Vliv mikrobiomu na vznik a vývoj kolorektálního karcinomu

Souhrn

Východiska: Kolorektální karcinom je velice heterogenní onemocnění z klinického, histopatologického i molekulárního hlediska. Detailní charakterizace této heterogenity a její vliv na patologii tohoto onemocnění je nezbytným krokem k lepší stratifikaci pacientů a vývoji nových léčebných postupů. V posledních dvou desetiletích se pozornost vědců zaměřovala na studium molekulárních nádorových procesů pro prediktivní, diagnostické a prognostické účely. Avšak i přes veškeré úsilí jsou existující molekulární prediktivní a prognostické testy aplikovatelné pouze pro menší specifické skupiny pacientů a spíše pomáhají při rozhodování o nasazení specializované cílené biologické léčby, než by předpovídaly její úspěšnost. Samotné molekulární profilování není schopné zachytit řadu dalších faktorů významně ovlivňujících růst a agresivitu nádoru. Mezi tyto aspekty patří i mikroprostředí nádoru, jehož nejméně prostudovanou částí je střevní mikrobiom – specifické společenství všech komenzálních, symbiotických a patogenních mikroorganizmů. Střevní mikrobiom hraje klíčovou roli u řady onemocnění, jako je např. Crohnova choroba, diabetes II. typu a obezita a podle nejnovějších studií může dlouhodobá dysbióza střevní mikroflóry ovlivňovat i vznik a další vývoj kolorektálního karcinomu, jeho agresivitu nebo úspěšnost léčby.

Závěr: Tato přehledová studie sumarizuje dosavadní poznatky studia střevního mikrobiomu u kolorektálního karcinomu, vč. různých mechanizmů, jakými střevní mikrobiom ovlivňuje poškození stěny střeva a tím se může podílet na vzniku a progresi kolorektálního karcinomu.

Klíčová slova:

heterogeneity – gut microbiome – dysbiosis

Úvod

Zhoubný novotvar tlustého střeva a konečníku (colorectal cancer – CRC) je vysoce heterogenní onemocnění, kterému v celosvětovém měřítku patří druhá (ženy) a třetí (muži) příčka v incidenci nádorových onemocnění [1]. V ČR se jedná o jednu z nejčastějších onkologických diagnóz a celosvětově má ČR šestou nejvyšší incidenci CRC [2]. V etiologii tohoto onemocnění hrají významnou roli environmentální vlivy, jako jsou stravovací návyky, konzumace alkoholu a kouření a také rizikové faktory, jako je věk, rodinná anamnéza, chronická zánětlivá onemocnění trávicího traktu a přítomnost polypů tlustého střeva. Přestože incidence CRC aktuálně zaznamenává ve vyspělých zemích mírný pokles především díky zavedení preventivních a screeningových programů [3], jedná se stále o onemocnění s komplikovanou léčbou a vysokou úmrtností. Důvodem je vysoká heterogenita tohoto onemocnění, a to jak interindividuální, tak heterogenita samotného nádoru jediného pacienta. Nádorová heterogenita CRC zahrnuje rozdíly na úrovni fenotypu nádorových buněk (jak morfologické, tak molekulární) a jejich interakci s nádorovým mikroprostředím projevující se přítomností buněk nenádorové tkáně (tzv. stromální reakce), variabilní infiltrací buňkami imunitního systému a – jak naznačují nejnovější výzkumy – také přítomností bakterií v samotném nádoru nebo na jeho povrchu z luminální strany tlustého střeva. Posledních 15 let se vědecký výzkum prognostických a prediktivních markerů CRC (a nádorového onemocnění obecně) zaměřoval zejména na molekulární profilování nádorových buněk a hodnocení faktorů nádorového mikroprostředí. Výsledky tohoto úsilí vedly k zavedení několika molekulárních biomarkerů, které v kombinaci se standardně používanými klinickými proměnnými slouží k individualizaci léčby. Jako příklad můžeme uvést stanovení mikrosatelitové nestability jako pozitivního prognostického markeru při indikaci adjuvantní chemoterapie na bázi 5-fluoruracilu u II. klinického stadia CRC nebo testování mutací genů KRAS, NRAS a BRAF při indikaci léčby metastatického CRC terapeutickými monoklonálními protilátkami cílenými proti receptoru pro epidermální růstový faktor [4]. Dále existuje několik vícegenových prognostických panelů určených pro predikci relapsu u časných stadií CRC jako Oncotype DX Colon Recurrence Score Test [5] a ColoPrint [6], které byly validovány retrospektivně v rámci řady klinických studií [7]. Jejich využití v klinické praxi však není rutinní, protože tyto testy nepredikují benefit adjuvantní chemoterapie. Podobně je na tom prognostický nástroj Immunoscore® [8] založený na kvantifikaci tumor-infiltrujících T buněk v parafinových řezech, který demonstruje význam složení nádorového mikroprostředí pro agresivitu CRC. Ve snaze blíže charakterizovat molekulární procesy CRC se pozornost zaměřila na definici molekulárních podtypů a v roce 2013 bylo publikováno několik klasifikačních systémů vycházejících z transkriptomických profilů CRC [9–12], které byly následně sjednoceny v koordinovaném úsilí za definice konsenzuálních molekulárních podtypů (consensual molecular subtypes – CMS) CRC s rozdílnou genovou expresí a silnou prognostickou hodnotou [13]. V roce 2017 pak byl navržen alternativní systém klasifikace CRC, Current Research Information System [14], založený na transkripčních profilech čisté populace nádorových buněk (bez nádorového stromatu). Oba systémy se vzájemně doplňují, ale neposkytují dostatečná kritéria, která by pomohla s nastavením specifické léčby na míru pacienta. Po 15 letech molekulárních výzkumů v oblasti CRC jsme tedy ještě stále vzdáleni svatému grálu personalizované medicíny. Jedním z pomyslných chybějících střípků mozaiky heterogenity CRC může být právě střevní mikrobiom, který, jak se ukazuje, má významný vliv na vznik a vývoj CRC.

