基于CiteSpace和VOSviewer的肠道菌群研究热点可视化分析

李灵敏，李博，刘晓峰

肠道菌群是人体健康和内环境稳态的重要组成部分，主要存在于胃肠道，是人体内微生物群落密集度最高、种类最多的一类，具有促进健康、预防或治疗疾病等作用。肠道中约有1.5 kg细菌，而粪便的生物中50%是细菌细胞［1］。肠道菌群紊乱在体内许多慢性疾病的发生发展过程中都起着重要作用，如肠道菌群失调越严重导致克罗恩病炎症活动度越强，而那些有使用免疫抑制剂病史的患者肠道菌群失调会更严重［2］。结肠腺瘤患者的肠液菌群结构发生了显著改变，结肠腺瘤患者变形菌门的丰度增加，厚壁菌门丰度减少，形成了易于腺瘤生长的肠道微生态环境［3］。不仅体现在胃肠道疾病，也参与了多种肝脏疾病的发病机制，如慢性乙型肝炎、慢性丙型肝炎、酒精性肝病、非酒精性肝病、肝硬化、肝细胞癌等。

近年来，有关肠道菌群的研究报道呈现出爆炸式增长，而文献产出则是科研成果的主要标志。对于初学者来说，面对大量的文献，逐个阅读不仅费时费力，而且不能迅速掌握主要的研究方向和研究热点，利用CiteSpace和VOSviewer文献计量工具，可以直观地显示出科学知识的结构、规律和分布情况，可以对某一时期某个学科或领域的研究状况和态势进行综合说明，并对相关领域的发展作出预测。在万方数据库中，已有8000多篇关于CiteSpace和VOSviewer的论文发表，这一方法不仅适用于医学信息学、情报方面，也适用于在消化疾病研究方面，且已有多篇论文发表［4－8］。本论文系统地整合近5年来的国际英文文献，从文献信息特征方面揭示肠道菌群的最新进展，并探讨其学科发展趋势，为国内学者在研究相关问题时提供参考与思路。

1 数据库的选择和数据统计

1.1 文献数据来源与检索条件

本文所使用的文献数据来自Web of Science英文期刊核心合集数据库，按照科学设置的检索式“TS＝（gut microbiota）and LA＝（English）and DT＝（Article）”，时间范围设置为2016～2021年，检索到该时间段内有关肠道菌群的文献共计24706篇。再次对专业领域分析限定为“胃肠和肝病”，检索出文献有1643篇。删除重复、书籍章节、会议记录文献后，最终1639篇文献导出，格式为“download_**”将其导入CiteSapceV5.7.R5W和VOSviewer1.6.16软件进行下一步分析。

1.2 统计分析

应用CiteSpace V5.7.R5W 和VOSviewer1.6.16软件，对已纳入肠道菌群研究领域的1639篇有效文献进行了分析。VOSviewer软件从发文量变化趋势、发文期刊、作者分布与合作网络、国家和机构等进行统计，使用CiteSpace软件对关键词、参考文献自动聚类等方面进行了分析，得到了不同时期的研究热点和趋势分布图。通过对关键词的频率、中心性强度和突现度等方面的分析，全面了解该领域的研究现状和发展趋势。如果节点较大则说明该节点在某一特定时间内在某一学科领域中具有重要的代表性；突现度表示的是该节点出现的共线频率和共被引次数在一定时间段内增加，突现度越大，越能表明该节点是这一时期的研究热点。

2 结果

2.1 发文量趋势

对纳入的1639篇论著文献按发表年份进行统计。发文量从2016年（251篇）至2020年（425篇）逐渐递增，2021年因统计到5月，不能判断发文量减少（图1）。

图1 胃肠道微生物研究学术刊物数量的趋势

2.2 论文发表期刊分布

对纳入的文献所发表学术期刊的前10名进行统计（表1），发文量最多的为美国出版的《Gut microbes》，其影响因子（Impact Factor，2019）7.74，双月刊，占15.74%（258／1 639）。近年来国内多家机构的研究论文已在该杂志上发表，是中科院一区重要杂志。发文量第2是《Gut》，占8.18%（134／1 639）。

