The colorectal and oropharyngeal microbiome in metastatic colorectal cancer

Abstract

Research has shown that the intestinal microbiome differs between colorectal cancer (CRC) patients and healthy individuals, reflecting dysbiosis. Certain bacterial species linked to CRC are enhanced or diminished through specific pathogenic mechanisms, but the role of the microbiome in metastatic CRC remains unclear. Additionally, little is known regarding the effects of the presence of the primary tumor on microbial composition in advanced CRC. Oral bacteria can reach the large intestine via ingestion or hematogenous spread, promoting biofilm formation, dysbiosis, and tumorigenesis. Given this interaction, examining the oropharyngeal microbiome in CRC patients is of interest. Moreover, circulating bacterial DNA in peripheral blood has been associated with intestinal dysbiosis and the spread of microbial elements into the bloodstream, suggesting enhanced bacterial translocation in CRC. This study aimed to clarify the microbiome’s role in metastatic CRC. For this purpose rectal swab, oropharyngeal swab and peripheral blood samples were collected from CRC patients (n = 75) and healthy individuals (n = 25). The patients were equally divided into three groups. Group 2 (n = 25) included patients with non-metastatic CRC who underwent surgical resection. Group 3 (n = 25) included patients with metastatic CRC who underwent surgical resection of the primary tumor. Group 4 (n = 25) included patients with metastatic CRC without surgical resection of the primary tumor. 16S rRNA sequencing was used to analyze the microbiota profile of all samples. DNA extracted from peripheral blood was also analyzed using PCR, with specific primers targeting Escherichia coli, and Fusobacterium nucleatum. Our findings indicate that the presence of the primary tumor in metastatic CRC correlates with significant shifts in members of the rectal swab microbiota (Actinomycetaceae, Campylobacter, Campylobacteraceae, Enterocloster, Parvimonas and Sutterellaceae). Notably, distinct alterations in the oropharyngeal microbiota (Anaerovoracaceae, Corynebacteriaceae, Corynebacterium, Peptostreptococcaceae and Peptostreptococcus) were also noted in relation to the presence of the primary tumor. Patients who have undergone surgical resection exhibit similar microbial profiles in both rectal and oropharyngeal swabs, regardless of CRC stage. Analysis of blood microbiota in CRC patients provided compelling insights, revealing a clearer distinction between patient Groups. De novo clustering identified five distinct blood Clusters that strongly correlated with disease state. Specifically, 15 bacterial families and 32 species exhibited unique patterns within blood clusters. Species including Blautia luti, Clostridium celatum, Clostridium lentum, Lactobacillus amylovorus, Megasphaera elsdenii, Peptostreptococcus stomatis, Ruminococcus gnavus and Streptococcus gallolyticus were significantly more prevalent or abundant in nonresected metastatic CRC. The significantly higher detection of the NusG gene of Fusobacterium nucleatum in the blood of metastatic CRC patients without primary tumor resection supports its role as an intratumoral pathogen associated with advanced disease stages. Additionally, our findings on blood microbial sources revealed a diverse blood community which is largely shared with colorectal and oropharyngeal microbiota. Although the majority of uniquely represented species in blood were of uncertain source, the taxa Streptococcus mitis, Finegoldia magna and Escherichia coli presented the most clearly defined potential source. Overall, our study reveals the importance of colorectal tumor microenvironent in shaping local and distant communities. Blood microbiota presents great reliability as a potential biomarker for metastatic CRC, reinforcing the hypothesis of an oral-intestinal-circulatory axis in CRC-related dysbiosis.