Střevní mikrobiom

Lidské tělo je osídleno řádově triliony symbiotických mikroorganizmů vyskytujících se např. v trávicím traktu, na kůži, sliznici dutiny ústní a slinách, spojivce, dýchacích cestách, urogenitálním systému a dalších [15]. Pojem mikrobiom označuje specifické společenství všech komenzálních, symbiotických i patogenních mikroorganizmů v hostitelském organizmu a jejich genom. Patří sem bakterie, viry, archea a některé eukaryotní organizmy (prvoci, plísně a kvasinky). Každý člověk hostí více mikroorganizmů, než je počet jeho vlastních buněk, a také genetická informace lidského mikrobiomu je několikanásobně větší než genetická informace samotného člověka [16–18]. Z hlediska zdraví je nejvýznamnější mikrobiom tlustého střeva, zejména bakterie, které se podílejí na metabolizmu komplexních složek potravy, které by jinak nebylo možné využít v přeměně na energii, dále na syntéze esenciálních i neesenciálních aminokyselin, enzymů a vitaminů (vitamin K, B12, kyselina listová), můžou neutralizovat potenciálně karcinogenní sloučeniny [19], anebo naopak škodlivé sloučeniny produkovat [20]. Významnými metabolity jsou např. mastné kyseliny s krátkým řetězcem (short chain fatty acids – SCFA), které slouží jako zdroj energie nejen pro kolonocyty, ale i pro ostatní buňky a orgány [21]. Střevní mikrobiom tak ovlivňuje i morfologii střeva – architekturu sliznice, množství a složení hlenu, prokrvenost a proliferaci epiteliálních buněk [22]. V posledních letech se studium střevního mikrobiomu orientuje zejména na jeho interakci s imunitním systémem, která je důležitá obzvláště v období po narození, kdy se významně podílí na vývoji imunity. Pokud nedojde ke správnému vývoji imunitní reakce, dochází k vývoji alergií či autoimunitních chorob. Interakce mezi mikrobiomem a imunitním systémem později napomáhá k rovnováze mezi eliminací patogenů napadajících trávicí trakt a udržením tolerance ke zdravé tkáni střeva [23,24]. Složení střevního mikrobiomu se nejvíce mění od narození přibližně do 3 let věku [25]. V pozdějším věku je složení mikrobiomu stabilní, pokud není narušena jeho rovnováha a nedojde k prudkému snížení diverzity mikrobiomu nebo dominanci bakterií, které nepatří mezi přínosné komenzální zástupce. Tento nerovnovážný stav mikrobiomu nazýváme dysbióza a může být vyvolán např. léčbou antibiotiky, nevhodnou stravou nebo onemocněním. Dysbióza je spojována s vývojem různých chronických a autoimunitních chorob, jako je např. Crohnova choroba, diabetes II. typu, obezita apod. [26].

