Preview

Бюллетень сибирской медицины

Расширенный поиск

Микробиота: вклад в канцерогенез и функционирование иммунной системы легких

https://doi.org/10.20538/1682-0363-2023-1-103-112

Аннотация

Микробиота (совокупность бактерий, простейших/архей, грибов, вирусов, обитающих в организме человека) и микробиом (их совокупный геном) являются предметом активных научных исследований. Особый интерес вызывает взаимосвязь изменений состава микробиоты и злокачественной трансформации различных органов. Легкие долгое время считались стерильным органом, однако это представление было пересмотрено благодаря развитию технологий секвенирования нового поколения. Метагеномный подход позволил идентифицировать микроорганизмы на молекулярном уровне в здоровых тканях легкого и в опухолях.

Следующим шагом стало выявление разнообразных аспектов влияния микробиоты на гомеостаз легочной системы и поддержание иммунитета. Анализ результатов исследований микробиоты легочной системы, основанных на секвенировании генов 16SрРНК, позволил установить, что микробиота здоровых легких представлена в основном бактериями, принадлежащими к типам Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria и Fusobacteria. При развитии рака легкого отмечено значительное повышение численности бактерий определенных родов и в целом снижение разнообразия микробиоты. Дисбиоз способствует активному размножению патогенов и развитию негативных состояний легочной системы. Установлено, что в норме легочная микробиота обеспечивает устойчивость к заселению легких болезнетворными микроорганизмами и играет важную роль в обеспечении сбалансированного иммунного ответа в данных органах.

Об авторах

В. Ю. Буслаев
Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук
Россия

Буслаев Владислав Юрьевич – аспирант, инженер-технолог

650000, г. Кемерово, пр. Советский ,18



В. И. Минина
Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук; Кемеровский государственный университет
Россия

Минина Варвара Ивановна –  доктор биологических наук,  доцент, зав. кафедрой генетики и фундаментальной медицины, КемГУ

650000, г. Кемерово, пр. Советский ,18; 
650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6

 



Л. B. Мацкова
Балтийский федеральный университет им. И. Канта
Россия

Мацкова Людмила Валентиновна – доктор биологических наук, профессор-исследователь, отдел микробиологии и биотехнологии, Институт живых систем

236000, г. Калининград, ул. Университетская, 2


Конфликт интересов:

2, Universitetskaya Str., Kaliningrad, 236000



Список литературы

1. Ferlay J., Colombet M., Soerjomataram I., Mathers C., Parkin D.M., Piñeros M. et al. Estimating the global cancer incidence and mortality in 2018: GLOBOCAN sources and methods. International Journal of Cancer. 2018;144(8):1941– 1953. DOI: 10.1002/ijc.31937.

2. Ursell L.K., Metcalf J.L., Parfrey L.W., Knight R. Defining the human microbiome. Nutrition Reviews. 2012;70(1):38–44. DOI: 10.1111/j.1753-4887.2012.00493.x.

3. Cho I., Blaser M.J. The human microbiome: at the interface of health and disease. Nature Reviews. Genetics. 2012;13(4):260– 270. DOI: 10.1038/nrg3182.

4. Apopa P.L., Alley L., Penney R.B., Arnaoutakis K., Steliga M.A., Jeffus S. et al. PARP1 is up regulated in non-small cell lung cancer tissues in the presence of the cyanobacterial toxin microcystin. Frontiers in Microbiology. 2018;9:1757. DOI: 10.3389/fmicb.2018.01757.

5. Pichler M., Coskun O.K., Ortega A.S., Conci N., Wörheide G., Vargas S. et al. A 16S rRNA gene sequencing and analysis protocol for the Illumina MiniSeq platform. Microbiology Open. 2018;7(6):e00611. DOI: 10.1002/mbo3.611.

6. Lagier J.C., Dubourg G., Million M., Cadoret F., Bilen M., Fenollar F. et al. Culturing the human microbiota and culturomics. Nature Reviews. Microbiology. 2018;16:540–550. DOI: 10.1038/s41579-018-0041-0.

