Состав бактериального микробиома мокроты пациентов с разными патоморфологическими формами немелкоклеточного рака легкого

Исследования последних лет показали, что бактериальный микробиом респираторного тракта влияет на развитие рака легкого. Изменение состава микробиома у пациентов связывают с хроническими воспалительными процессами, так как многие бактерии вызывают окислительный стресс, а также способны прямо или опосредованно повреждать геном в клетках организма хозяина. До настоящего времени состав респираторного микробиома у больных с различными гистологическими вариантами рака легкого не изучен. В настоящем исследовании для анализа таксономического состава микробиома мокроты 52 пациентов с плоско- клеточным раком легкого, 52 пациентов с аденокарциномой легкого и 52 здоровых доноров контрольной группы использовали технологию массового параллельного секвенирования региона V3-V4 16S рРНК. Микробиомы мокроты больных с разными гистологическими типами рака легкого и контроля не имели значимых различий по индексу видового богатства (Шеннона), однако у пациентов они отличались от контроля по индексу выравненности (Пиелу). Структуры бактериальных сообществ (бета-разнообразие) между аденокарциномой и плоскоклеточным раком также были близкими. Тем не менее матрица, построенная по Брэю–Кёртису, позволила выявить различия между пациентами с плоскоклеточным раком и здоровыми субъектами, но не между аденокарциномой и контролем. Метод LEFse позволил идентифицировать в мокроте больных плоскоклеточным раком увеличение содержания Bacillota (Streptococcus и Bacillus) и Actinomycetota (Rothia) при сопоставлении с образцами пациентов с аденокарциномой. Не найдено различий в содержании бактерий между образцами больных аденокарциномой и контроля. В микробиоме образцов мокроты пациентов с плоскоклеточным раком по сравнению с контролем было повышено содержание представителей родов Streptococcus, Bacillus, Peptostreptococcus (филум Bacillota), Prevotella, Macellibacteroides (филум Bacteroidota), Rothia (филум Actinomycetota) и Actinobacillus (филум Pseudomonadota). Таким образом, бактериальный микробиом мокроты пациентов с разными гистологическими типами немелкоклеточного рака легкого имеет существенные различия. Дальнейшие исследования должны быть посвящены поиску микробиомных биомаркеров рака легкого на уровне бактериальных видов с использованием полногеномного секвенирования.

1. Bolyen E., Rideout J.R., Dillon M.R., Bokulich N.A., Abnet C.C., AlGhalith G.A., Alexander H., … Willis A.D., Xu Z.Z., Zaneveld J.R., Zhang Y., Zhu Q., Knight R., Caporaso J.G. Reproducible, interactive, scalable and extensible microbiome data science using QIIME 2. Nat. Biotechnol. 2019;37(8):852-857. https://doi.org/10.1038/s41587-019-0209-9

2. Cameron S.J.S., Lewis K.E., Huws S.A., Hegarty M.J., Lewis P.D., Pachebat J.A., Mur L.A.J. A pilot study using metagenomic sequencing of the sputum microbiome suggests potential bacterial biomarkers for lung cancer. PLoS One. 2017;12(5):e0177062. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0177062

3. Chen Y., Wu F.H., Wu P.Q., Xing H.Y., Ma T. The role of the tumor microbiome in tumor development and its treatment. Front. Immunol. 2022;13:935846. https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.935846

4. Cheng C., Wang Z., Wang J., Ding C., Sun C., Liu P., Xu X., Liu Y., Chen B., Gu B. Characterization of the lung microbiome and exploration of potential bacterial biomarkers for lung cancer. Transl. Lung. Cancer Res. 2020;9(3):693-704. https://doi.org/10.21037/tlcr-19-590

5. Cheng T.Y., Cramb S.M., Baade P.D., Youlden D.R., Nwogu C., Reid M.E. The international epidemiology of lung cancer: latest trends, disparities, and tumor characteristics. J. Thorac. Oncol. 2016; 11(10):1653-1671. https://doi.org/10.1016/j.jtho.2016.05.021

6. Chiu C.Y., Miller S.A. Clinical metagenomics. Nat. Rev. Genet. 2019; 20(6):341-355. https://doi.org/10.1038/s41576-019-0113-7

