CC BY
12
УДК 616.34-006.6-079.8 DOI: 10.18699/SSMJ20210210
Характеристика пристеночной кишечной микробиоты при раке толстой кишки
С.В. Волков, С.Л. Лобанов
Читинская государственная медицинская академия Минздрава России 672090, г. Чита, ул. Горького, 39a
Резюме
Рак толстой кишки клинически проявляет себя на поздних стадиях, поэтому ранняя диагностика заболевания представляет значительные трудности. В толстой кишке человека существует много видов микроорганизмов, образующих симбиоз с клетками кишечника для поддержания его нормальной функции. Цель исследования -определить состав пристеночной микрофлоры толстой кишки в условиях опухолевого процесса и оценить возможность использования полученных данных в диагностике рака толстой кишки. Материал и методы. Основная группа включала 63 человек, оперированных по поводу рака (аденокарциномы) левой половины ободочной кишки (нисходящий, сигмовидный, ректосигмоидный отделы) с I T1-2N0M0, II Т3-4аШМ0, III T1-2N1M0 стадиями опухолевого процесса. Среди них 32 мужчины и 31 женщина в возрасте от 20 до 75 лет (57,7 ± 3,8 года). У всех пациентов до госпитализации опухоль была подтверждена посредством колоноскопии с последующим гистологическим исследованием. Группу клинического сравнения в количестве 25 человек составили лица с хроническим геморроем вне обострения, которым проводилась колоноскопия. Забор материала основной группы, биоптаты опухолевой ткани и визуально неизмененной слизистой оболочки толстой кишки осуществлялся интраоперационно во время удаления опухоли. У пациентов группы клинического сравнения забор материала осуществлялся в процессе колоноскопии. Состав кишечной микробиоты определялся бактериологическим методом. Результаты и их обсуждение. Анализ микробиоты толстой кишки онкологических больных и группы клинического сравнения выявил статистически значимые различия количественного состава Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., Clostridium spp, Enterococcus spp., Escherichia coli (типичные), Escherichia coli (лактозонегативные), Enterobacteriaceae, Staphylococcus spp. (CNS), Candida spp. Впервые установлено, что Bifidobacterium spp., Enterococcus spp. и возраст пациента могут быть дополнительно использованы в диагностике злокачественного процесса. Заключение. Созданная аддитивная модель может быть использована в качестве дополнительного скринингового критерия в ранней диагностике рака толстой кишки.
Ключевые слова: диагностика рака, опухолевая ткань, рак толстой кишки, кишечная микробиота, биоптат толстой кишки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Автор для переписки: Волков С.В., е-mail: vsv_19@mail.ru
Для цитирования: Волков С.В., Лобанов С.Л. Характеристика пристеночной кишечной микробиоты при раке толстой кишки. Сибирский научный медицинский журнал. 2021; 41 (2): 74-78. doi: 10.18699/SSMJ20210210
Characterization of the parietal intestinal microbiota in colon cancer
S.V. Volkov, S.L. Lobanov
Chita State Medical Academy of Minzdrav of Russia 672090, Chita, Gorkogo str., 39a
Abstract
Introduction. Colon cancer (RCC) clinically manifests itself in the late stages, therefore, early diagnosis presents significant difficulties. There are many types of microorganisms in the human colon that form symbiosis with intestinal cells to maintain normal function. Aim of the study was to determine the composition of the parietal microflora of the colon under conditions of a tumor process and to assess the possibility of using these data in the diagnosis of colon cancer. Material and methods. The main group included 63 patients operated on for cancer (adenocarcinoma) of the left
half of the colon (descending, sigmoid, rectosigmoid regions) with I T1-2N0M0, II T3-4aN0M0, III T1-2N1M0 stages of the tumor process. Among them are 32 men and 31 women aged 20 to 75 years (57.7 ± 3.8 years). In all patients, before hospitalization, the tumor was confirmed by colonoscopy followed by histological examination. The group of clinical comparison in the amount of 25 people consisted of patients with chronic hemorrhoids without exacerbation, who underwent colonoscopy. Material from the main group, biopsies of tumor tissue and visually unchanged colon mucosa, were taken intraoperatively during tumor removal. In patients of the clinical comparison group, the material was taken during the colonoscopy process. The composition of the intestinal microbiota was determined by a bacteriological method. Results and discussion. As a result of comparing the colon microbiota of cancer patients and the clinical comparison group, statistically significant differences in the quantitative composition of Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., Clostridium spp., Enterococcus spp., Escherichia coli (typical), Escherichia coli (lactose-negative), Enterobacteriaceae, Staphylococcus spp. (CNS), Candida spp. It was established for the first time that Bifidobacterium spp., Enterococcus spp. and the age of the patient can be further used in the diagnosis of a malignant process. Conclusion. The created additive model can be used as an additional screening criterion in the early diagnosis of colon cancer.
