12月(yue)1日上線的派森諾基因云(yun)(yun)分(fen)(fen)(fen)析(xi)項目“新版微生(sheng)物多樣性組成譜云(yun)(yun)分(fen)(fen)(fen)析(xi)系統”（點擊(ji)查看(kan)）中新增了縱向分(fen)(fen)(fen)析(xi)模(mo)塊，下面一起來看(kan)看(kan)這個模(mo)塊能(neng)為(wei)我們帶(dai)來哪些數據挖掘內容吧(ba)。

【圖(tu)】新版微生物多(duo)樣性組成譜(pu)分析縱向分析章節(jie)

縱向分析方法介紹(shao)

縱向數據分析（Longitudinal Data Analysis）是一種研究方法，旨在分析隨著時間推移收集的重復測量數據，以探索個體變化的動態過程及其影響因素。在組學研究中，縱向數據分析通常涉及對同一研究對象（如個體）在多個時間點或者條件下的重復測量。一方面，個體的重復測量通常具有時間相關性（即在不同時間點上，來自同一對象的觀測值之間并非獨立）。另一方面，個體間可能存在顯著差異，可以使用隨機效應模型來捕捉個體內和個體間的變異性。因(yin)此(ci)，縱向實(shi)驗(yan)設計的分析一(yi)般需要考(kao)慮時(shi)間或其他(ta)重復(fu)測量單位(wei)的相關性、隨機效應模型(xing)，同(tong)時(shi)結合時(shi)間序列分析。

（1）成(cheng)對時間點比較

兩(liang)兩(liang)差(cha)(cha)異檢驗是確定樣本在(zai)(zai)觀察(cha)“狀(zhuang)態(tai)”之間(jian)是否/如何變(bian)化的(de)(de)分析(xi)。“狀(zhuang)態(tai)”通常指時間(jian)或(huo)環境梯度。對于配(pei)(pei)對分析(xi)（兩(liang)兩(liang)距離和兩(liang)兩(liang)差(cha)(cha)異），樣本對通常應由在(zai)(zai)兩(liang)個(ge)不同(tong)時間(jian)點觀察(cha)到(dao)的(de)(de)同(tong)一個(ge)體(ti)受試者組成(cheng)。例如，在(zai)(zai)醫學研(yan)究中，患者在(zai)(zai)接受治療前(qian)后收集的(de)(de)糞(fen)便樣本；在(zai)(zai)農學研(yan)究中，處(chu)理(li)前(qian)后土壤、同(tong)一物種不同(tong)處(chu)理(li)的(de)(de)根際(ji)土等(deng)。在(zai)(zai)時間(jian)序(xu)列(lie)上，通常可以選擇兩(liang)個(ge)重要的(de)(de)時間(jian)點，按個(ge)體(ti)配(pei)(pei)對進行分析(xi)。

（2）連續時(shi)間點變化分(fen)析(xi)

縱向(xiang)數(shu)據本(ben)(ben)質上(shang)捕捉到了(le)時間(jian)(jian)維度(du)上(shang)的變化(hua)(hua)，提供了(le)比(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)單一時間(jian)(jian)點更豐(feng)富的信息。因此，除了(le)兩(liang)點時間(jian)(jian)比(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)，數(shu)據沿著時間(jian)(jian)軸的多點連續變化(hua)(hua)情況也是縱向(xiang)數(shu)據的重要挖(wa)掘(jue)特征。可以(yi)對(dui)于數(shu)據沿著時間(jian)(jian)軸的波動性（如(ru)(ru)環比(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)等(deng)）進行(xing)分析，也可以(yi)對(dui)于微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)的群(qun)(qun)落整(zheng)體特征沿著時間(jian)(jian)軸變化(hua)(hua)趨勢分析，例(li)如(ru)(ru)成(cheng)熟度(du)預(yu)測(ce)。在Subramanian等(deng)人(ren)在“Persistent gut microbiota immaturity in malnourished Bangladeshi children”研究文章中，引入(ru)了(le)機器學習模型參與計算相(xiang)對(dui)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)(qun)成(cheng)熟度(du)指數(shu)和“微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)(qun)年齡z-score”（MAZ指數(shu)），比(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)出生(sheng)(sheng)(sheng)后兒(er)童(tong)糞便(bian)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)(qun)相(xiang)對(dui)于健康兒(er)童(tong)的群(qun)(qun)落（這(zhe)里定義為成(cheng)熟）。通過該(gai)模型，我們(men)可以(yi)有(you)(you)效(xiao)比(bi)(bi)(bi)(bi)(bi)較(jiao)(jiao)某種狀(zhuang)(zhuang)態下(xia)樣本(ben)(ben)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)(zu)偏離另一種狀(zhuang)(zhuang)態樣本(ben)(ben)微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)(zu)的程度(du)，從而在時間(jian)(jian)軸上(shang)繪制出有(you)(you)參考（如(ru)(ru)相(xiang)較(jiao)(jiao)于對(dui)照(zhao)組(zu)(zu)）的微(wei)(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組(zu)(zu)變化(hua)(hua)趨勢。