Střevní mikrobiom je tvořen zejména striktně anaerobními kmeny bakterií, které převažují nad bakteriemi fakultativně anaerobními a aerobními. Protože je velice obtížné tyto bakterie charakterizovat klasickými kultivačními metodami, jejich podrobnější studium umožnil až vývoj molekulárních metod. Vzhledem k velkému množství genetických informací se ve studiu mikrobiomu nejvíce uplatňují sekvenační techniky nové generace, které umožňují číst velké množství genetických informací najednou, a tak identifikovat složení a funkci mikrobiomu. Nejrozšířenější je stále analýza bakteriálního složení pomocí genu kódujícího 16S ribozomální ribonukleové kyseliny (rRNA) se specifickými oblastmi pro jednotlivé bakterie a analýza funkce mikrobiomu pomocí celometagenomového sekvenování [27].

Složení mikrobiomu a abundance jednotlivých bakteriálních taxonů odrážejí fyziologické rozdíly jednotlivých částí gastrointestinálního traktu, a není tedy ve střevním lumen rovnoměrné. Nejvíce bakterií se nachází v tlustém střevě, kde dochází k významnému rozkladu zbytků tráveniny bakteriemi. U zdravého člověka jsou z více než 90 % dominujícími bakteriálními kmeny gram-pozitivní Firmicutes a gram-negativní Bacteroidetes [28,29], jejichž poměr se významně interindividuálně liší [30]. Mezi další významně zastoupené kmeny patří Actinobacteria, Verrucomicrobia a Proteobacteria [31,32]. Na úrovni řádů jsou dominujícími sacharolytické Bacteriodales (kmen Bacteroidetes) a Clostridiales (kmen Firmicutes).

Dopad složení střevního mikrobiomu na zdraví člověka je studován zejména porovnáním složení mikrobiomu u nemocných a zdravých jedinců. Rozsáhlé populační studie jako US National Institute of Health Human Microbiome Project [18] nebo European Metagenomics of the Human Intestinal Tract project [33] ukazují, že ve složení střevního mikrobiomu existuje velká variabilita jak mezi etniky, tak i jedinci, a není proto jednoduché definovat složení „zdravého“ mikrobiomu. Snaha o stratifikaci mikrobiomu vyústila v roce 2011 v definování tří základních enterotypů lišících se dominancí jednoho z bakteriálních druhů – Bacteroides, Prevotella a Ruminococcus [34]. Navazující práce ukázaly, že řazení jedinců do enterotypů je velice závislé na použité metodice a není dostatečně ostře vymezené. Nicméně budoucí studie založené na velkých datových souborech s normovanou metodikou mohou tuto problematiku posunout k využití v léčbě a diagnostice nejenom střevních onemocnění [35].

Mikrobiom a kolorektální karcinom

Střevní mikrobiom může, ať už v podobě individuálních bakteriálních zástupců, nebo spolupůsobením mikrobiální komunity, potencovat nebo zmírňovat riziko vzniku CRC. Řada publikací ukazuje, že dysbióza střevní mikroflóry anebo poškození stěny střeva v důsledku interakce mikrobiomu s buňkami imunitního systému hostitele může ovlivňovat rozvoj zánětlivých a nádorových onemocnění střeva, progresi nádorů [36,37] a jejich odpověď na léčbu [38,39]. Bakterie a jejich produkty se mohou podílet na vzniku nebo progresi sporadického CRC řadou různých mechanizmů, jako je indukce prozánětlivých a prokarcinogenních drah v epiteliálních buňkách, produkce genotoxinů a reaktivních forem kyslíku [40,41] nebo metabolická přeměna prokarcinogenních výživových faktorů na karcinogeny [42]. Za významný rizikový faktor vzniku nádorových onemocnění střeva je považována zánětlivá reakce ve střevním epitelu, která může být způsobena dlouhodobou dysbiózou a působením patogenních nebo oportunně (podmíněně) patogenních bakterií [43–45].