Key words: cancer diagnostics, tumor tissue, colon cancer, intestinal microbiota, colon biopsy.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest. Correspondence author: Volkov S.V., e-mail: vsv_19@mail.ru
Citation: Volkov S.V., Lobanov S.L. Characterization of the parietal intestinal microbiota in colon cancer. Sibirskiy nauchnyy meditsinskiy zhurnal = Siberian Scientific Medical Journal. 2021; 41 (2): 74-78. [In Russian]. doi: 10.18699/ SSMJ20210210
Введение
Рак толстой кишки (РТК) клинически проявляет себя на поздних стадиях, поэтому ранняя диагностика заболевания представляет значительные трудности. В толстой кишке человека существует много видов микроорганизмов, образующих симбиоз с клетками кишечника для поддержания его нормальной функции. Известно, что некоторые бактерии обладают собственным канцерогенным потенциалом. Например, Enterococcus faecalis разрушает ДНК, индуцируя образование активных форм кислорода и азота [1]. Злокачественной трансформации толстокишечного эпителия способствует ETBF - токсин, выделяемый Bacteroides fragilis. У пациентов с РТК значительно повышено содержание антител IgA и IgG к Fusobacterium [2]; более того, бактерии Salmonella enterica могут модулировать иммунный ответ хозяина, способствуя злокачественной трансформации за счет повреждения ДНК. Lactobacillus, Bifidobacterium, напротив, проявляют антиканцерогенную активность. Выявлены особые физиологические механизмы, специфичные для конкретных штаммов, благодаря которым осуществляется их защитная функция [3].
Канцерогенная активность некоторых бактерий совершенно очевидна и может осуществляться разными путями. Их взаимодействия и комбинации, вероятно, являются важным фактором в развитии РТК. Вместе с тем вопрос о взаимосвязи развития опухолевого процесса в толстой кишке и состава кишечной микробиоты остается малоизученным. Многочисленные, часто противоре-
чивые сведения послужили поводом к настоящему исследованию.
Цель работы - определить состав пристеночной микрофлоры толстой кишки в условиях опухолевого процесса и оценить возможность использования этих данных в диагностике рака толстой кишки.
Материал и методы
Основная группа включала 63 человека, оперированных по поводу рака (аденокарциномы) левой половины ободочной кишки (нисходящий, сигмовидный, ректосигмоидный отделы) с I Т1-2ШМ0, II Т3-4аШМ0, III Т1-2ШМ0 стадиями опухолевого процесса. Только у пяти пациентов выявлен метастаз в одном регионарном лимфоузле, у остальных регионарного метастазирования не наблюдалось. У всех больных до госпитализации опухоль была подтверждена посредством колоноскопии с последующим гистологическим исследованием. Среди них 32 мужчины и 31 женщина в возрасте от 20 до 75 лет (57,7 ± 3,8 года). Пациенты не получали какого-либо лечения в предоперационном периоде. Группу клинического сравнения составили 25 человек с хроническим геморроем вне обострения, которым проводилась колоноскопия. Пациенты обеих групп дали добровольное информированное согласие на участие в исследовании.