7. Costello E.K., Stagaman K., Dethlefsen L., Bohannan B.J., Relman D.A. The application of ecological theory toward an understanding of the human microbiome. Science. 2012;336(6086):12551262. https://doi.org/10.1126/science.1224203

8. Druzhinin V.G., Matskova L.V., Demenkov P.S., Baranova E.D., Volobaev V.P., Minina V.I., Apalko S.V., Churina M.A., Romanyuk S.A., Shcherbak S.G., Ivanov V.I., Larionov A.V. Taxonomic diversity of sputum microbiome in lung cancer patients and its relationship with chromosomal aberrations in blood lymphocytes. Sci. Rep. 2020; 10(1):9681. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66654-x

9. Druzhinin V.G., Matskova L.V., Demenkov P.S., Baranova E.D., Volobaev V.P., Minina V.I., Larionov A.V., Titov V.A., Fucic A. Genetic damage in lymphocytes of lung cancer patients is correlated to the composition of the respiratory tract microbiome. Mutagenesis. 2021;36(2):143-153. https://doi.org/10.1093/mutage/geab004

10. Goldstraw P. New staging system: How does it affect our practice? J. Clin. Oncol. 2013;31(8):984-991. https://doi.org/10.1200/JCO.2012.42.7922

11. Gomes S., Cavadas B., Ferreira J.C., Marques P.I., Monteiro C., Sucena M., Sousa C., Vaz Rodrigues L., Teixeira G., Pinto P., Tavares de Abreu T., Bárbara C., Semedo J., Mota L., Carvalho A.S., Matthiesen R., Pereira L., Seixas S. Profiling of lung microbiota discloses differences in adenocarcinoma and squamous cell carcinoma. Sci. Rep. 2019;9(1):12838. https://doi.org/10.1038/s41598-019-49195-w

12. Haldar K., George L., Wang Z., Mistry V., Ramsheh M.Y., Free R.C., John C., Reeve N.F., Miller B.E., Tal-Singer R., Webb A.J., Brookes A.J., Tobin M.D., Singh D., Donaldson G.C., Wedzicha J.A., Brown J.R., Barer M.R., Brightling C.E. The sputum microbiome is distinct between COPD and health, independent of smoking history. Respir. Res. 2020;21(1):183. https://doi.org/10.1186/s12931020-01448-3

13. Hasegawa A., Sato T., Hoshikawa Y., Ishida N., Tanda N., Kawamura Y., Kondo T., Takahashi N. Detection and identification of oral anaerobes in intraoperative bronchial fluids of patients with pulmonary carcinoma. Microbiol. Immunol. 2014;58(7):375-381. https://doi.org/10.1111/1348-0421.12157

14. Herbst R.S., Heymach J.V., Lippman S.M. Lung cancer. N. Engl. J. Med. 2008;359(13):1367-1380. https://doi.org/10.1056/NEJMra0802714

15. Hosgood H.D. 3rd, Sapkota A.R., Rothman N., Rohan T., Hu W., Xu J., Vermeulen R., He X., White J.R., Wu G., Wei F., Mongodin E.F., Lan Q. The potential role of lung microbiota in lung cancer attributed to household coal burning exposures. Environ. Mol. Mutagen. 2014;55(8):643-651. https://doi.org/10.1002/em.21878

16. Hosgood H.D. 3rd, Mongodin E.F., Wan Y., Hua X., Rothman N., Hu W., Vermeulen R., Seow W.J., Rohan T., Xu J., Li J., He J., Huang Y., Yang K., Wu G., Wei F., Shi J., Sapkota A.R., Lan Q. The respiratory tract microbiome and its relationship to lung cancer and environmental exposures found in rural China. Environ. Mol. Mutagen. 2019;60(7):617-623. https://doi.org/10.1002/em.22291

17. Huang C., Shi G. Smoking and microbiome in oral, airway, gut and some systemic diseases. J. Transl. Med. 2019;17(1):225. https://doi.org/10.1186/s12967-019-1971-7

18. Huang D., Su X., Yuan M., Zhang S., He J., Deng Q., Qiu W., Dong H., Cai S. The characterization of lung microbiome in lung cancer patients with different clinicopathology. Am. J. Cancer Res. 2019;9(9): 2047-2063

19. Kim O.H., Choi B.Y., Kim D.K., Kim N.H., Rho J.K., Sul W.J., Lee S.W. The microbiome of lung cancer tissue and its association with pathological and clinical parameters. Am. J. Cancer. Res. 2022;12(5):2350-2362

