Untersuchungen zum Stellenwert des oralen Mikrobioms in der Strahlentherapie von Kopf-Hals-Karzinomen

Abstract

Fragestellung: Wir untersuchten die Wechselwirkungen zwischen dem oralen Mikrobiom und der Entstehung einer strahleninduzierten oralen Mundschleimhautentzündung bei Patienten mit Plattenepithelkarzinom des Kopf-Hals-Bereichs mit Indikation zur primär definitiven oder adjuvanten Radiochemotherapie. Dazu untersuchen wir prospektiv das orale Mikrobiom mittels metagenomischer Sequenzierung und verglichen es mit dem oralen Mikrobiom einer gesunden Kontrollgruppe. Außerdem bildeten wir Patientensubgruppen und verglichen Patienten mit Low-grade Mukositis vs. High-grade Mukositis. Material und Methoden: Zehn Patienten mit Plattenepithelkarzinom im Kopf-Hals-Bereich sowie 7 gesunde Probanden wurden in unsere Studie eingeschlossen. Speichelproben wurden vor, während und neun Monate nach abgeschlossener Radiochemotherapie asserviert und mittels metagenomischer Shotgun-Sequenzierung analysiert. Wir untersuchten die Alpha- und Beta-Diversität des oralen Mikrobioms sowie Unterschiede in den relativen Abundanzen auf unterschiedlichen taxonomischen Ebenen bis hin zur Speziesebene zwischen verschiedenen (Sub)Gruppen. Neben der taxonomischen Analyse wurden im Rahmen einer funktionellen Analyse auch Antibiotikaresistenz-Gene untersucht. Ergebnisse: Patienten wiesen im Vergleich zu gesunden Kontrollen zu jedem Untersuchungszeitpunkt eine signifikant geringere Alpha-Diversität auf (p < 0,05). Taxa mit unterschiedlicher relativer Häufigkeit zwischen Patienten und Kontrollen konnten bereits zum prätherapeutischen Zeitpunkt beobachtet werden. In der Patientenkohorte nahm die Prävalenz vieler mikrobieller Taxa unter Radiochemotherapie ab, während die relative Häufigkeit einiger weniger Erreger signifikant zunahm, unter anderem Staphylococcus aureus und Escherichia coli. Capnocytophaga spp. wurde mit der Patientensubgruppe in Verbindung gebracht, die mittels primär definitiver Radiochemotherapie behandelt wurde im Vergleich zu adjuvanter Radiochemotherapie. Zum prätherapeutischen Zeitpunkt waren zwei Pilzfamilien (Melampsoraceae und Herpotrichiellaceaea) bei Patienten angereichert, die später eine High- Grade-Mukositis entwickelten. Während der Radiochemotherapie konnten keine signifikant unterschiedlichen mikrobiellen Taxa zwischen der Low-grade und der High-grade Mukositis- Subgruppe detektiert werden. Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse stützen die Hypothese, dass sowohl eine Radiochemotherapie als auch Tumore im Kopf-Hals-Bereich selbst die Zusammensetzung des oralen Mikrobioms beeinflussen. Die Veränderungen im oralen Mikrobiom unter Radiochemotherapie korrelierten mit dem Schweregrad der strahleninduzierten, oralen Mukositis und waren nach Beendigung der Therapie reversibel. Obwohl mikrobielle Marker bei Patienten, die später eine High-grade Mukositis entwickelten, detektiert wurden, sind weitere Studien erforderlich um diese potenziellen Biomarker zu validieren.

Purpose: We explored the interaction between the oral microbiome and the development of radiation-induced mucositis in patients with head and neck squamous cell cancer undergoing chemoradiotherapy, prospectively studying the oral microbiome using metagenomic sequencing and comparing it with healthy controls. Additionally, we compared patients with low-grade vs. high-grade mucositis. Methods and Materials: Ten patients scheduled for chemoradiotherapy and 7 healthy subjects were included. Saliva samples were analyzed prior to, during, and nine months after radiation using metagenomic sequencing. We similarly analyzed samples from healthy controls over a time period of 3 months. We assessed alpha and beta diversity and examined abundances at different taxonomic levels between (sub)groups. Results: Patients exhibited significantly reduced alpha diversity compared to controls at all time (p < 0.05). Differential abundance of taxa between patients and controls was already observed at baseline. In patients, the prevalence of many microbial taxa decreased during irradiation while the relative abundance of Staphylococcus aureus and Escherichia coli increased significantly. Capnocytophaga spp. was associated with the definitive chemoradiotherapy patients' subgroup. At baseline, two fungal families (Melampsoraceae and Herpotrichiellaceaea) were more abundant in patients who later developed high-grade mucositis. No differentially abundant taxa were found between low-grade vs. high-grade mucositis subgroups during irradiation. Conclusions: Our findings support the hypothesis that chemoradiotherapy, as well as head and neck squamous cell cancer itself, influence the composition of the oral microbiome. The changes in the oral microbiome during irradiation correlated with the severity of the radiation- induced oral mucositis and were reversible after the end of treatment. Although microbial markers were found in patients who later developed high-grade mucositis, further studies are needed to validate these potential biomarkers.