Забор материала основной группы осуществлялся интраоперационно во время удаления опухоли: первый биоптат был представлен опухолевой тканью, второй - визуально неизмененной слизистой оболочкой толстой кишки прокси-
мальнее опухоли на 10 см. У пациентов группы клинического сравнения забор материала выполнялся в процессе колоноскопии. Состав кишечной микробиоты определялся бактериологическим методом с использованием стандартных тест-систем StaphyTest, StreptoTest, и EnteroTest ^а^ета, Чехия).
Проверка нормальности распределения значений переменных в группах наблюдения проводилась с использованием критерия Шапиро - Уил-ка. Переменные представлены в виде медианы и межквартильных интервалов (Ме —Q3]). Для оценки значимости статистических различий между исследуемыми группами в силу отсутствия нормального распределения переменных
использовали непараметрический ранговый критерий Краскела - Уоллиса. Для анализа корреляционной связи между исследуемыми признакам применялся коэффициент корреляции Спирмена, сила корреляционной связи оценивалась как статистически значимая при ^<0,05. При помощи регрессионного логистического анализа дана оценка влияния возраста пациента и определенных бактерий толстой кишки на формирование возможных групп риска по развитию рака толстой кишки. Значимые факторы вынесены в прогностическую модель, данные которой представлены в табл. 1. Чувствительность и специфичность построенной аддитивной модели определяли при помощи ROC-анализа.
Таблица 1. Составляющие аддитивной модели Table 1. Components of the additive model
Предиктор Коэффициент Отношение шансов [95%-й доверительный интервал] Wald х2 p
Константа 10,29 3,329 0,0б81
Возраст 0,175б 1,19 [1,09-1,36] 10,553 0,0011б
Bifidobacterium spp. -1,87б 0,153 [0,0312-0,414] 8,748 0,0031
Enterococcus spp. -1,283 0,277 [0,0833-0,67] б,208 0,0127
Микроорганизмы Больные РТК Группа клинического сравнения (3) А-2 А-3 p2-3
Неизмененная слизистая оболочка (1) Опухолевая ткань (2)
Lactobacillus spp. 6,6 [6,0-8,0] 5,5 [5,0-6,0] 8,2 [7,0-9,0] 0,003 0,003 0,002
Bifidobacterium spp. 6,9 [6,0-8,0] 5,6 [5,0-7,0] 7,6 [6,0-8,0] 0,001 0,02б 0,001
Clostridium spp. 2,9 [2,0-3,0] 3,7 [2,0-5,0] 2,2 [2,0-3,0] 0,004 0,001 0,001
E. coli (типичные) 5,4 [5,0-6,0] 4,6 [3,0-6,0] 6,1 [6,0-7,0] 0,001 0,049 0,009
E. coli (гемолитические) 3,1 [3,0-4,0] 3,3 [3,0-6,0] 3,0 [3,0-3,0] 0,003 >0,05 0,042
E. coli (лактозонега-тивные) 3,3 [3,0-4,0] 3,7 [3,0-4,0] 3,1 [3,0-4,0] 0,004 >0,05 0,002
Enterobacteriaceae 5,4 [4,0-6,0] 5,8 [3,0-6,0] 5,8 [5,0-6,0] 0,001 0,001 0,029
Pseudomonas spp 3,0 [3,0-3,0] 3,2 [3,0-4,0] 3,0 [3,0-3,0] 0,008 >0,05 >0,05
Staphylococcus spp. (CNS) 3,0 [3,0-3,0] 3,0 [3,0-3,0] 3,3 [3,0-4,0] >0,05 0,002 0,002
Candida spp. 2,8 [2,0-3,0] 3,2 [3,0-4,0] 3,0 [3,0-4,0] 0,002 <0,0001 0,002
Таблица 2. Состав кишечной микробиоты больных РТК и группы клинического сравнения (количество
микроорганизмов в 1 г биоптата (lg = 101 КОЕ/г)
Table 2. The composition of the parietal microflora of the colon under conditions of a tumor process and clinical
comparison group
Результаты
В ходе исследования у пациентов в толстой кишке выявлены следующие микроорганизмы: Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., Clostridium spp., Enterococcus spp., Escherichia coli (типичные), E. coli (гемолитические), E. coli (лак-тозонегативные), Enterobacteriaceae, Staphylococcus aureus, Staphylococcus spp. (CNS), Candida spp., Pseudomonas spp., Helicobacter pylori. Анализ микробиоты толстой кишки онкологических больных и группы клиниче ского сравнения выявил статистически значимые различия количественного состава Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., Clostridium spp., Enterococcus spp., E. coli (типичные), E. coli (лактозонега-тивные), Enterobacteriaceae, Staphylococcus spp. (CNS), Candida spp. (табл. 2).