20. Kovaleva O., Podlesnaya P., Rashidova M., Samoilova D., Petrenko A., Zborovskaya I., Mochalnikova V., Kataev V., Khlopko Y., Plot nikov A., Gratchev A. Lung microbiome differentially impacts survival of patients with non-small cell lung cancer depending on tumor stroma phenotype. Biomedicines. 2020;8(9):349. https://doi.org/10.3390/biomedicines8090349

21. Lee S.H., Sung J.Y., Yong D., Chun J., Kim S.Y., Song J.H., Chung K.S., Kim E.Y., Jung J.Y., Kang Y.A., Kim Y.S., Kim S.K., Chang J., Park M.S. Characterization of microbiome in bronchoalveolar lavage fluid of patients with lung cancer comparing with benign mass like lesions. Lung Cancer. 2016;102:89-95. https://doi.org/10.1016/j.lungcan.2016.10.016

22. Leng Q., Holden V.K., Deepak J., Todd N.W., Jiang F. Microbiota biomarkers for lung cancer. Diagnostics (Basel). 2021;11(3):407. https://doi.org/10.3390/diagnostics11030407

23. Liu H.X., Tao L.L., Zhang J., Zhu Y.G., Zheng Y., Liu D., Zhou M., Ke H., Shi M.M., Qu J.M. Difference of lower airway microbiome in bilateral protected specimen brush between lung cancer patients with unilateral lobar masses and control subjects. Int. J. Cancer. 2018;142(4):769-778. https://doi.org/10.1002/ijc.31098

24. Liu N.N., Ma Q., Ge Y., Yi C.X., Wei L.Q., Tan J.C., Chu Q., Li J.Q., Zhang P., Wang H. Microbiome dysbiosis in lung cancer: from composition to therapy. NPJ Precis. Oncol. 2020;4(1):33. https://doi.org/10.1038/s41698-020-00138-z

25. Lozupone C., Knight R. UniFrac: a new phylogenetic method for comparing microbial communities. Appl. Environ. Microbiol. 2005; 71(12):8228-8235. https://doi.org/10.1128/AEM.71.12.8228-8235.2005

26. Maddi A., Sabharwal A., Violante T., Manuballa S., Genco R., Patnaik S., Yendamuri S. The microbiome and lung cancer. J. Thorac. Dis. 2019;11(1):280-291. https://doi.org/10.21037/jtd.2018.12.88

27. Mao Q., Jiang F., Yin R., Wang J., Xia W., Dong G., Ma W., Yang Y., Xu L., Hu J. Interplay between the lung microbiome and lung cancer. Cancer Lett. 2018;415:40-48. https://doi.org/10.1016/j.canlet.2017.11.036

28. Molina J.R., Yang P., Cassivi S.D., Schild S.E., Adjei A.A. Non-small cell lung cancer: epidemiology, risk factors, treatment, and survivorship. Mayo Clin. Proc. 2008;83(5):584-94. https://doi.org/10.4065/83.5.584

29. Parte A.C., Sardà Carbasse J., Meier-Kolthoff J.P., Reimer L.C., Göker M. List of Prokaryotic names with Standing in Nomenclature (LPSN) moves to the DSMZ. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2020; 70(11):5607-5612. https://doi.org/10.1099/ijsem.0.004332

30. Peters B.A., Hayes R.B., Goparaju C., Reid C., Pass H.I., Ahn J. The microbiome in lung cancer tissue and recurrence-free survival. Cancer Epidemiol. Biomark. Prev. 2019;28(4):731-740. https://doi.org/10.1158/1055-9965.EPI-18-0966

31. Ran Z., Liu J., Wang F., Xin C., Shen X., Zeng S., Song Z., Xiong B. Analysis of pulmonary microbial diversity in patients with advanced lung cancer based on high-throughput sequencing technology. Zhongguo Fei Ai Za Zhi. 2020;23(12):1031-1038. https://doi.org/10.3779/j.issn.1009-3419.2020.103.16 (in Chinese)

32. Segata N., Izard J., Waldron L., Gevers D., Miropolsky L., Garrett W.S., Huttenhower C. Metagenomic biomarker discovery and explanation. Genome Biol. 2011;12(6):R60. https://doi.org/10.1186/gb-2011-12-6-r60