表1 发文量前10名的期刊及刊登文章数

2.3 作者分布及合作网络

在VOSviewer中对涉及的11 072位作者进行统计，单人最高发文量为26篇，根据普赖斯定律，核心作者的发文量至少为4篇（公式：Mp＝0.749×）。280名作者发文量4篇以上，占总比例为2.52%（280／11 072），因此将最小作者文献数设置为4，进行聚类分析，得到14个研究团体（见图2），节点的大小取决于权重大小，即权重越大，节点越大，表示所发表的文章数量越多，连线越多代表联系越紧密。聚类最大值设置为红色，其次以黄色表示。Bajaj是发文量最多的作者（26篇），就职于美国弗吉尼亚联邦大学胃肠病和营养科，主要研究为粪菌移植、肠道微生物在慢性肝病、肝性脑病、酒精性肝病等方面的作用与变化等研究［9－11］。其次是Gillevet和Sikaroodi均发表22篇，且来自于同一个机构美国乔治梅森大学［12－13］。此三人团体之间合作较多，最近合作的一篇文章为肝硬化男性肝细胞癌的肠道菌群生物特征［14］。香港中文大学消化疾病研究所于君教授位于第9（12篇），近期被引次数最高的文章为结直肠癌中的肠道菌群作用机制和临床应用［15］。

图2 2016－2021年肠道菌群的作者合作网络图

2.4 发文机构分析

对纳入文献的发文机构进行统计（见表2），发表文章最多的Harvard medical School（37篇），第二为Mayo Clinic（35篇），对发文量不小于5篇的机构聚类分析，共有235个机构纳入分析（见图3），节点越大，表示发文越多，节点之间的连线表示机构之间联系，最大的节点以暖色红色表示。从聚类图中可看出我国香港中文大学、浙江大学、上海交通大学国际间合作与交流较多。

表2 发文量前5名的机构名称

图3 研究机构的聚类图

2.5 国家与区域分布

学科的发展往往具有一定的地域性，同一个国家或地区的学者交流频繁，信息流动大，发文量前10的国家及地区（见表3），美国是发文量最多的国家，占总数的38.9%（639／1639），说明美国在肠道菌群方面的研究居于世界核心地位。中国发文量第二18.6%（306／1639），说明我国在肠道菌群方面的研究较为活跃。

表3 发文量前10的国家及地区

2.6 关键词分析

2.6.1 高频关键词 利用CiteSpace软件对样本文献进行关键词的共词分析，将节点类型设为关键词，阈值设为Top50，时间分割为1年。关键词是文献研究内容的提炼浓缩，这些关键词很大程度上代表文章的方向，如果这一关键词在若干篇文献中出现的频率较高，说明这一关键词是相似的文献研究热点。所以，可以通过关键词的聚类及突显来了解肠道菌群领域内的研究热点。在一定程度上代表科学研究主题分布情况和研究的热点及趋势。将同义词、近义词、缩写词、大小写字母等合并，统计出现频数＞30的关键词。频次前10的关键词分别为：microbiota（1 400次）、inflammation（227次）、inflammatory bowel disease（216次）、ulcerative colitis（187次）、crohn′s disease（183次）、dysbiosis（173次）、obesity（137次）、diversity（129次）、probiotics（124次）、irritable bowel syndrome（116次）。

2.6.2 关键词聚类分析 对关键词进行聚类形成热点研究领域，使用CiteSpace对关键词进行聚类，选择“log-likelihood ratio”作为算法进行组题词提取。形成了8个代表热点研究领域8大聚类（见图4），分别是“0＃ethanol-induced liver injury”、“1＃pancreatic dysfunction”、“2＃assessing fecal microbiota”、“3＃colonic microbiome”、“4＃early gut coloniztion”、“5＃childhood development”、“6＃colorectal cancer”、“7＃respiratory infection”。聚类数字越小，所包含的关键词越多，每个聚类都是多个紧密相关的词组成。