При детальном анализе установлено, что возраст пациента не имел статистически значимых корреляционных связей с уровнем каждого конкретного микроорганизма, но его значение при комплексной оценке совершенно очевидно. В результате получено сочетание данных (Bifidobacterium spp., Enterococcus spp. и возраст пациента), которое позволило создать аддитивную модель (чувствительность 92 %, специфичность 95,2 %) для формирования возможных групп риска по развитию рака толстой кишки (см. табл. 1, рисунок):
B = B0 + Bi х Xi + ... + Bn x Xn B = 10,29 + 0,1756 x Возраст - 1,876 x x Bifidobacterium - 1,283 x Enterococcus p(MX^) = 1/(1+e-B)
Специфичность, %
Рис. Результаты ROC-анализа аддитивной модели Fig.. ROC analysis results of the additive model
Обсуждение
На современном этапе развития науки совершенно очевидно, что ранняя диагностика РТК, основанная на исследовании кишечной микро-биоты, является перспективной и требует детального изучения. По данным современной научной литературы неоднократно подтверждено, что микроорганизмы как стимулируют канцерогенез (Enterococcus faecalis, E. coli, Bacteroides fragilis, Streptococcus bovis / Streptococcus gallolyticus, Fusobacterium nucleatum, H. pylori, Salmonella enterica), так и препятствуют (Bifidobacterium, Lactobacillus) канцерогенным воздействиям на эпителий толстой кишки при непосредственном или опосредованном влиянии на организм [3-5]. В подобных исследованиях брались за основу количественный и качественный состав кишечной микробиоты и выделяемые микроорганизмами биологические вещества [2, 6, 7]. При исследовании биопсийного материала у пациентов с РТК выявлено, что 10 микробов (Escherichia / Shigella, Bacteroides, Faecalibacterium, Prevotella, Oribacterium, Corynebacterium, Enterococcus, Neisseria, Porphyromonas и Akkermansia) имеют значимую связь с РТК (р <0,05) [8, 9]. В нашем исследовании проведено сравнение количественного и качественного состава микробиоты толстого кишечника относительно здоровых людей и больных РТК (биоптаты опухолевой ткани и неизмененной слизистой оболочки). Впервые установлено, что Bifidobacterium spp., Enterococcus spp. и возраст пациента при их комплексной оценке могут быть дополнительно использованы в диагностике злокачественного процесса. Более того, полученные результаты позволяют систематизировать выявленные закономерности в конкретную универсальную аддитивную модель для максимально раннего выявления потенциальной группы риска и последующих диагностических мероприятий.
Выводы
1. При РТК происходит изменение количественного и качественного состава кишечной микробиоты. Наиболее значимые различия выявлены для Lactobacillus spp., Bifidobacterium spp., Bacteroides spp., Clostridium spp., Enterococcus spp., E. coli (типичные), E. coli (лактозонега-тивные), Enterobacteriaceae, Staphylococcus spp. (CNS), Candida spp.