Zdravý střevní epitel má řadu obranných mechanizmů pro boj s mikrobiálními narušiteli. Patří sem hlenová vrstva a udržování epiteliální integrity zamezující vniku mikroorganizmů, rychlá výměna epiteliálních buněk, a tedy odstraňování buněk infikovaných, autofagie a vrozená imunitní odpověď. Neméně důležitá je také ochranná funkce komenzálních bakterií, které svojí přítomností na sliznici za normálních okolností zabraňují průniku patogenů nebo jejich produktů. Nicméně mnoho bakteriálních patogenů vyvinulo téměř dokonalé infekční strategie, kterými tyto obranné mechanizmy obcházejí. Během svého působení vylučují různé toxiny a efektory, kterými mohou ovlivňovat hostitelské buněčné funkce a využívat je pro svoje přežití. Zároveň udržují rovnováhu v narušené epiteliální bariéře tak, aby ji mohli kolonizovat dlouhodobě [46]. Vedle patogenních bakterií mohou svými metabolity přispívat ke vzniku CRC také bakterie primárně nepatogenní, jejichž prokarcinogenní potenciál může být umocněn poškozením střevní sliznice následkem zranění nebo infekce [46]. Všechny mechanizmy, kterými střevní mikrobiom jako celek přispívá k udržení zdravého prostředí, nebo naopak rozvoji patologických stavů vč. tumorigeneze v mikrobiálně bohatém a imunologicky komplexním prostředí střeva, ovšem stále nejsou zcela objasněny.

Látky, kterými bakterie negativně působí na buňky epitelu nebo imunitní buňky hostitele, mají cyklomodulační (buněčný cyklus ovlivňující) nebo genotoxický účinek. V důsledku toho může u epiteliálních buněk docházet k poškození deoxyribonukleové kyseliny (DNA), akumulaci mutací a nekontrolované proliferaci. Produkty bakterií se můžou podílet na zastavení dělení imunitních buněk, čímž prakticky umožní sobě i nádorovým buňkám uniknout imunitní odpovědi. Z tohoto pohledu se jeví pro vznik CRC jako nejvýznamnější enterotoxické kmeny Escherichia coli, které produkují hned čtyři skupiny cyklomodulinů – cytotoxický nekrotizující faktor (CNF), faktor inhibující buněčný cyklus (Cif), cytoletální distendující toxin (CDT) a kolibaktin, který má také genotoxické účinky. CDT a Cif a kolibaktin inhibují proliferaci, CNF zase proliferaci spouští. CDT kromě enteropatogenních kmenů E. coli produkují také Shigella dysenteriae, Campylobacter spp., Salmonella typhi, Haemophilus ducreyi nebo Actinobacillus actinomycetemcomitans [47]. Enterotoxické kmeny Bacteroides fragilis produkují toxin ze skupiny metaloproteáz, který narušuje spojení střevních epiteliálních buněk štěpením transmembránového proteinu E-cadherinu [48–50]. Degradace E-cadherinu má za následek aktivaci -kateninové signální dráhy v buňkách epitelu, což způsobuje jejich zvýšenou proliferaci. Je zajímavé, že enteropatogenní kmeny E. coli jsou také schopny dramaticky snížit expresi klíčových DNA mismatch-repair proteinů MSH2 a MLH1 [51], a mohou dokonce aktivovat senescentní buňky k produkci růstových faktorů, které ovlivňují nádorový růst [52]. Ke komenzálním bakteriím s prokarcinogenním účinkem patří např. Enterococcus faecalis, která může poškozovat DNA epiteliálních buněk svou produkcí extracelulárních superoxidů [53,54]. Sulfidogenní bakterie jako Fusobacterium, Desulfovibrio a Bilophila wadsworthia se mohou účastnit procesu nádorového bujení produkcí sirovodíku, jenž je známý svým genotoxickým účinkem [55].