33. Shanahan E.R., Shah A., Koloski N., Walker M.M., Talley N.J., Morrison M., Holtmann G.J. Influence of cigarette smoking on the human duodenal mucosa-associated microbiota. Microbiome. 2018;6(1): 150. https://doi.org/10.1186/s40168-018-0531-3

34. Tsao M.S., Yoon J.Y. The eighth TNM classification for lung cancer - What is next? Lung Cancer. 2018;121:97-98. https://doi.org/10.1016/j.lungcan.2018.04.018

35. Tsay J.J., Wu B.G., Badri M.H., Clemente J.C., Shen N., Meyn P., Li Y., Yie T.A., Lhakhang T., Olsen E., Murthy V., Michaud G., Sulaiman I., Tsirigos A., Heguy A., Pass H., Weiden M.D., Rom W.N., Sterman D.H., Bonneau R., Blaser M.J., Segal L.N. Airway mcrobiota is associated with upregulation of the PI3K pathway in lung cancer. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 2018;198:1188-1198. https://doi.org/10.1164/rccm.201710-2118OC

36. Wang K., Huang Y., Zhang Z., Liao J., Ding Y., Fang X., Liu L., Luo J., Kong J. A preliminary study of microbiota diversity in saliva and bronchoalveolar lavage fluid from patients with primary bronchogenic carcinoma. Med. Sci. Monit. 2019;25:2819-2834. https://doi.org/10.12659/MSM.915332

37. Wu Y., Jiao N., Zhu R., Zhang Y., Wu D., Wang A.J., Fang S., Tao L., Li Y., Cheng S., He X., Lan P., Tian C., Liu N.N., Zhu L. Identification of microbial markers across populations in early detection of colorectal cancer. Nat. Commun. 2021;12(1):3063. https://doi.org/10.1038/s41467-021-23265-y

38. Xavier J.B., Young V.B., Skufca J., Ginty F., Testerman T., Pearson A.T., Macklin P., … Johnson W.E., Jobin C., Ridlon J.M., Koh A.Y., Yu M., Kelly L., Wargo J.A. The cancer microbiome: distinguishing direct and indirect effects requires a systemic view. Trends Cancer. 2020;6(3):192-204. https://doi.org/10.1016/j.trecan.2020.01.004

39. Yagi K., Huffnagle G.B., Lukacs N.W., Asai N. The lung microbiome during health and disease. Int. J. Mol. Sci. 2021;22(19):10872. https://doi.org/10.3390/ijms221910872

40. Yan X., Yang M., Liu J., Gao R., Hu J., Li J., Zhang L., Shi Y., Guo H., Cheng J., Razi M., Pang S., Yu X., Hu S. Discovery and validation of potential bacterial biomarkers for lung cancer. Am. J. Cancer Res. 2015;5(10):3111-3122

41. Ying K.L., Brasky T.M., Freudenheim J.L., McElroy J.P., Nickerson Q.A., Song M.A., Weng D.Y., Wewers M.D., Whiteman N.B., Mathe E.A., Shields P.G. Saliva and lung microbiome associations with electronic cigarette use and smoking. Cancer Prev. Res. ( Phila). 2022;15(7):435-446. https://doi.org/10.1158/1940-6207.CAPR-21-0601

42. Zhang W., Luo J., Dong X., Zhao S., Hao Y., Peng C., Shi H., Zhou Y., Shan L., Sun Q., Li Y., Zhao X. Salivary microbial dysbiosis is associated with systemic inflammatory markers and predicted oral metabolites in non-small cell lung cancer patients. J. Cancer. 2019; 10(7):1651-1662. https://doi.org/10.7150/jca.28077

43. Zheng L., Sun R., Zhu Y., Li Z., She X., Jian X., Yu F., Deng X., Sai B., Wang L., Zhou W., Wu M., Li G., Tang J., Jia W., Xiang J. Lung microbiome alterations in NSCLC patients. Sci. Rep. 2021;11(1): 11736. https://doi.org/10.1038/s41598-021-91195-2

44. Zhuo M., An T., Zhang C., Wang Z. Characterization of microbiota in cancerous lung and the contralateral non-cancerous lung within lung cancer patients. Front. Oncol. 2020;10:1584. https://doi.org/10.3389/fonc.2020.01584