2. Созданная аддитивная модель может быть использована в качестве одного из скрининго-вых критериев в комплексной диагностике рака толстой кишки, что позволит оптимизировать лечебную тактику и использовать хирургический
метод лечения РТК в качестве основного и единственного.
Список литературы / References
1. Dai Z., Zhang J., Wu Q., Chen J., Liu J., Wang L., Chen C., Xu J., Zhang H., Shi C., Li Z., Fang H., Lin C., Tang D., Wang D. The role of microbiota in the development of colorectal cancer. Int. J. Cancer. 2019; 145 (8): 2032-2041. doi: 10.1002/ ijc.32017
2. Hernández-Luna M.A., López-Briones S., Lu-ria-Pérez R. The four horsemen in colon cancer. J. Oncol. 2019; 2019: 5636272. doi: 10.1155/2019/5636272
3. Bahmani S., Azarpira N., Moazamian E. Anticolon cancer activity of Bifidobacterium metabolites on colon cancer cell line SW742. Turk. J. Gastroenterol. 2019; 30 (9): 835-842. doi: 10.5152/tjg.2019.18451
4. Sivan A., Corrales L., Hubert N., Williams J.B., Aquino-Michaels K., Earley Z.M., Benyamin F.W., Lei Y.M., Jabri B., Alegre M.L., Chang E.B., Gajewski T.F. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy. Science. 2015; 350 (6264): 1084-1089. doi: 10.1126/ science.aac4255
5. Wei Y., Li F., Li L., Huang L., Li Q. Genetic and biochemical characterization of an exopolysaccharide with in vitro antitumoral activity produced by
Lactobacillus fermentum YL-11. Front. Microbiol. 2019; 10: 2898. doi: 10.3389/fmicb. 2019.02898
6. Dai Z., Zhang J., Wu Q., Chen J., Liu J., Wang L., Chen C., Xu J., Zhang H., Shi C., Li Z., Fang H., Lin C., Tang D., Wang D. The role of microbiota in the development of colorectal cancer. Int. J. Cancer. 2019; 145 (8): 2032-2041. doi: 10.1002/ijc. 32017
7. Zamani S., Taslimi R., Sarabi A., Jasemi S., Sechi L.A., Feizabadi M.M. Enterotoxigenic Bacteroides fragilis: a possible etiological candidate for bacterially-induced colorectal precancerous and cancerous lesions. Front. Cell Infect. Microbiol. 2020; 9: 449. doi: 10.3389/fcimb.2019.00449
8. Sheng Q.S., He K.X., Li J.J., Zhong Z.F., Wang F.X., Pan L.L., Lin J.J. Comparison of gut microbiome in human colorectal cancer in paired tumor and adjacent normal tissues. Onco Targets Ther. 2020; 13: 635-646. doi: 10.2147/0TT.S218004
9. Zorron Cheng Tao Pu L., Yamamoto K., Honda T., Nakamura M., Yamamura T., Hattori S., Burt A.D., Singh R., Hirooka Y., Fujishiro M. Microbiota profile is different for early and invasive colorectal cancer and is consistent throughout the colon. J. Gastroenterol. Hepatol. 2019; 35 (3): 433-437. doi: 10.1111/jgh.14868
Сведения об авторах
Степан Владимирович Волков, ORCID: 0000-0002-8696-9562; e-mail: vsv_19@mail.ru
Сергей Леонидович Лобанов, д.м.н., профессор, ORCID: 0000-0003-1665-3754; e-mail: slobanov15@mail.ru
Information about the authors:
Stepan V. Volkov, ORCID: 0000-0002-8696-9562; e-mail: vsv_19@mail.ru
Sergey L. Lobanov, doctor of medical sciences, professor, ORCID: 0000-0003-1665-3754; e-mail: slobanov15@mail.ru
Поступила в редакцию 08.12.2020 Received 08.12.2020
Принята к публикации 11.03.2021 Accepted 11.03.2021