7. Erb-Downward J.R., Thompson D.L., Han M.K., Freeman C.M., McCloskey L., Schmidt L.A. et al. Analysis of the lung microbiome in the “healthy” smoker and in COPD. PLoS One. 2011;6(2):e16384–e16396. DOI: 10.1371/journal.pone.0016384.

8. Beck J.M., Young V.B., Huffnagle G.B. The microbiome of the lung. Translational Research. 2012;160(4):258–266. DOI: 10.1016/j.trsl.2012.02.005.

9. Dickson R.P., Huffnagle G.B. The lung microbiome: new principles for respiratory bacteriology in health and disease. PLoS Pathog. 2015;11(7):e1004923–e1004928. DOI: 10.1371/journal.ppat.1004923.

10. Mori H., Maruyama T., Yano M., Yamada T., Kurokawa K. VITCOMIC2: visualization tool for the phylogenetic composition of microbial communities based on 16S rRNA gene amplicons and metagenomic shotgun sequencing. BMC Systems Biology. 2018;12(2):30–42. DOI: 10.1186/s12918-0180545-2.

11. Norman J.M., Handley S.A., Virgin H.W. Kingdom-agnostic metagenomic sand the importance of complete characterization of enteric microbial communities. Gastroenterology. 2014;146(6):1459–1469. DOI: 10.1053/j.gastro.2014.02.001.

12. Sulaiman I., Wu B.G., Li Y., Scott A.S., Malecha P., Scaglione B. et al. Evaluation of the airway microbiome in nontuberculous mycobacteria disease. The European Respiratory Journal. 2018;52(4):1800810–1800822. DOI: 10.1183/13993003.00810-2018.

13. Астафьева Н.Г., Кобзев Д.Ю., Гамова И.В., Перфилова И.А., Удовиченко Е.Н., Скучаева Л.В., Михайлова И.Э. Роль микробиома дыхательных путей в респираторном здоровье. Лечащий врач. 2019;5:88–92.

14. Eckburg P.B., Bik E.M., Bernstein C.N., Purdom E., Dethlefsen L., Sargent M. et al. Diversity of the human intestinal microbial flora. Science. 2005;308(5728):1635–1638. DOI: 10.1126/science.1110591.

15. Grice E.A., Segre J.A. The skin microbiome. Nature Reviews. Microbiology. 2011;9(4):244–253. DOI: 10.1038/nrmicro2537.

16. Frank D.N., Feazel L.M., Bessesen M.T., Price C.S., Janoff E.N., Pace N.R. The human nasal microbiota and Staphylococcus aureus carriage. PLoS One. 2010;5(5):e10598. DOI: 10.1371/journal.pone.0010598.

17. Charlson E.S., Diamond J.M., Bittinger K., Fitzgerald A.S., Yadav A., Haas A.R. et al. Lung-enriched organisms and aberrant bacterial and fungal respiratory microbiota after lung transplant. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2012;186(6):536–545. DOI: 10.1164/rccm.201204-0693OC.

18. Segal L.N., Alekseyenko A.V., Clemente J.C., Kulkarni R., Wu B. Enrichment of lung microbiome with supraglottic taxa is associated with increased pulmonary inflammation. Microbiome. 2013;1(1):1–19. DOI: 10.1186/2049-2618-1-19.

19. Morris A., Beck J.M., Schloss P.D., Campbell T.B., Crothers K., Curtis J.L. et al. Lung HIV Microbiome Project. Comparison of the respiratory microbiome in healthy nonsmokers and smokers. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2012;187(10):1067–1075. DOI: 10.1164/rccm.201210-1913OC.

20. Blainey P.C., Milla C.E., Cornfield D.N., Quake S.R. Quantitative analysis of the human airway microbial ecology reveals a pervasive signature for cystic fibrosis. Sci. Transl. Med. 2012;4(153):1–22. DOI: 10.1126/scitranslmed.3004458.

