Correlation of recurrence risk with detectable genetic alterations, microbiota, circulating tumor cells, and circulating tumor DNA in patients with resectable stage II and stage III colorectal cancer

Abstract

Colorectal cancer (CRC) is one of the most common causes of morbidity and a leading cause of cancer-related mortality worldwide. Modern lege artis management of CRC patients necessitates the development of novel prognostic methods that complement and may even surpass the traditional tumor-node-metastasis (TNM, 8th edition) staging system. According to current data, post-operative chemotherapy is recommended for all patients with stage III and high-risk stage II CRC. Nevertheless, 20-25% of these patients will eventually experience disease recurrence, primarily in the form of metastatic disease, and only 15-20% of those receiving adjuvant chemotherapy will survive as a direct result of the treatment. Concerning the toxicity of chemotherapy, its costs, the increasing CRC incidence, and the limited resources of healthcare systems, the need for structured risk assessment to evaluate recurrence potential is both urgent and essential. This PhD research investigates the composition of the gut microbiome and the presence of microbial DNA fragments in the bloodstream of early-stage CRC patients, focusing on their potential use as prognostic markers. Through an in-depth analysis, the study aims to bridge gaps in understanding the role of the gut microbiome and microbial translocation in CRC evolution and the outcomes of this specific patient population. The study enrolled 142 early-stage CRC patients and 91 healthy controls, analyzing their fecal and blood samples using advanced techniques such as 16S rRNA sequencing and targeted microbial DNA amplification. Data processing employed robust bioinformatics pipelines for clustering, diversity metrics calculation, and taxonomic profiling. CRC patients exhibited significant microbial dysbiosis compared to controls, characterized by reduced alpha diversity and distinct beta diversity profiles. Taxonomic analyses identified unique microbial taxa in CRC patients, suggesting their potential as biomarkers. Specific taxa, including Porphyromonas and Finegoldia, were exclusively associated with CRC, supporting their relevance in disease pathology. Remarkably, microbial DNA fragments, including 16S rRNA and fungal-specific 5.8S rRNA, were detected in patient blood samples, indicating possible microbial translocation. Correlation analyses linked these fragments with distinct microbial clusters, providing insights into their role in CRC subtyping and disease progression. This phenomenon highlights a potential pathway for systemic inflammation and its implications for CRC prognosis. The findings advance understanding of the influence of the gut microbiota on CRC evolution and propose a framework for its integration into clinical practice. By identifying microbial biomarkers and leveraging microbial DNA as non-invasive prognostic tools, this research advocates for personalized treatment strategies. Such approaches could minimize unnecessary interventions for patients with favorable prognoses and enhance treatment efficacy for high-risk individuals. Despite its contributions, the study recognizes limitations, including the cross-sectional design and modest sample size, necessitating validation in larger, international, and longitudinal cohorts. Future investigations should unravel the mechanistic interplay between microbiota, systemic inflammation, and CRC progression, paving the way for microbiome-informed oncology. This project casts light on the transformative potential of the gut microbiome in CRC management, presenting a compelling case for its inclusion in precision oncology. Through innovative methodologies, the study contributes to enhancing the accuracy of CRC prognosis, ultimately reducing healthcare burdens and improving both survival and quality of life outcomes in alignment with the principles of precision medicine.