Dalším faktorem, jak se mohou bakterie úspěšněji podílet na progresi procesu tumorigeneze, je tvorba biofilmu – homogenního nebo heterogenního společenstva mikroorganizmů tvořícího vyšší strukturu obklopenou extracelulárními polymerními látkami, které mikroorganizmy v biofilmu vylučují a chrání je tak před nepříznivými podmínkami a imunitou [56,57]. Bakterie schopné adherence na různé povrchy jsou tzv. primární kolonizátoři, ke kterým se později mohou připojit bakterie, které by jinak nebyly samotné adherence schopné – sekundární kolonizátoři [58,59]. Přítomnost biofilmu pozměňuje metabolizmus v nádorové tkáni, produkci regulátorů buněčné proliferace a potenciálně ovlivňuje vývoj a progresi nádoru [60].

Bakteriální model „driver-passenger“

Známý model „adenom–karcinom“ vývoje CRC, který byl navržen Fearonem & Vogelsteinem [61], má svou paralelu i v bakteriálním působení na proces tumorigeneze. V modelu adenom–karcinom je pojem „driver–passenger“ běžně používán ve spojení s genovými mutacemi, přičemž „driver“ jsou mutace řídící, tedy zodpovědné za vznik a vývoj nádoru, a „passenger“ jsou mutace vzniklé sekundárně v procesu nádorového vývoje [62]. Tjalsma et al přišli s myšlenkou aplikace tohoto modelu na bakterie a vznik CRC. Hlavní myšlenka tohoto modelu je taková, že vznik a vývoj CRC je iniciován „driver“ bakteriemi, které svou aktivitou přímo nebo nepřímo způsobují poškození DNA a které v důsledku mohou přispívat k hromadění mutací charakteristických pro adenomy a karcinomy a k procesu tumorigeneze [63]. Proces nádorového bujení pak mění lokální mikroprostředí, zvyšuje se propustnost střevní stěny a mění se buněčný metabolizmus, což umožní uchycení a pomnožení oportunních „passenger“ bakterií. Změna mikroprostředí tedy způsobí, že patogenní bakteriální „drivery“ mohou být postupně nahrazeny „passenger“ bakteriemi, které buď dále podněcují, nebo naopak pozastaví proces tumorigeneze [63] (schéma 1).

Za bakteriální „drivery“ jsou tedy považovány střevní bakterie s prokarcinogenními vlastnostmi. Do této kategorie patří výše uvedené střevní patogenní bakterie. Jako bakteriální „passengers“ jsou definované ty střevní bakterie, které relativně málo kolonizují střevo zdravých lidí, ale dokážou se úspěšně množit v mikroprostředí nádoru. Mohou to být oportunní patogeny, komenzály nebo probiotické bakterie a podle toho může dojít buď k progresi, nebo potlačení tumorigeneze [63].

Tento model vznikl na základě řady studií, které porovnávají bakteriální složení ze stolice nebo stěrů střevní tkáně u pacientů s CRC, adenomem a zdravých kontrol. V tab. 1 je uveden přehled aktuálních studií a jejich výsledků porovnávajících změny ve stolici a nádorové tkáni. Omezením těchto studií je, že neberou v úvahu možnou rozdílnost v mikrobiálním složení danou podtypy nádorů.

Studie porovnávající bakteriální složení stolice u pacientů s CRC, adenomem a zdravými kontrolami obvykle cílily na využití mikrobiomu stolice jakožto přídatného neinvazivního testu na CRC. V roce 2014 dva vědecké týmy nezávisle na sobě publikovaly studie pojednávající o možnosti využití mikrobiomu jako screeningového nástroje pro diagnostiku začínajícího CRC [64,65]. Oba týmy dospěly k závěru, že kombinací základních rizikových faktorů pro vznik CRC (body mass index, věk a rasa) a mikrobiálního složení stolice lze lépe odlišit skupiny pacientů s CRC, pacientů s adenomem a zdravých lidí.

Mikrobiom, klinické a molekulární proměnné

Další typ studií se zaměřuje na korelaci bakteriálního složení na povrchu nádorové tkáně nebo ve stolici pacientů s CRC s klinickými proměnnými ve snaze pochopit odlišnosti mezi různými podtypy nádorů a podchytit možné biologické pozadí jejich heterogenity.