（3）線性混合效應模(mo)型

線性(xing)混(hun)合(he)效(xiao)應(ying)(ying)模(mo)型(xing)是處理縱向數(shu)據這種多層(ceng)次數(shu)據結構的(de)經(jing)典工具(ju)。它結合(he)了固定(ding)效(xiao)應(ying)(ying)（如(ru)處理效(xiao)應(ying)(ying)）和(he)隨機效(xiao)應(ying)(ying)（如(ru)個體效(xiao)應(ying)(ying)）。固定(ding)效(xiao)應(ying)(ying)通常(chang)是指研究者感興趣的(de)效(xiao)應(ying)(ying)，可以在模(mo)型(xing)中作為解釋(shi)變量。隨機效(xiao)應(ying)(ying)則(ze)反映了數(shu)據中的(de)層(ceng)次結構，例(li)如(ru)不同個體或組(zu)之間的(de)差異(yi)。因(yin)此線性(xing)混(hun)合(he)效(xiao)應(ying)(ying)模(mo)型(xing)能(neng)夠有效(xiao)地(di)建模(mo)和(he)控制數(shu)據中的(de)相關(guan)性(xing)和(he)異(yi)質性(xing)，從而更好地(di)解析(xi)數(shu)據關(guan)系(xi)。

（4）個體微(wei)生物(wu)互作變化分析

在(zai)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)群(qun)落(luo)中(zhong)，微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)種群(qun)不(bu)是孤立存在(zai)的(de)，而(er)是形成復雜的(de)生(sheng)(sheng)態(tai)交互(hu)(hu)網(wang)絡(luo)。這些互(hu)(hu)作網(wang)絡(luo)在(zai)同(tong)一組受試(shi)(shi)者(zhe)中(zhong)是否表現出相同(tong)的(de)時間(jian)特(te)征(zheng)，可能表明不(bu)同(tong)的(de)時間(jian)軌跡。非(fei)參數(shu)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)依存實驗（Non-parametric microbial interdependence test ，NMIT）用于(yu)評估(gu)一個(ge)(ge)群(qun)落(luo)內特(te)征(zheng)（如微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)類群(qun)、序列(lie)變異或OTU）之間(jian)的(de)互(hu)(hu)作關(guan)(guan)系，以及(ji)如何隨樣本組的(de)時間(jian)而(er)變化。NMIT分析首先(xian)通(tong)過(guo)個(ge)(ge)體多(duo)個(ge)(ge)時間(jian)點采集的(de)樣本構(gou)建微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)關(guan)(guan)聯網(wang)絡(luo)，然后基于(yu)每個(ge)(ge)受試(shi)(shi)者(zhe)微(wei)生(sheng)(sheng)物(wu)互(hu)(hu)作關(guan)(guan)系矩(ju)陣，計算受試(shi)(shi)者(zhe)個(ge)(ge)體之間(jian)的(de)距離。與大(da)多(duo)數(shu)縱(zong)向方法一樣，NMIT在(zai)很大(da)程度上取決于(yu)輸入數(shu)據(ju)的(de)質(zhi)量。目前在(zai)縱(zong)向數(shu)據(ju)（即同(tong)一受試(shi)(shi)者(zhe)隨時間(jian)重復取樣）中(zhong)較(jiao)為適用。

