粪便脱落细胞转录组学镜像肿瘤生物学特征并实现结直肠癌无创诊断

《Scientific Reports》：Stool shed cell transcriptomics mirrors tumor biology and enables colorectal cancer diagnosis

本研究针对结直肠癌（CRC）筛查依赖侵入性结肠镜检测、患者依从性低的问题，开发了一种基于微生物核糖体RNA（rRNA）去除与UMI（Unique Molecular Identifier）测序的粪便脱落细胞转录组分析技术。通过对54例CRC患者和24例健康对照的粪便样本进行深度测序，研究成功捕获数千个人类基因表达谱，实现CRC高精度诊断（AUC=0.86），且粪便转录组与肿瘤组织表达特征高度相关。该方法为CRC筛查提供了分子机制清晰、非侵入性的新策略，并有望拓展至其他胃肠道疾病研究。

　　

结直肠癌（Colorectal Cancer, CRC）是全球高发的消化道恶性肿瘤，早期诊断可显著提升患者生存率。然而，当前金标准筛查手段——结肠镜检查——作为侵入性操作，伴随出血、穿孔等风险，且患者依从性仅约50%-60%。非侵入性替代方案如粪便免疫化学检测（Fecal Immunochemical Test, FIT）虽已广泛应用，但对早期病变的敏感性和特异性有限。近年来，基于粪便微生物组、DNA突变或甲基化模式的分子检测虽提供新思路，却难以全面捕捉宿主细胞转录组层面的动态变化。因此，开发一种能够无创、精准反映肠道病理状态的技术，成为临床与基础研究的迫切需求。

在此背景下，以色列魏茨曼科学研究所Shalev Itzkovitz团队联合示巴医学中心，在《Scientific Reports》发表题为“Stool shed cell transcriptomics mirrors tumor biology and enables colorectal cancer diagnosis”的研究。该工作通过创新性结合微生物rRNA去除与单分子标识符（UMI）RNA测序，首次实现成人粪便中人类转录组的高深度解析，不仅成功区分CRC与健康个体，更揭示粪便脱落细胞基因表达与肿瘤组织空间转录组特征的强相关性，为CRC筛查与机制研究开辟了新范式。

关键技术方法概述

研究纳入54例CRC患者术前粪便、匹配的肿瘤/癌旁组织及24例健康对照粪便样本，对11例患者追加术后随访样本。粪便样本经RNAlater固定后，采用微生物rRNA探针杂交与RNase H降解策略去除细菌RNA干扰，再通过poly(A)捕获与UMI建库测序量化人类基因表达。数据分析整合差异表达分析、线性分类器构建、细胞组分反卷积及外部单细胞（scRNA-seq）与空间转录组（Spatial Transcriptomics, ST）数据集验证。

微生物核糖体RNA去除实现粪便中人mRNA的深度分析

为突破成人粪便中细菌RNA占比超过99%的技术瓶颈，研究团队设计微生物rRNA去除方案：通过特异性DNA探针杂交捕获细菌rRNA，并利用RNase H酶切降解RNA-DNA杂交链，显著提升人类mRNA检测效率。结果显示，rRNA去除使粪便样本中人类基因检出数量平均提升6.1倍（中位数从392±541增至1745±1050，p=8.3×10^-5），且样本在-20°C保存5天内基因稳定性无显著变化（p=0.8），证实该方法适用于家庭自采样场景。

结直肠癌患者粪便转录组学反映组织状态

基因表达聚类与主成分分析（PCA）显示，CRC患者粪便与肿瘤组织转录组特征均显著区别于健康对照，且术后粪便样本聚类向健康对照组回归。差异表达分析鉴定出CRC相关基因（如CCL20、LYZ、IFITM2、CD44）在肿瘤组织与CRC粪便中同步上调，而健康肠上皮标志基因（如FABP1、CA1、MUC2）在癌旁组织与对照粪便中高表达。进一步相关性分析表明，粪便与组织中CRC/健康表达比值显著相关（r=0.29, p<5×10^?112），且术前/术后粪便表达变化比值与CRC/健康粪便比值高度一致（r=0.42, p<5.7×10^?75），提示粪便转录组可动态监测肿瘤切除后的分子状态恢复。

粪便转录组反映肿瘤组织空间基因表达模式

通过整合空间转录组数据（Visium HD），研究发现粪便中差异表达基因在肿瘤区域与癌旁组织呈现空间特异性分布。例如，健康结肠细胞标志基因CA2、ZG16、AQP8在癌旁区域高表达，且在健康对照粪便中富集，CRC粪便中表达降低，术后则回升；反之，肿瘤相关基因IFITM2、ARPC1B、S100A11在肿瘤区域与CRC粪便中同步上调，术后下降。这一发现证实粪便脱落细胞转录组可精准映射肿瘤微环境的空间异质性。

非靶向粪便转录组学精准诊断CRC

基于粪便基因表达构建的线性分类器在测试集中达到AUC=0.86的诊断效能，接近组织样本分类器性能（AUC=0.96）。关键生物标志物包括髓系炎症基因（IL1B、CXCL8、S100A8）及上皮功能基因，其中钙卫蛋白（S100A8）为已知肠道炎症标志。反卷积分析显示CRC粪便中髓系细胞比例显著升高（p<1×10^?3）。值得注意的是，即使排除髓系或炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）相关基因后，分类器效能仍保持稳定（AUC=0.82–0.84），表明CRC特异性信号独立于炎症背景。

结论与展望

本研究通过技术创新成功突破成人粪便转录组检测瓶颈，证实粪便脱落细胞可忠实反映结直肠癌的分子特征与空间生物学信息。其诊断效能优于现有非侵入性方法（如FIT），且适用于早期病变（Stage I）检测。此外，该方法兼具分子机制解析能力，可通过基因表达模式推断肿瘤亚型、免疫微环境及治疗响应，为CRC筛查、术后监测及个体化治疗提供新工具。未来，粪便脱落细胞转录组学有望拓展至肠道发育、衰老及其他胃肠道疾病研究，推动无创分子诊断领域的革新。