Lokalizace primárního CRC se ukazuje jako významný klinický faktor, který ovlivňuje charakteristiku nádorů tlustého střeva, a to nejen histopatologickou, ale i molekulární [66]. Je známo, že proximální část střeva je odlišného embryonálního vývoje než jeho distální část [67] a s tím se pojí i rozdíl v cévním zásobování, v expresi antigenů a metabolizmu glukózy, což má za následek odlišné osídlení bakteriemi i u zdravých jedinců [68]. Tento efekt se projevuje také ve významném rozdílu ve složení mikrobiomu mezi pravostrannými a levostrannými nádory tlustého střeva [68]. Proximální část zdravého střeva např. obsahuje větší počet bakterií než část distální [67], ale relativní prevalence dominantních rodů (Lactococcus, Fusobacterium, Pseudomonas a Flavobacterium) je v pravé a levé části zdravého střeva podobná. U nádorů je ovšem rod Fusobacterium více zastoupen v levé, distální části tlustého střeva [68]. Zde je také více zastoupena bakterie Escherichia-Shigella (tyto dva druhy bakterií jsou natolik příbuzné, že je nelze od sebe odlišit), jejíž přítomnost může napomáhat rozvoji karcinogeneze, ale u zdravých jedinců její výskyt převažuje v proximální části. Bakterie rodu Prevotella, které jsou spojované se zvýšenou produkcí IL-17 ve střevní sliznici pacientů, dále pak Selenomonas, Peptostreptoccus a kmen Firmicutes jsou více zastoupeny v nádorech s proximální lokalizací CRC [68]. Rozdíl mezi pravostrannými a levostrannými nádory je i ve výskytu bakteriálního biofilmu. Ve studii Johnsona et al se biofilm vyskytoval v 89 % nádorových tkání a ve všech vzorcích polypů vyskytujících se pravostranně, zatímco u levostranných nádorů se vyskytoval pouze ve 12 % nádorů a v žádném polypu [60].

Další asociace byla nalezena mezi bakteriálním složením střevní mukózy a sporadickými CRC asociovanými s kolitidou, u nichž byl zaznamenán vyšší výskyt bakterií z čeledi Enterobacteriaceae a rodu Sphingomonas a nižší výskyt Fusobacterium a Ruminococcus v porovnání se sporadickými CRC neasociovanými s kolitidou [69].

Studií asociujících molekulární proměnné s mikrobiomem zatím není mnoho. Existují publikace, které porovnávají složení mikrobiomu mezi mikrosatelitně stabilními (MSS) CRC a nádory s mikrosatelitní nestabilitou (MSI). MSS nádory vykazují zvýšený výskyt E. coli produkující kolibaktin [70], zatímco MSI nádory zvýšený výskyt Fusobacterium nucleatum a E. coli neprodukující kolibaktin [70–72].

V roce 2017 první a zatím jediná výzkumná skupina publikovala výsledky korelace mikrobiomu s konsenzuálními molekulárními podtypy CRC [73]. Analýza bakteriálního složení proběhla cílenou sekvenací genu pro 16S rRNA z nádoru a zároveň zkoumáním RNA sekvencí samotného nádoru, které nebyly přiřazené k referenčnímu lidskému genomu. Validace pak proběhla pomocí kvantitativní polymerázové řetězové reakce. Tímto způsobem byly identifikovány bakterie, které byly asociovány s konsenzuálními molekulárními podtypy CRC [13]. Zvýšený výskyt bakterií Fusobacterium hwasooki a Porphyromonas gingivalis je spojován s molekulárním podtypem CMS1 [73]. U tohoto podtypu se také ve větším množství vyskytovaly bakterie Treponema denticola a Tannerrella forsythia, které se společně s Porphyromonas gingivalis podílejí na tvorbě již výše zmíněného biofilmu [74,75]. Druhý molekulární podtyp (CMS2 Canonical) obsahoval zvýšený výskyt bakterií Selenomonas a Prevotella. Bacillus coagulants je asociován s třetím molekulárním podtypem (CMS3 Metabolic). Tato studie je ovšem limitovaná malým množstvím vzorků (n = 34), na kterých byla analýza provedena, a faktem, že ani jeden vzorek nebyl zařazen do čtvrtého konsenzuálního podtypu (CMS4 Mesenchymal), který je navíc prognosticky nejvýznamnější [73].