縱向設計組學應用研究

研究1

免(mian)疫(yi)檢查點阻斷治(zhi)療的晚期(qi)黑色素瘤縱向(xiang)腸(chang)道(dao)微生物組(zu)變化

Bj?rk, J. R. et al. Longitudinal gut microbiome changes in immune checkpoint blockade-treated advanced melanoma. Nat Med 30, 785–796 (2024).

在當今的(de)(de)腫瘤治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)領域(yu)，免(mian)(mian)疫(yi)檢查點阻斷（ICB）療(liao)(liao)(liao)法已成(cheng)為(wei)革(ge)命性(xing)(xing)的(de)(de)進(jin)展(zhan)，特別是(shi)在晚期黑(hei)色素(su)(su)瘤的(de)(de)治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)中。然而，盡管ICB治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)在一些患(huan)者(zhe)中取得了顯著成(cheng)效，但仍有部分患(huan)者(zhe)對此療(liao)(liao)(liao)法不敏感或出現免(mian)(mian)疫(yi)相(xiang)(xiang)關(guan)不良事件，這提示我們需(xu)要更深(shen)入地理(li)解影(ying)(ying)響(xiang)ICB療(liao)(liao)(liao)效的(de)(de)因素(su)(su)。腸(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)與(yu)(yu)宿主(zhu)的(de)(de)免(mian)(mian)疫(yi)系統緊(jin)密(mi)相(xiang)(xiang)連，越來越多的(de)(de)證據表明，腸(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組的(de)(de)組成(cheng)可能(neng)是(shi)影(ying)(ying)響(xiang)ICB治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)效果的(de)(de)關(guan)鍵因素(su)(su)之一。特定的(de)(de)腸(chang)道(dao)菌群(qun)(qun)組成(cheng)與(yu)(yu)治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)效果良好(hao)密(mi)切(qie)相(xiang)(xiang)關(guan)，而某(mou)些菌群(qun)(qun)的(de)(de)缺失或過度增生(sheng)(sheng)(sheng)可能(neng)與(yu)(yu)治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)失敗相(xiang)(xiang)關(guan)。一方面，某(mou)些腸(chang)道(dao)菌群(qun)(qun)可以影(ying)(ying)響(xiang)藥物(wu)的(de)(de)代謝，進(jin)而影(ying)(ying)響(xiang)藥物(wu)的(de)(de)活性(xing)(xing)和毒性(xing)(xing)；另一方面，腸(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)還可以直接或間接調(diao)節宿主(zhu)的(de)(de)免(mian)(mian)疫(yi)反應(ying)，影(ying)(ying)響(xiang)免(mian)(mian)疫(yi)治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)的(de)(de)效果。本(ben)研究針對175名接受ICB治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)的(de)(de)黑(hei)色素(su)(su)瘤患(huan)者(zhe)的(de)(de)腸(chang)道(dao)微(wei)生(sheng)(sheng)(sheng)物(wu)組縱(zong)向分析，深(shen)入探討了腸(chang)道(dao)菌群(qun)(qun)在ICB治(zhi)(zhi)(zhi)療(liao)(liao)(liao)中的(de)(de)作用及其變化模式。

【圖】研究部(bu)分結果展示

研究2

抗(kang)PD-1治療期間腸道微生物群的縱向(xiang)分析揭示了黑色(se)素瘤患(huan)者反應的穩(wen)定微生物特征

Macandog, A. D. G. et al. Longitudinal analysis of the gut microbiota during anti-PD-1 therapy reveals stable microbial features of response in melanoma patients. Cell Host & Microbe 32, 2004-2018.e9 (2024).