Η έρευνα έχει δείξει ότι το εντερικό μικροβίωμα διαφέρει μεταξύ ασθενών με καρκίνο του παχέος εντέρου (ΚΠΕ) και υγιών ατόμων, αντικατοπτρίζοντας την έννοια της δυσβίωσης. Συγκεκριμένα βακτηριακά είδη που έχουν συσχετισθεί με τον ΚΠΕ ενισχύονται ή καταστέλλονται διαμέσου ειδικών παθογενετικών μηχανισμών, ωστόσο ο ρόλος του μικροβιώματος στον μεταστατικό ΚΠΕ παραμένει ασαφής. Επιπλέον, λίγα είναι γνωστά σχετικά με τις επιδράσεις της παρουσίας του πρωτοπαθούς όγκου στη μικροβιακή σύνθεση σε προχωρημένο ΚΠΕ. Στελέχη του στοματικού μικροβιώματος μπορούν να αποικίσουν το παχύ έντερο μέσω κατάποσης ή αιματογενούς διασποράς, προάγοντας τον σχηματισμό βιομεμβρανών, δυσβίωση, και ογκογένεση. Δεδομένης αυτής της αλληλεπίδρασης, ενδιαφέρον προκαλεί η εξέταση του στοματοφαρυγγικού μικροβιώματος σε ασθενείς με ΚΠΕ. Επίσης, το κυκλοφορούν βακτηριακό DNA στο περιφερικό αίμα έχει συσχετισθεί με εντερική δυσβίωση και διασπορά μικροβιακών στοιχείων στην κυκλοφορία του αίματος, υποδηλώνοντας ενισχυμένη βακτηριακή μετατόπιση στον ΚΠΕ. Η μελέτη αυτή είχε ως σκοπό την αποσαφήνιση του ρόλου του μικροβιώματος στον μεταστατικό ΚΠΕ. Για τον σκοπό αυτό συλλέχθηκαν δείγματα μέσω πρωκτικού και στοματοφαρυγγικού επιχρίσματος (swab) και λήψης περιφερικού αίματος από ασθενείς με ΚΠΕ (n = 75) και υγιή άτομα (n = 25). Αλληλούχιση του 16S rRNA χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση του προφίλ της μικροχλωρίδας όλων των δειγμάτων. Το DNA που εξήχθη από το περιφερικό αίμα αναλύθηκε επίσης με τη χρήση της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR), με συγκεκριμένους εκκινητές που στόχευαν τα βακτήρια Escherichia coli και Fusobacterium nucleatum. Τα ευρήματα υποδεικνύουν ότι η παρουσία του πρωτοπαθούς όγκου στο μεταστατικό ΚΠΕ συσχετίζεται με σημαντικές μεταβολές σε μέλη της μικροχλωρίδας του πρωκτικού επιχρίσματος (Actinomycetaceae, Campylobacter, Campylobacteraceae, Enterocloster, Parvimonas και Sutterellaceae). Επιπροσθέτως, παρατηρήθηκαν διακριτές μεταβολές στη μικροχλωρίδα του στοματοφάρυγγα (Anaerovoracaceae, Corynebacteriaceae, Corynebacterium, Peptostreptococcaceae και Peptostreptococcus) σε σχέση με την παρουσία του πρωτοπαθούς όγκου. Οι ασθενείς που υποβλήθηκαν σε χειρουργική εκτομή του πρωτοπαθούς όγκου παρουσίασαν παρόμοια μικροβιακά προφίλ τόσο στα πρωκτικά όσο και στα στοματοφαρυγγικά επιχρίσματα, ανεξαρτήτως του σταδίου του ΚΠΕ. Η ανάλυση της μικροχλωρίδας του αίματος σε ασθενείς με ΚΠΕ παρείχε σημαντικές πληροφορίες, αποκαλύπτοντας μια σαφέστερη διάκριση μεταξύ των ομάδων των ασθενών. Η εφαρμογή εκ νέου ομαδοποίησης (de novo clustering) εντόπισε πέντε διακριτά clusters στο αίμα που συσχετίστηκαν ισχυρά με την κατάσταση της νόσου. Συγκεκριμένα, 15 βακτηριακές οικογένειες και 32 είδη εμφάνισαν μοναδικά μοτίβα στα clusters του αίματος. Είδη όπως τα Blautia luti, Clostridium celatum, Clostridium lentum, Lactobacillus amylovorus, Megasphaera elsdenii, Peptostreptococcus stomatis, Ruminococcus gnavus και Streptococcus gallolyticus παρουσίασαν σημαντικά υψηλότερη ανίχνευση ή αφθονία στο μη χειρουργημένο μεταστατικό ΚΠΕ. Η σημαντικά υψηλότερη ανίχνευση του γονιδίου NusG του Fusobacterium nucleatum στο αίμα των ασθενών με μεταστατικό ΚΠΕ χωρίς χειρουργική εκτομή του πρωτοπαθούς όγκου υποστηρίζει τον ρόλο του ως ενδοογκικό παθογόνο που σχετίζεται με προχωρημένα στάδια της νόσου. Επιπλέον, τα ευρήματα σχετικά με την προέλευση της μικροχλωρίδας του αίματος αποκάλυψαν μια ποικίλη μικροβιακή κοινότητα στο αίμα, η οποία σε μεγάλο βαθμό διαμοιράζεται στελέχη με την εντερική και στοματοφαρυγγική μικροχλωρίδα. Αν και η πλειοψηφία των μοναδικά παρουσιαζόμενων ειδών στο αίμα είχε αβέβαιη προέλευση, τα είδη Streptococcus mitis, Finegoldia magna και Escherichia coli παρουσίασαν την πιο σαφώς καθορισμένη δυνητική προέλευση. Συνολικά, η μελέτη αποκαλύπτει τη σημασία του μικροπεριβάλλοντος του ΚΠΕ στη διαμόρφωση τοπικών και απομακρυσμένων μικροβιακών κοινοτήτων. Η μικροχλωρίδα του αίματος παρουσιάζει μεγάλη αξιοπιστία ως δυνητικός βιοδείκτης στο μεταστατικό ΚΠΕ, ενισχύοντας την υπόθεση ύπαρξης ενός άξονα στόματος-εντέρου-κυκλοφορίας στη δυσβίωση που σχετίζεται με τον ΚΠΕ.