von Riccardo Vasapolli, Lukas Macke, Christian Schulz

Unter allen menschlichen Organsystemen ist der Gastrointestinaltrakt die am dichtesten und vielfältigsten von Mikroben besiedelte ökologische Nische [1]. Der aktuelle Wissensstand über das gastrointestinale Mikrobiom basiert hauptsächlich auf Analysen von bakteriellen Gemeinschaften. Das Virom, das Mykom und die anderen Mikroorganismen wurden nur in kleineren Untersuchungen adressiert, sodass sich der Begriff „Mikrobiom“ bei der überwiegenden Zahl der bisher publizierten Studien auf den Bakteriom-Anteil bezieht.

Aus neueren Studien ist bekannt, dass das Mikrobiom eine entscheidende Rolle sowohl in der Aufrechterhaltung der Homöostase des Wirtes als auch in der Pathophysiologie unterschiedlicher Krankheitsbilder spielt [2].

Krebserkrankungen sind weltweit die zweithäufigste Todesursache [3] und die meisten Tumorerkrankungen entstehen durch einen mehrstufigen, oft langjährigen Prozess. Während die genauen Ursachen für das Auftreten vieler Tumorentitäten noch nicht vollständig geklärt sind, können multiple Faktoren das Risiko der Krebsentwicklung beeinflussen. Am besten charakterisiert sind Umweltfaktoren wie Lebensstil, Ernährung, Rauchen oder Alkoholkonsum [4], und genetische Faktoren wie beim Lynch-Syndrom, der familiären adenomatösen Polyposis (FAP), dem Li-Fraumeni-Syndrom oder dem Peutz-Jeghers-Syndrom [5].

Darüber hinaus ist der Zusammenhang von mikrobiellen Infektionen und dem Risiko für die Krebsentstehung gut dokumentiert. Es wird angenommen, dass chronische Infektionen bspw. durch Helicobacter pylori (H. pylori), Humane Papillomviren (HPV), Hepatitis-B- und -C-Viren, oder Epstein-Barr-Viren, für ca. 15% der Krebsfälle verantwortlich sind [6]. Neben den bereits bekannten Risikofaktoren gewinnt die Rolle des Mikrobioms in der Ätiopathogenese der Tumorerkrankungen daher immer mehr an Bedeutung. Wissenschaftliche Erkenntnisse der letzten Jahre weisen darauf hin, dass das menschliche Mikrobiom ein wichtiger treibender Faktor für das Krebsrisiko, die Behandlung und die Prognose sein kann.

Tumoren des oberen Gastrointestinaltraktes

Das Magenkarzinom stellt ein exemplarisches Beispiel dar, wie mikrobielle Interaktionen mit dem Wirt einen entscheidenden Einfluss auf die Karzinogenese haben können. Eine Infektion mit H. pylori erhöht das Risiko für Magenkrebs sowohl für den intestinalen Typ als auch für den diffusen Typ und ist für mehr als 90% der Nicht-Kardiakarzinome weltweit verantwortlich [7]. H. pylori verursacht eine chronische aktive Gastritis, wobei der Schweregrad der Entzündung und die Ausprägung der Komplikationen durch verschiedene bekannte Virulenzfaktoren des Bakteriums, exemplarisch genannt seien CagA und VacA, bestimmt wird [8].

Eine über Jahre anhaltende chronisch-aktive Gastritis kann bei einer Minderheit infizierter Individuen zu einer atrophischen Gastritis und intestinalen Metaplasie führen, die Präkanzerosen für die Entwicklung einer intraepithelialen Neoplasie (früher Dysplasie genannt) und eines invasiven Magenkarzinoms [9] darstellen. H. pylori ist außerdem beteiligt an der Pathogenese des MALT-Lymphoms des Magens [10]. In den früheren Stadien dieser Tumorentität führt allein die Eradikationstherapie in ca. 75% der Fälle zu einer kompletten Remission [11].

Neben der führenden Rolle von H. pylori zeigen jüngste Beobachtungen, dass auch andere Mikroorganismen einen Einfluss auf die Magenkarzinogenese haben können. Unterschiedliche kulturunabhängige Studien haben das Bakteriom des Magens charakterisiert und übereinstimmend gezeigt, dass H. pylori nicht nur die gastrale mikrobielle Gemeinschaft quantitativ dominiert, sondern auch signifikant ihre Diversität beeinflusst [12] [13]. Magenschleimhautproben von H. pylori-infizierten Probanden weisen eine signifikante Verringerung des Speziesreichtums (richness), der Gleichmäßigkeit (evenness) sowie der Phylotypen-Diversität auf [14].