Funkční studie bakterie Fusobacterium nucleatum

Často pozorované asociace zvýšeného výskytu bakterií Fusobacterium nucleatum ve stolici i nádorové tkáni u pacientů s CRC vedl k řadě následných detailnějších studií, a tak se z bakterie F. nucleatum stal zřejmě nejlépe popsaný druh tohoto bakteriálního rodu z pohledu CRC. Jedná se o bakterie podporující zánět, které se abundantně vyskytují ve střevním mikrobiomu pacientů se zánětlivým střevním onemocněním [76]. Přítomnost F. nucleatum podporuje expresi celé řady zánětlivých cytokinů, např. IL-6, IL-8, IL-10, IL-18, TNF- [72–74]. F. nucleatum usnadňuje díky ojedinělým dvěma typům adherence spojení primárních a sekundárních kolonizátorů a podílí se tak výrazným způsobem na vzniku biofilmu [58]. Schopnost F. nucleatum zachytit se na střevní sliznici nebo do ní invadovat je závislá na formě adhezivního proteinu FadA, který umožňuje jejich přilnutí k epitelovým buňkám střevní sliznice. Současně dochází k sérii událostí, které vyústí ve stimulaci proliferace CRC buněk [77]. Kromě uvedeného dochází k snížení sekrece mucinů pohárkovými buňkami střeva jakožto hlavní složky slizniční ochrany střeva [78–81].

Vyšší výskyt F. nucleatum v nádorové tkáni koreluje s nižší infiltrací nádorových lézí T lymfocyty, vyšším stadiem onemocnění a horší prognózou z důvodu vyšší agresivity těchto nádorů [72,82]. Zdá se, že jedním z důvodů, proč dochází k potlačování imunitní odpovědi organizmu v místě nádorové léze napadené F. nucleatum, je skutečnost, že metabolity této bakterie jsou krátké peptidy a SCFA, které slouží jako chemoatraktant pro myeloidní supresorové buňky [83]. Je zajímavé, že výskyt F. nucleatum je spojován s molekulárním podtypem CRC, který je charakteristický vysokou MSI, mutací BRAF a s pravostrannou anatomickou lokalizací [72,84], dále pak s hypermetylací MLH1 a vysokou metylací CpG (CIMP-H) [72].

V roce 2017 provedli Bullman et al [85] pokus na myších, jimž byl zaveden štěp pocházející z primárního CRC získaného od pacientů. Tyto myši byly následně léčeny antibiotiky s cílem snížit množství F. nucleatum. Následně bylo pozorováno zpomalení proliferace nádorových buněk a růstu nádoru [85].

Nedávno byl identifikován nový druh bakterie Fusobacterium, Fusobacterium hwasookii, která byla ve studiích založených na cílené sekvenaci 16S rRNA genu, která má menší přesnost určení do druhů, vždy určována jako F. nucleatum [86]. Na základě podobnosti v sekvencích F. hwasookii a F. nucleatum a výskytu vysoce konzervovaného genu FadA u F. hwasookii se zdá, že F. hwasookii má podobný význam v karcinogenezi jako F. nucleatum.

Mikrobiom a léčba kolorektálního karcinomu

Rovnováha mezi bakteriemi je důležitá pro ochranu sliznice střeva a změny vyvolané chemoterapií mohou zvyšovat riziko výskytu infekce. Chemoterapie i radiační léčba ovlivňuje složení střevního mikrobiomu a působí toxicky na střevní sliznici, čímž umožňuje prostup bakterií do vrstvy epitelu. Zwielehner et al [87] ukázali, že množství bakterií klesá u pacientů ihned po aplikování chemoterapie a k obnovení dochází po 5–9 dnech. Chemoterapie významně ovlivnila výskyt komenzálních bakterií z rodu Bacteroides a Bifidobacteria a potenciálních patogenů z rodu Clostridium skupina IV [87]. Přemnožení potenciálních patogenů, jako je např. Clostridium difficile, může vést u pacientů s nádorovým onemocněním k závažným komplikacím [88,89].