图4 关键词聚类分析图

2.6.3 关键突显分析 关键词突显分析能偶探测对应时间节点里出现频数变化率高的关键词，确定研究领域的前沿内容，由图5中可见2019－2021年“protein、mortality、marker、fermentation、oxidative stress、pregnancy”为关键突显词。

图5 关键词突显分析（前20个高频关键词）

2.7 被引文献分析

Cite Space能对共被引文献进行聚类分析，随着相关领域文章数量的变化，文献“被引”的次数也发生了变化，这反映了这一领域的核心和学科前沿。选择“reference”对网络节点进行共现分析，被引次数排在前10位的形成行业认同程度，可以看出在“克罗恩病、饮食、粪菌移植、肝硬化、炎症性肠病、非酒精性脂肪性肝病”等方面别引用较多（见表4）。

表4 肠道菌群文章共被引文献排名前10

通过被引文献共线网络图可以体现知识构架及演变过程，不同的聚类代表该领域不同的研究侧重点，通过对肠道菌群共被引相关文献聚类后得到13个方面的聚类（见图6）：0＃crohns disease、1＃gut mircrobiota、2＃alcohol-associated liver disease、3＃irritable bowel syndrome、4＃altering host、5＃colorectal cancer patient、6＃fecal microbiota transplantation、7＃childhood development、8＃colorectal cancer、9＃proton pump inhibitor、10＃fecal microbiota transplantation、11＃bacterial co-infection、12＃stool quality。共被引时序图可以直观的反应不同聚类的演变过程。0＃为最大聚类，选取O＃做进步一部分析，最大的节点标记为Gevers等在2014年发表关于新诊断克罗恩病儿童和青少年的肠道菌群变化［16］，最后一个节点为2019年nature上发表的炎症性肠病肠道微生物生态系统的多组学研究［17］。

图6 共被引文献聚类分析时序图

3 讨论

3.1 热点领域不断扩大

本文是对2016年至2021年出版的肠道菌群在胃肠与肝脏疾病方向的原创文章进行信息可视化分析，根据我们的研究趋势，近年来，相关论文的发表数量不断增加，国际上有关肠道菌群的研究也日益成为热点话题与重要研究领域。

通过统计分析发现，美国在肠道菌群方面的发文量远超其他国家，表明其在肠道菌群领域处于领先地位，并且研究作者群体和群体之间合作也较多，Bajaj与Gillevet联合发表了10余篇论文，提示多学科、多中心的合作研究将会成为未来发展的主流趋势。我国学者发文量位于第二，也是我国近几年科研工作的学术意识、呈现能力都得到了增强的体现。就出版期刊而言，许多高质量的杂志青睐与肠道菌群相关的文献，这也是该领域较热门的趋势，显示出了广阔的发展前景。

3.2 疾病相关的热点突出

高频关键词提示“炎症性肠病、溃疡性结肠炎、克罗恩病、细菌、肥胖、失调”是排名靠前的，但炎症性肠病、溃疡性结肠炎一直是肠道菌群研究的重点区域。聚类分析提示“乙醇诱导的肝损伤，胰腺功能障碍、评估粪便微生物群、结肠微生物群、早期肠道定植、儿童发育、结肠直肠癌，呼吸道感染”。突显词显示“蛋白质、死亡率、标志物、发酵、氧化应激、妊娠”是2021年热度较高的关键词汇。

肠道菌群与疾病的因果关系、疾病死亡率、临床预后之间的相关性一直是人们研究的热点。与疾病相关的标志物筛选是最近年来的研究热点和方向，对已有数据库信息的进行挖掘，疾病不同阶段的进行队列研究，以便筛选出与疾病相关的标志物。通过检测体液和粪便中的多种分子生物标志物，可以对肝癌的早期诊断、对特定治疗的预测反应、对治疗前后的预后评估，以及作为新的治疗靶点，具有无创的优势，可对现有的诊断作为改善和补充方法［18］。代谢产物与疾病之间的关系，肠道菌群失调会影响到许多疾病，如糖尿病、心血管疾病、肝病、炎症性肠病、肠易激综合征、多发性硬化、自闭症、阿尔兹海默病、帕金森病、肌萎缩性侧索硬化等，这些疾病都有共同特征就是慢性炎症。寻找与代谢相关的特殊诊断靶点，发现生物标志的marker，是今后的研究热点。