免(mian)(mian)疫(yi)檢查點(dian)抑制(zhi)劑（ICIs）已顯著(zhu)改善晚期黑色素瘤(liu)的(de)治(zhi)(zhi)(zhi)療效(xiao)(xiao)果，但許多(duo)患者(zhe)(zhe)對(dui)這種治(zhi)(zhi)(zhi)療產(chan)生(sheng)耐(nai)藥(yao)性或復發。腸道微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)與宿主的(de)免(mian)(mian)疫(yi)系統(tong)緊密相(xiang)連(lian)，可能通過調節(jie)免(mian)(mian)疫(yi)反應(ying)影(ying)響免(mian)(mian)疫(yi)治(zhi)(zhi)(zhi)療的(de)效(xiao)(xiao)果。本研究對(dui)接(jie)受PD- 1抗體(ti)治(zhi)(zhi)(zhi)療的(de)不可切除(chu)黑色素瘤(liu)患者(zhe)(zhe)進(jin)行了長達13個月的(de)縱向隨(sui)訪，從治(zhi)(zhi)(zhi)療前的(de)基線(xian)開始，收集了糞便和血液樣(yang)本，分析腸道微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)和免(mian)(mian)疫(yi)標志物(wu)的(de)變(bian)化。研究將不同患者(zhe)(zhe)對(dui)免(mian)(mian)疫(yi)治(zhi)(zhi)(zhi)療的(de)反應(ying)與腸道微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)群(qun)的(de)動態變(bian)化聯系起來，重點(dian)分析了“完全緩解者(zhe)(zhe)”在治(zhi)(zhi)(zhi)療期間的(de)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)物(wu)特征。

【圖】研究(jiu)部(bu)分結果(guo)展示

研究3

四個(ge)(ge)身(shen)體部位(wei)的微生物(wu)組縱向(xiang)分析揭示了健康和疾病期間的核心(xin)穩定(ding)性和個(ge)(ge)體化動態

Zhou, X. et al. Longitudinal profiling of the microbiome at four body sites reveals core stability and individualized dynamics during health and disease. Cell Host & Microbe S1931312824000568 (2024).

為(wei)了深(shen)入理解人體(ti)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群(qun)與(yu)宿主之間(jian)的(de)(de)動(dong)(dong)態相互作用，尤其是(shi)在健康與(yu)疾病狀(zhuang)態下，本研究(jiu)分(fen)(fen)析(xi)了86名參與(yu)者(zhe)（29-75歲）的(de)(de)糞便、皮膚、口腔和(he)鼻腔微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)群(qun)，隨訪時(shi)間(jian)最長為(wei)6年（每(mei)季度進(jin)(jin)行(xing)采(cai)樣），該(gai)隊列在每(mei)個時(shi)間(jian)點對參與(yu)者(zhe)進(jin)(jin)行(xing)多(duo)組(zu)(zu)(zu)學分(fen)(fen)析(xi)，包括16S rRNA基因測序、代謝組(zu)(zu)(zu)、蛋白組(zu)(zu)(zu)、脂質組(zu)(zu)(zu)等。根(gen)據穩態血(xue)漿葡萄糖的(de)(de)測定(ding)結果(guo)將(jiang)58名參與(yu)者(zhe)分(fen)(fen)為(wei)胰(yi)島素(su)敏(min)感型（insulin sensitive, IS，n=28）、胰(yi)島素(su)抵抗型（insulin resistant, IR，n=30）。研究(jiu)整體(ti)分(fen)(fen)析(xi)了4個身體(ti)部位(wei)的(de)(de)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)組(zu)(zu)(zu)組(zu)(zu)(zu)成、時(shi)間(jian)動(dong)(dong)態、與(yu)宿主多(duo)組(zu)(zu)(zu)學、免(mian)疫及(ji)臨(lin)床標(biao)記物(wu)(wu)的(de)(de)關系，深(shen)入探討了在健康和(he)疾病狀(zhuang)態下，人類(lei)微生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)組(zu)(zu)(zu)與(yu)宿主的(de)(de)動(dong)(dong)態相互作用。

【圖】研究部(bu)分結(jie)果展示

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