Protinádorová léčba má vliv na složení mikrobiomu a i složení mikrobiomu může mít vliv na účinnost léčby. Studie na myších modelech odhalují, že střevní mikrobiom má vliv na úspěšnost chemoterapie tím, že ovlivňuje diferenciaci a funkci myeloidních buněk v mikroprostředí nádoru [38]. V této studii Goldszmid et al zkoumali vliv mikrobiomu na léčbu platinovými deriváty, jako je např. oxaliplatina nebo cisplatina. Tyto sloučeniny se vážou na DNA buněk, narušují její strukturu a tím inhibují syntézu a proliferaci proteinů a indukují apoptózu [90]. Oxaliplatina navíc indukuje imunogenní buněčnou smrt, která pak aktivuje protinádorovou imunitu zprostředkovanou T lymfocyty [91]. Léčebný efekt cisplatiny a oxaliplatiny byl mnohem nižší u myší léčených antibiotiky a bezmikrobních myší. U myší léčených antibiotiky se vytvořily sloučeniny platiny a DNA nádorových buněk na stejné úrovni jako u kontrolních myší, avšak již 48 hod po léčbě došlo k významnému poklesu cytotoxicity. Antibiotická léčba myší potlačila veškerou modifikaci genové exprese indukovanou oxaliplatinou [38].

Závěr

Interakce hostitel-mikrobiom se zvláštním důrazem na roli střevního mikrobiomu nejen v imunitní homeostáze a autoimunitních onemocněních, ale i ve spojení se vznikem nádorů bude velmi diskutovaným tématem následujících let. Poslední desetiletí ve výzkumu CRC bylo věnováno především studiu prognostických a prediktivních markerů na základě genové exprese. Nicméně tyto poznatky oproti standardním klinickým faktorům v porovnání s vynaloženým úsilím na jejich získání jen nepatrně zasáhly do klinické praxe. Vezmeme-li v potaz nejnovější znalosti o vlivu mikrobiomu na vznik a vývoj CRC, dá se předpokládat, že studium mikrobiomu může vést k lepšímu porozumění heterogenity CRC a přiblíží nás více k efektivní diagnostice a léčbě. Navíc se v posledních pár letech ukazuje, že nejen bakterie v nádoru, ale i bakterie na jeho povrchu tvořící bakteriální biofilm ovlivňují vývoj CRC. Výsledky studií je však třeba interpretovat velmi opatrně, neboť výsledky jsou závislé na typu odběru, uchování vzorků a izolace bakteriální DNA ze vzorku [92–94].

Z klinického hlediska existuje několik rozdílných terapeutických přístupů, které by potenciálně mohly být použity jako prevence vzniku nádorových onemocnění, jako podpůrná terapie při léčbě nádorových onemocnění anebo ke zvýšení odpovědi na léčbu. Mezi tyto přístupy patří užívání probiotik a prebiotik, změna stravování nebo mikrobiální transplantace. Poslední z výše zmiňovaných ukazuje velmi slibné výsledky při léčbě infekce bakterií Clostridium difficile u lidí a je navrhovaná jako léčebný postup v případě idiopatických střevních zánětů a metabolických poruch [39].

Ačkoliv pozorujeme velký pokrok v oblasti výzkumu mikrobiomu, což dokazuje i rostoucí počet publikací na toto téma, stále existuje mnoho nezodpovězených otázek souvisejících s vlivem mikrobiomu na rozvoj CRC. V tomto směru zatím chybějí studie, které se na mikrobiom dívají ze širší perspektivy, vč. nádorového mikroprostředí a jeho klinické i molekulární heterogenity, a poskytly by tak komplexní náhled na vlivy vedoucí ke vzniku a vývoji CRC.

Tato práce byla podpořena Ministerstvem zdravotnictví České republiky (projekt AZV 16-31966A), projektem Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky – NPU I – LO1413 a Ministerstva zdravotnictví České republiky – RVO (MOÚ, 00209805).

Autoři deklarují, že v souvislosti s předmětem studie nemají žádné komerční zájmy.

Redakční rada potvrzuje, že rukopis práce splnil ICMJE kritéria pro publikace zasílané do biomedicínských časopisů.

Mgr. Eva Budinská, Ph.D.

Regionální centrum aplikované molekulární onkologie

Masarykův onkologický ústav

Žlutý kopec 7

656 53 Brno

e-mail: eva.budinska@mou.cz

Obdrženo: 15. 4. 2019

Přijato: 17. 6. 2019