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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1016/j.jtho.2016.05.021

6. Chiu C.Y., Miller S.A. Clinical metagenomics. Nat. Rev. Genet. 2019; 20(6):341-355. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.1093/mutage/geab004

10. Goldstraw P. New staging system: How does it affect our practice? J. Clin. Oncol. 2013;31(8):984-991. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 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. DOI 10.3389/fonc.2020.01584