Relevante Veränderungen des Mikrobioms wurden auch in 16 S RNA-Gen-basierten Studien beschrieben, in denen die bakteriellen Gemeinschaften von Patientengruppen mit unterschiedlichen histologischen Stadien der karzinogenen Kaskade verglichen wurde. Eine portugiesische Studie mit 135 Patienten (81 mit chronischer Gastritis und 54 mit Magenkarzinom) beobachtete, dass sich die Zusammensetzung des Magenmikrobioms bei Patienten mit Magenkarzinom signifikant von der von Kontrollen mit chronischer Gastritis unterscheidet.

Auffällig waren eine verringerte Diversität, eine geringere Abundanz von Helicobacter und Neisseria und eine Überrepräsentation von Nicht-Helicobacter-Kommensalen (Citrobacter, Lactobacillus und Clostridium). Die Kombination unterschiedlich häufig vorkommender Taxa zu einem mikrobiellen Dysbiose-Index erlaubte auch die Differenzierung zwischen Patienten mit Magenkarzinom und Patienten mit chronischer Gastritis anhand der ROC-Analyse [15].

Eine Studie aus China mit 81 Patienten (21 mit chronischer Gastritis, 23 mit atrophischer Gastritis, 17 mit intestinaler Metaplasie (IM) und 20 mit Magenkrebs) [16] berichtete über eine Dysbiose mit signifikanten Veränderungen der mikrobiellen Gemeinschaften bei Patienten mit IM und Magenkarzinom und identifizierte ein Netzwerk von 31 spezifischen Taxa, die in verschiedenen Stadien der Magenkarzinogenese zunehmend verändert waren: insgesamt 21 Taxa waren angereichert, wie z. B. Peptostreptococcus stomatis, Streptococcus anginosus, Parvimonas micra, Slackia exigua und Dialister pneumosintes, 10 Taxa waren dagegen unterrepräsentiert.

Mikrobielle Veränderungen bei Patienten mit Magenpräkanzerosen wurden in mehreren anderen Studien bestätigt [17] [18] [19]. Eine ausgeprägte Dysbiose zeigt sich vor allem bei den fortgeschrittenen Magenläsionen: hier liegt H. pylori nur noch in geringer Abundanz vor – oder ist gar nicht mehr nachweisbar – während die geringere Magensäuresekretion als Folge der Schleimhautatrophie das Überwachsen durch andere Mikroben begünstigt.

Die Beobachtung einer alterierten Zusammensetzung des Mikrobioms in Patienten mit Tumorerkrankungen (oft als Dysbiose bezeichnet) erlaubt jedoch noch keine Aussage darüber, ob die Dysbiose eine Ursache oder eine Konsequenz der Erkrankung ist. Darüber hinaus ist angesichts der extremen interindividuellen Variabilität des Mikrobioms zwischen gesunden Probanden nicht definiert, welche mikrobiellen Signaturen eine „normale“ Mikrobiota definieren [20].

Dennoch unterstützt die Evidenz aus Tiermodellen eindeutig die wichtige Rolle von Nicht-H. pylori-Mikroben bei der Magenkarzinogenese. In keimfreien, aber mit H. pylori infizierten INS-GAS-Mäusen wurden eine mildere Entzündung und eine geringere Inzidenz der präkanzerotischen Veränderungen bei H. pylori monoinfizierten Mäusen im Vergleich zu infizierten Mäusen mit einer H. pylori-Infektion und einer komplexen Darmflora beobachtet. Interessanterweise weisen auch INS-GAS-Mäuse mit einer eingeschränkten definierten Darmflora bestehend aus lediglich 3 Bakterienspezies (ASF356 Clostridium, ASF361 Lactobacillus murinus und ASF519 Bacteroides) ausgeprägte histopathologische Veränderungen wie bei Mäusen mit komplexer Darmflora auf [21].

Unterschiede in der mikrobiellen Zusammensetzung wurden auch in mehreren Läsionen des Ösophagus im Vergleich zu gesunden Kontrollen beschrieben. So wurde über 2 unterschiedliche Typen des ösophagealen Mikrobioms berichtet:

• Typ 1, der hauptsächlich aus grampositiven Bakterien besteht, vom Phylum Firmicutes dominiert wird und mit einem normalen Zustand des Ösophagus assoziiert ist und
• Typ 2, der mit gramnegativen anaeroben oder mikroaerophilen Bakterien angereichert ist und mit einem entzündlichen Zustand des Ösophagus und mit Barrett-Läsionen assoziiert ist [22].