21. Dickson R.P., Erb-Downward J.R., Freeman C.M., McCloskey L., Beck J.M., Huffnagle G.B., Curtis J.L. Spatial variation in the healthy human lung microbiome and the adapted island model of lung biogeography. Annals ATS. 2015;12(6):821– 830. DOI: 10.1513/AnnalsATS.201501-029OC.

22. Liu H.X., Tao L.-L., Zhang J., Zhu Y.-G., Zheng Y., Liu D. et al. Difference of lower airway microbiome in bilateral protected specimen brush between lung cancer patients with unilateral lobar masses and control subjects. International Journal of Cancer. 2018;142(4):769–778. DOI: 10.1002/ijc.31098.

23. Tsay J.J., Wu B.G., Badri M.H., Clemente J.C., Shen N., Meyn P. et al. Airway microbiota is associated with upregulation of the PI3K pathway in lung cancer. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine. 2018;198(9):1188– 1198. DOI: 10.1164/rccm.201710-2118OC.

24. Segal L.N., Clemente J.C., Tsay J.-C., Koralov S.B., Keller B.C., Wu B.G. et al. Enrichment of the lung microbiome with oral taxa is associated with lung inflammation of a Th17 phenotype. Nature Microbiology. 2016;1:16031. DOI: 10.1038/nmicrobiol.2016.31.

25. Park S.K., Cho L.Y., Yang J.J., Park B., Chang S.H., Lee K.-S. et al. Lung cancer risk and cigarette smoking, lung tuberculosis according to histologic type and gender in a population based case–control study. Lung Cancer. 2010;68(1):20–26. DOI: 10.1016/j.lungcan.2009.05.017.

26. Deng B., Li Y., Zhang Y., Bai L., Yang P. Helicobacter pylori infection and lung cancer: a review of an emerging hypothesis. Carcinogenesis. 2013;34(6):1189–1195. DOI: 10.1093/carcin/bgt114.

27. Fol M., Koziński P., Kulesza J., Białecki P., Druszczyńska M. Dual nature of relationship between mycobacteria and cancer. IJMS. 2021;22(15):8332. DOI: 10.3390/ijms22158332.

28. Talib W.H., Saleh S. Propionobacterium anches augments antitumor, anti-angiogenesis and immunomodulatory effects of melatonin on breast cancer implanted in mice. PLoS One. 2015;10(4):1–13. DOI: 10.1371/journal.pone.0124384.

29. Wang D., Cheng J., Zhang J., Zhou F., He X., Shi Y. et al. The role of respiratory microbiota in lung cancer. International Journal of Biological Sciences. 2021;17(13):3646–3658. DOI: 10.7150/ijbs.51376.

30. Wang K., Huang Y., Zhang Z., Liao J., Ding Y., Fang X. et al. 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.

31. Laroumagne S., Salinas-Pineda A., Hermant C., Murris M., Gourrand P.-A., Do C. et al. Incidence and characteristics of bronchial colonization in-patient with lung cancer: a retrospective study of 388 cases. Revue des Maladies Respiratoires. 2011;28(3):328–335. DOI: 10.1016/j.rmr.2010.05.020.

32. Le S.H., Sung J.Y., Yong D., Chun J., Kim S.Y., Song J.H. et al. 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.

33. Urbaniak C., Gloor G.B., Brackstone M., Scott L., Tangney M., Reid G. The microbiota of breast tissue and its association with breast cancer. Applied and Environmental Microbiology. 2016; 82(16):5039–5048. DOI: 10.1128/AEM.01235-16.

34. Liu H.X., Tao L.L., Zhang J., Zhu Y.-G., Zheng Y., Liu D. et al. Difference of lower airway microbiome in bilateral protected specimen brush between lung cancer patients with unilateral lobar masses and control subjects: Lower airway microbiome and lung cancer. Int. J. Cancer. 2018;142(4):769–778. DOI: 10.1002/ijc.31098.

