本发明提供的分类技术能快速有效地对待测菌群进行分类判定。

技术领域

本发明涉及计算生物学和医疗健康领域，具体涉及一种利用互作网络中正负关系比值(P/N比值)的分类技术及其在区分疾病相关菌群中的应用。

背景技术

人体各个部位都存在着大量的微生物，除少数病原菌外，绝大大多数的微生物与宿主互利共存，相互影响。自人类微生物宏基因组计划(Human Microbiome Project，HMP)于2008年启动至今，已有大量的研究显示人体微生物菌群与人体的健康状况和疾病有着紧密的联系，特别是例如肥胖、结肠癌、皮炎、细菌性阴道病及牙周炎等疾病与人体微生物菌群的关系更为密切，这些疾病被称为“微生物相关疾病”。这些疾病的病因大多较为复杂，疾病的发展进程不易察觉，缺乏较好的早期诊断指标和更为方便可靠的个性化诊断方法，因此寻找一种可以评估人体健康状况并可以同时运用于多种微生物相关疾病的个性化诊断方法是非常重要的。

人体微生物作为一个微观生态系统，利用生态学理论和手段对其进行研究是必不可少的。现有的研究大多从物种多样性角度来寻找疾病与健康人体微生物菌群的不同，然而，许多微生物相关疾病并未影响患者微生物菌群的生物多样性，因此患者与健康个体间多样性指标，如物种丰度、多样性指数等显著性常无差异。此外，基于多样性的生态学方法多着眼于物种个体数即丰度本身，忽略了菌群内物种间存在的相互作用关系，而物种间的相互作用对宿主体内环境的变化会有较为为灵敏的应变能力，因此传统的多样性指标无法广泛应用于多种疾病的诊断和人体健康状况的评估当中。

网络分析现早已出现在包含了基因组学、蛋白质组学、代谢组学等在内的计算生物学和生物信息学的多个领域当中，然而在微生物菌群研究中仍未得到广泛的应用。网络分析可通过微生物个体间的相互作用关系寻找它们之间可能存在的功能联系，该方法基于传统生态学分析中所用到的物种丰度，将物种间的互作关系纳入分析进行了拓展。现在已有一些研究成功地将网络分析应用于人体微生物菌群分析当中。传统的网络属性如网络密度等大多忽略了网络中节点和边的信息，在微生物菌群互作网络中，每一个节点代表一个物种或一个操作分类单元(operational taxonomic unit，OTU)，而边则代表了两个物种或OTU间的相互作用关系。在菌群互作网络中作用关系为负的边多表示两者间存在抵制或抑制作用，而作用关系为正的边多表示两者为协同关系，这些作用关系在菌群网络功能实现中存在较为重要的地位，而疾病的发生发展会影响网络功能的实现，因此导致网络中物种间相互作用关系的改变。

本发明提出并验证了一种通过检测人体菌群互作网络中正负作用关系比值的方法在评估人体健康状况及个体化诊断微生物相关疾病中的应用。通过监控人体菌群网络中正负关系比值这一属性的变化情况可以为评估人体健康状况和疾病发生风险提供更为有效的方法，也为个性化诊断微生物菌群相关疾病提供可靠的指标和技术支持。

发明内容

本发明的目的在于将人体微生物互作网络中正负作用关系比值应用于人体健康状况的评估及疾病的诊断中，为利用人体微生物监控人体健康状况、诊断疾病提供有效的指标和可靠的技术支持。

本发明的具体实施步骤为：