Eine Dysbiose mit erniedrigter Diversität wurde auch im Fall des Ösophaguskarzinoms beobachtet. In einer Fall-Kontroll-Studie aus England wurde das Mikrobiom von 86 Patienten mit unterschiedlichen Stadien der ösophagealen Karzinogenese (n=20 normale Kontrolle, n=24 mit nicht-dysplastischem Barrett, n=23 mit dysplastischem Barrett und n=19 mit Adenokarzinomen) untersucht [23]. Es wurde eine 16S-rRNA basierte Methodik verwendet und die Ergebnisse zeigten, dass Patienten mit Adenokarzinom des Ösophagus signifikant erniedrigte richness und Diversität im Vergleich zu normalen Kontrollen haben. Patienten mit Ösophaguskarzinom zeigten zudem eine höhere Abundanz von Lactobacillus fermentum und eine allgemeine Dominanz des Genus Lactobacilli in der mikrobiellen Zusammensetzung.

Tumoren des unteren Gastrointestinaltraktes

Das kolorektale Karzinom (KRK) ist die zweithäufigste Tumorentität weltweit [3]. Die Karzinogenese des Kolonkarzinoms findet in einem komplexen und mehrstufigen Prozess, bei dem die Akkumulation genetischer Mutationen zusammen mit epigenetischen Faktoren für die Entstehung des Tumors verantwortlich sind, statt [24].

Ähnlich wie andere Regionen des gastrointestinalen Trakts beherbergt der Dickdarm eine komplexe und vielfältige Population von Mikroorganismen. In der Literatur gibt es zunehmend Hinweise darauf, dass das Mikrobiom in der Entstehung sporadischer KRK eine relevante Rolle spielt. Fall-Kontroll-Studien konnten zeigen, dass die mikrobielle Diversität in Tumorgewebe- oder Stuhlproben aus Patienten mit kolorektalen Adenomen oder Karzinomen höher ist als in den Kontrollgruppen [25] [26]. Die bakteriellen Gemeinschaften aus Tumorbiopsien zeigten sich auch unterschiedlich in der Zusammensetzung im Vergleich zur umgebenden gesunden Mukosa [27].

Im Gegensatz zum Magenkarzinom, bei der die Infektion durch einen definierten Erreger (H. pylori) eine kausale Ursache der Karzinogenese darstellt, scheinen multiple Alterationen der Interaktion zwischen Wirt und Mikrobiom und eine allgemeine Dysbiose relevant für die Entstehung des Kolokarzinoms zu sein. Die aktuell bevorzugte Hypothese ist, dass die simultane Interaktion unterschiedlicher Erreger („drivers“) mit den Darmzellen zur Entstehung eines onkogenen Milieus führt, in dem inflammatorische Prozesse und bakterielle Metaboliten und Toxine zu einer Akkumulation von DNA-Alterationen beitragen, und dadurch die Entstehung eines malignen Wachstums begünstigt wird [28] [29].

In den letzten Jahren haben mehrere Bakterienarten aufgrund ihrer möglichen Rolle bei der kolorektalen Karzinogenese Aufmerksamkeit erregt. Beispielweise wurden höhere Abundanzen von Fusobacterium nucleatum in Biopsaten aus kolorektalen Adenomen und Karzinomen im Vergleich zum umgebenden normalen Gewebe detektiert [30]. Fusobacterium nucleatum war mit einem fortgeschrittenen Krankheitsstadium [31], einem geringeren Infiltrat von T-Zellen im Tumorgewebe [32] und einer schlechteren Prognose der Patienten [33] assoziiert. Auch Escherichia coli und enterotoxische Bacteroides fragilis wurden häufiger in der Mukosa von Patienten mit KRK als in den Kontrollgruppen gefunden und waren mit einem fortgeschrittenen Krankheitsstadium assoziiert [34] [35] [36] [37].

Erst kürzlich wurde eine potenzielle direkte Beteiligung eines Bakteriums an der kolorektalen Karzinogenese beschrieben: E. coli mit der Pathogenitätsinsel pks synthetisieren Colbactin, für welches direkt mutagene Eigenschaften angenommen werden. Die Ko-Kultivierung von Darmschleimhaut-Organoiden mit pks + E. coli induziert eine spezifische Signatur an DNA-Mutationen, welche die Autoren auch in den Tumorgenomen einer Subgruppe von zwei unabhängigen KRK-Kohorten nachweisen konnten. Die Relevanz dieses Mechanismus in der kolorektalen Karzinogenese muss jedoch in weiteren Studien bestätigt werden [38].