35. Hosgood H.D., Sapkota A.R., Rothman N., Rohan T., Hu W., Xu J. et al. The potential role of lung microbiota in lung cancer attributed to household coal burning exposures. Environmental and Molecular Mutagenesis. 2014; 55(8):643–651. DOI: 10.1002/em.21878.

36. Cameron S.J.S., Lewis K.E., Huws S.A., Hegarty M.J., Lewis P.D., Pachebat J.A. et al. 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.

37. 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.

38. Greathouse K.L., White J.R., Vargas A.J., Bliskovsky V.V., Beck J.A., von Muhlinen N. et al. Interaction between the microbiome and TP53 in human lung cancer. Genome Biology. 2018;19(1):123–139. DOI: 10.1186/s13059-018-1501-6.

39. Gomes S., Cavadas B., Ferreira J.C. et al. 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.

40. Dumont-Leblond N., Veillette M., Racine C., Joubert P., Duchaine C. Non-small cell lung cancer microbiota characterization: Prevalence of enteric and potentially pathogenic bacteria in cancer tissues. PLoS One. 2021;16(4):e0249832. DOI: 10.1371/journal.pone.0249832.

41. Zheng L., Sun R., Zhu Y., Li Z., She X., Jian X. et al. Lung microbiome alterations in NSCLC patients. Sci. Rep. 2021;11(1):11736–11747. DOI: 10.1038/s41598-02191195-2.

42. Druzhinin V.G., Matskova L.V., Demenkov P.S., Baranova E.D., Volobaev V.P., Minina V.I. et al. Taxonomic diversity of sputum microbiome in lung cancer patients and its relationship with chromosomal aberrations in blood lymphocytes. Sci. Rep. 2020;10(1):9681–9684. DOI: 10.1038/s41598-02066654-x.

43. Ma Y., Qiu M., Wang S., Meng S., Yang F., Jiang G. Distinct tumor bacterial microbiome in lung adenocarcinomas manifested as radiological subsolid nodules. Translational Oncology. 2021;14(6):101050. DOI: 10.1016/j.tranon.2021.101050.

44. Belkaid Y., Hand T.W. Role of the microbiota in immunity and inflammation. Cell. 2014;157(1):121–141. DOI: 10.1016/j.cell.2014.03.011.

45. Quigley E.M.M. Microbiota-brain-gut axis and neurodegenerative diseases. Curr. Neurol. Neurosci. Rep. 2017;17(12):94– 103. DOI: 10.1007/s11910-017-0802-6.

46. Arab J.P., Martin-Mateos R.M., Shah V.H. Gut–liver axis, cirrhosis and portal hypertension: the chicken and the egg. Hepatol. Int. 2018;12(S1):24–33. DOI: 10.1007/s12072-0179798-x.

47. Salem I., Ramser A., Isham N., Ghannoum M.A. The gut microbiome as a major regulator of the gut-skin axis. Front. Microbiol. 2018;9:1459. DOI: 10.3389/fmicb.2018.01459.

48. Багиров Н.С., Петухов И.Н., Дмитриев Н.В., Григорьевская З.В. Микробиом и рак: есть ли связь? Обзор литературы. Злокачественные опухоли. 2018;3s1:56–69. DOI: 10.18027/2224-5057-2018-8-3s1-56-69.

49. Jafari B., Khavari Nejad R.A., Vaziri F., Siadat S.D. Evaluation of the effects of extracellular vesicles derived from Faecalibacterium prausnitzii on lung cancer cell line. Biologia. 2019;74(7):889–898. DOI: 10.2478/s11756-019-00229-8.

50. Honda K., Littman D.R. The microbiota in adaptive immune homeostasis and disease. Nature. 2016;535(7610):75–84. DOI: 10.1038/nature18848.

51. Ubags N.D.J., Marsland B.J. Mechanistic insight into the function of the microbiome in lung diseases. Eur. Respir. J. 2017;50(3):1602467–1602479. DOI: 10.1183/13993003.02467-2016.