肠道发酵综合征也称为内源性酒精发酵综合症或自动酿酒综合症，是一种少见但在日常实践中诊断不足的疾病，其中消耗的碳水化合物被胃肠道或泌尿道中的微生物群转化为酒精［19］。基于中国人群的队列研究中发现，高达60%的非酒精性脂肪性肝病与高产酒精的肺炎克雷伯菌有关，很大比例的非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）患者体内检测出高产酒精肺炎克雷伯菌［20］。将肺炎克雷伯菌转移到小鼠体内会引起NAFLD，这表明这种菌株水平的升高可能是人类NAFLD的一个原因。

肥胖的孕妇，特别是怀孕期间口服鱼肝油和益生菌的妇女，在妊娠早期和晚期等特殊人群的肠道菌群发生了变化，使用宏基因组学方法对肠道菌群进行了分析，未出现妊娠期糖尿病的孕妇肠道菌群中乳球菌的丰度更高。妊娠期糖尿病可影响母体肠道菌群的弹性，从而限制了糖尿病孕妇对饮食的反应能力［21］。妊娠期肝内胆汁淤积症的妇女肠道菌群的变化，通过16s核糖体RNA基因测序，并与正常对照组进行比较，分析了菌群与妊娠期肝内胆汁淤积严重程度之间的关系，发现大肠埃希菌属、志贺氏菌属、奥尔森氏菌属和屠夫菌属在重度妊娠期肝内胆汁淤积症中富集，与不饱和脂肪酸生物合成和丙酸代谢相关的有关微生物基因功能也增强［22］。可见，对特殊人群肠道菌群的分析仍是研究的方向及热点。

对疾病的治疗也是肠道菌群研究的方向之一，在NAFLD中，已知肠道来源的内毒素、饱和脂肪酸、胆固醇及其代谢物，以及与肝细胞损伤相关的分子，都能激活肝脏中的巨噬细胞。清道夫受体A和CD36的缺乏导致库弗氏细胞内的溶酶体胆固醇、脂质氧化和氧化应激降低，导致肝损伤的发生。已有研究表明己酮可可碱对巨噬细胞有一定的作用，但其对TNF的释放和氧化应激均有一直作用，这两种作用均有重要意义。己酮可可碱多项人体实验研究均表明其具有治疗作用。在肠道菌群中的浮现，氧化应激是目前的研究热点，内毒素和肝脏的巨噬细胞均可引起炎症反应［23］。

3.3 研究机制及技术向大数据、多学组靠拢

2014年发表的以新诊断克罗恩病儿童和青少年末端回肠和直肠活检组织，通过16S rRNA和鸟枪法宏基因测序观察其菌群变化［16］，到现在的纵向多学组研究，可以看出随着研究的不断深入，对肠道菌群研究要求越来越高。单一组学研究难以完全解释复杂的生物网络调节机制，而多组学的研究则能相互验证，宏基因组测序、宏转录组测序、蛋白质组、代谢组学、病毒组学等的相关分析或基因功能的相关分析，在肠道菌群领域广泛应用，因此综合多组学研究手段对肠道菌群结构和功能变化引起的疾病发生发展机制及药物靶点等的研究，是目前研究的大趋势。

4 结束语

本文对近5年来肠道菌群研究的现状、热点和发展趋势进行了简要分析。其不足在于，本文只对web of science核心合集文献进行了分析，且仅限于英文文献。通过CiteSpace和VOSviewer软件的计量分析，我们能更好地洞察研究重点和趋势，就特殊疾病（肝癌、肝纤维化、非酒精性脂肪肝等）、特殊人群（孕妇、肥胖、儿童等）中治疗前后的肠道菌群的变化及标志物的筛选、新疗法如特殊菌种、粪菌移植等将是未来深入研究的趋势。