Ο καρκίνος του παχέος εντέρου αποτελεί μία από τις συχνότερες αιτίες νοσηρότητας και μία από τις κύριες αιτίες θνησιμότητας από καρκίνο διεθνώς. Η σύγχρονη lege artis αντιμετώπιση ασθενών με καρκίνο παχέος εντέρου προϋποθέτει την ανάπτυξη νέων προγνωστικών μεθόδων που συμπληρώνουν και, ενδεχομένως, υπερβαίνουν το παραδοσιακό σύστημα σταδιοποίησης όγκου-λεμφαδένων-μεταστάσεων (TNM, 8η έκδοση). Σύμφωνα με τα τρέχοντα δεδομένα, σε όλους τους ασθενείς με καρκίνο παχέος εντέρου σταδίου ΙΙΙ και σταδίου ΙΙ υψηλού κινδύνου συνιστάται χορήγηση μετεγχειρητικής χημειοθεραπείας. Παραταύτα, το 20-25% θα αναπτύξει, εν τέλει, υποτροπή νόσου, η οποία κατά κύριο λόγο αφορά μεταστατική νόσο και μόνο το 15-20% των ασθενών που θα λάβουν επικουρική χημειοθεραπεία θα επιβιώσει λόγω της χημειοθεραπείας. Λαμβάνοντας υπόψη την τοξικότητα της αγωγής, το κόστος, την αυξημένη επίπτωση του καρκίνου του παχέος εντέρου και τους περιορισμένους πόρους των συστημάτων υγείας η ύπαρξη συγκροτημένου ελέγχου για την αξιολόγηση του κινδύνου υποτροπής κρίνεται επείγουσα και απαραίτητη. Αυτή η διδακτορική μελέτη διερευνά τη σύνθεση του μικροβιώματος του εντέρου και την παρουσία μικροβιακών θραυσμάτων DNA στην κυκλοφορία του αίματος ασθενών με καρκίνο παχέος εντέρου πρώιμου σταδίου, εστιάζοντας στη δυνητική τους χρήση ως προγνωστικών δεικτών. Μέσα από μία ενδελεχή ανάλυση, η συγκεκριμένη έρευνα αποσκοπεί να εμπλουτίσει την τρέχουσα γνώση αναφορικά με τον ρόλο του μικροβιώματος και της μικροβιακής αλλόθεσης στην εξέλιξη του καρκίνου του παχέος εντέρου και την έκβαση της συγκεκριμένης ομάδας ασθενών. Στη μελέτη συμμετείχαν 142 ασθενείς με πρώιμο στάδιο καρκίνου παχέος εντέρου και 91 υγιείς μάρτυρες, οι οποίοι παρείχαν δείγματα κοπράνων και αίματος που αναλύθηκαν με προηγμένες τεχνικές, όπως η αλληλούχηση 16S rRNA και η στοχευμένη ενίσχυση μικροβιακού DNA. Η επεξεργασία δεδομένων έγινε με τη χρήση προηγμένων εργαλείων βιοπληροφορικής ανάλυσης με σκοπό τη βέλτιστη ομαδοποίηση, τον υπολογισμό δεικτών ποικιλότητας και την ταξινομική ανάλυση των δειγμάτων. Οι ασθενείς με καρκίνο του κατώτερου γαστρεντερικού συστήματος παρουσίασαν σημαντική μικροβιακή δυσβίωση σε σύγκριση με τους μάρτυρες, η οποία χαρακτηρίστηκε από μειωμένη α-ποικιλότητα και διαφοροποιημένα πρότυπα β-ποικιλότητας. Οι ταξινομικές αναλύσεις ανέδειξαν μοναδικά μικροβιακά ταξινομικά γένη στους ασθενείς με καρκίνο παχέος εντέρου, υποδεικνύοντας τη δυναμική τους ως βιοδείκτες. Ειδικά ταξινομικά γένη, όπως οι Porphyromonas και Finegoldia, συσχετίστηκαν αποκλειστικά με τον καρκίνο του παχέους εντέρου, υπογραμμίζοντας τη σημασία τους στην παθοφυσιολογία της νόσου. Επιπροσθέτως, μικροβιακά θραύσματα DNA, όπως το 16S rRNA και το ειδικό για μύκητες 5.8S rRNA, ανιχνεύθηκαν σε δείγματα αίματος ασθενών, υποδεικνύοντας πιθανή μικροβιακή διαμετάθεση. Αναλύσεις συσχέτισης συνέδεσαν αυτά τα θραύσματα με συγκεκριμένες μικροβιακές ομάδες, κάτι που πιθανώς συνδυάζεται με επίταση της συστηματικής φλεγμονής, η οποία επηρεάζει την πρόγνωση της νόσου. Αυτά τα ευρήματα δύνανται να συνδράμουν σε μία καινούργια κλινικοεργαστηριακή υποκατηγοριοποίηση του καρκίνου του παχέος εντέρου. Τα προαναφερθέντα αποτελέσματα καταδεικνύουν την επίδραση του εντερικού μικροβιώματος στην εξέλιξη του καρκίνου του παχέος εντέρου και προτείνουν ένα πλαίσιο για την ενσωμάτωσή του στην κλινική πρακτική. Μέσα από τον εντοπισμό μικροβιακών βιοδεικτών και την αξιοποίηση μικροβιακού DNA ως μη επεμβατικών προγνωστικών εργαλείων, η παρούσα μελέτη ευαγγελίζεται αναδυόμενες στρατηγικές εξατομικευμένης θεραπείας. Η εν λόγω θεραπευτική προσέγγιση δύναται να ελαχιστοποιήσει τις περιττές παρεμβάσεις για ασθενείς με ευνοϊκή πρόγνωση και να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα της θεραπείας για ασθενείς υψηλού κινδύνου. Αναπόδραστα, η εργασία αυτή συνοδεύεται από ορισμένους περιορισμούς. Κύρια μειονεκτήματά της αποτελούν ο διατομεακός σχεδιασμός και το περιορισμένο μέγεθος δείγματος, τα οποία χρήζουν διευθέτησης με μακροπρόθεσμες διεθνείς προοπτικές μελέτες σε μεγαλύτερους πληθυσμούς. Οι μελλοντικές ερευνητικές προσπάθειες καλούνται να εστιάσουν στη διερεύνηση των μηχανισμών που συνδέουν το μικροβίωμα, τη συστηματική φλεγμονή και την πρόγνωση του καρκίνου του παχέος εντέρου, παρέχοντας ισχυρότερα δεδομένα για την καθιέρωση του μικροβιώματος στη φαρέτρα των προγνωστικών εργαλείων της μη μεταστατικής νόσου. Το παρόν πόνημα επισημαίνει την προγνωστική αξία του εντερικού μικροβιώματος στη διαχείριση ασθενών με πρώιμο καρκίνο παχέος εντέρου, επιδιώκοντας την ένταξή του στην καθ’ ημέρα κλινική πράξη. Μέσα από καινοτόμες μεθοδολογίες, η μελέτη συμβάλλει στον πιο ακριβή προσδιορισμό της πρόγνωσης αυτών των ασθενών, μειώνοντας την οικονομική επιβάρυνση της υγειονομικής περίθαλψης και βελτιώνοντας την επιβίωση και την ποιότητα ζωής τους, πιστή στις σύγχρονες επιταγές της ιατρικής ακριβείας.