52. Huffnagle G.B., Dickson R.P., Lukacs N.W. The respiratory tract microbiome and lung inflammation: a two-way street. Mucosal. Immunol. 2017;10(2):299–306. DOI: 10.1038/mi.2016.108.

53. Scales B.S., Dickson R.P., Huffnagle G.B. A tale of two sites: how inflammation can reshape the microbiomes of the gut and lungs. J. Leukoc. Biol. 2016;100(5):943–950. DOI: 10.1189/jlb.3MR0316-106R.

54. Suuring M., Moreau A. Regulatory macrophages and tolerogenic dendritic cells in myeloid regulatory cell-based therapies. IJMS. 2021;22(15):7970–7997. DOI: 10.3390/ijms22157970.

55. Nanno M., Shiohara T., Yamamoto H., Kawakami K., Ishikawa H. Gammadelta T cells: firefighters or fire boosters in the front lines of inflammatory responses. Immunological Reviews. 2007;215:103–113. DOI: 10.1111/j.1600-065X.2006.00474.x.

56. Nembrini C., Sichelstiel A., Kisielow J., Kurrer M., Kopf M., Marsland B.J. Bacterial-induced protection against allergic inflammation through a multicomponent immunoregulatory mechanism. Thorax. 2011;66(9):755–763. DOI: 10.1136/thx.2010.152512.

57. Ege M.J., Mayer M., Normand A.C., Genuneit J., Cookson W.O.C.M., Braun-Fahrländer C. et al. 22 Study Group. Exposure to environmental microorganisms and childhood asthma. The New England Journal of Medicine. 2011;364(8):701–709. DOI: 10.1056/NEJMoa1007302.

58. Stein M.M., Hrusch C.L., Gozdz J., Igartua C., Pivniouk V., Murray S.E. et al. Innate immunity and asthma risk in amish and hutterite farm children. The New England Journal of Medicine. 2016;375(5):411–421. DOI: 10.1056/NEJMoa1508749.

59. Remot A., Descamps D., Noordine M.L., Boukadiri A., Mathieu E., Robert V. et al. Bacteria isolated from lung modulate asthma susceptibility in mice. The ISME Journal. 2017;11(5):1061–1074. DOI: 10.1038/ismej.2016.181.

60. Gollwitzer E.S., Saglani S., Trompette A., Yadava K., Sherburn R., McCoy K.D. et al. Lung microbiota promotes tolerance to allergens in neonates via PD-L1. Nature Medicine. 2014;20(6):642–647. DOI: 10.1038/nm.3568.

61. Schuijs M.J., Willart M.A., Vergote K., Gras D., Deswarte K., Ege M.J. et al. Farm dust and endotoxin protect against allergy through A20 induction in lung epithelial cells. Science. 2015;349(6252):1106–1110. DOI: 10.1126/science.aac6623.

62. Захарова И.Н., Касьянова А.Н., Климов Л.Я. Курьянинова В.А., Симакова М.А., Дедикова О.В. и др. Микробиом респираторного тракта: что известно сегодня? Педиатрия (Прил. к журн. Consilium Medicum). 2018;4:10–17. DOI: 10.26442/24138460.2018.4.180129.


Рецензия

Для цитирования:


Буслаев В.Ю., Минина В.И., Мацкова Л.B. Микробиота: вклад в канцерогенез и функционирование иммунной системы легких. Бюллетень сибирской медицины. 2023;22(1):103-112. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2023-1-103-112

For citation:


Buslaev V.Yu., Minina V.I., Matskova L.V. Microbiota: its contribution to carcinogenesis and immunity in the lungs. Bulletin of Siberian Medicine. 2023;22(1):103-112. https://doi.org/10.20538/1682-0363-2023-1-103-112

Просмотров: 429


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1682-0363 (Print)
ISSN 1819-3684 (Online)