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Shifts of fecal microbiota in immunosuppressed patients following chemotherapeutic treatment analyzed by TaqMan-PCR and PCR-DGGE with special focus on 454 sequencing
Angelika Maria Pointner
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Alexander Haslberger
DOI
10.25365/thesis.19207
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29583.62544.889970-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Mikrobiota im menschlichen Darm stellt ein komplexes dicht besiedeltes Ökosystem dar, welches aus etwa 10^13-10^14 Mikroorganismen mit mehr als 1000 verschiedenen Bakterienarten besteht. Die Zusammensetzung dieser ist ein Ergebnis natürlicher Selektion sowohl auf mikrobieller als auch auf Wirtsebene. Trotz großer Unterschiede der Mikrobiota zwischen einzelnen Individuen, konnte eine aktuelle Studie drei robuste Bakteriencluster identifizieren. Diese "Enterotypen" zeigten sich unabhängig der Herkunft der Versuchspersonen.
Die Mikroorganismen im Darm erfüllen eine Vielzahl nützlicher Aufgaben für den Wirtsorganismus, wie zum Beispiel die Fermentierung von unverdauten Nahrungsbestandteilen und die Produktion von kurzkettigen Fettsäuren. Weiters regulieren sie die Entwicklung des Darmepithels und sind an der Synthese von Vitaminen beteiligt. Die Mikrobiota dient zudem als natürliche Barriere gegen pathogene Bakterien und moduliert das Immunsystem des Wirts. Während des Erwachsenenalters ist die Zusammensetzung der Darmbakterien relativ stabil, kann jedoch durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden. Dazu gehören Ernährung und Lifestyle sowie auch verschiedene Erkrankungen oder medizinische Behandlungen.
Veränderungen in der Zusammensetzung und somit auch der metabolischen Funktion der Mikrobiota können sich auf die Entwicklung und Pathogenese von Übergewicht, atopischen Erkrankungen, Durchfall, Verstopfung und entzündlichen Darmerkrankungen auswirken.
Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Analyse der Veränderungen der fäkalen Mikrobiota von Onkologie-Patienten während einer Chemo- und Antibiotikatherapie. Ziel war, mittels 16S rRNA basierten kulturunabhängigen Methoden den Einfluss von verschiedenen Chemotherapeutika auf die Diversität und Menge der Darmbakterien zu erfassen.
Dazu wurden Stuhlproben von 17 Chemotherapie-Patienten mit oder ohne gleichzeitiger Antibiotika-Einnahme mit 16 gesunden Kontrollpersonen ähnlichen Alters und Geschlechts verglichen. Untersucht wurden vier verschiedene Zeitpunkte vor, während und nach eines Chemotherapiezyklus. Absolute und relative Zahlen von Bakterien, Bacteroides, Bifidobakterien, Clostridium cluster IV, XIVa und Clostridium difficile im Stuhl wurden mit real time PCR (TaqMan-Detektion) erfasst. Diversitätsanalysen erfolgten mit DGGE (Denaturierungs-Gradientengel-Elektrophorese) und high-throughput Seqenzierung.
Chemotherapiepatienten (± Antibiotika) zeigten im Vergleich zur gesunden Kontrollgruppe signifikant weniger Gesamtbakterien (p <0,05). Auch direkt nach einem Chemotherapiezyklus waren die absoluten Bakterienzahlen deutlich verringert (p = 0.037) und zudem der relative Anteil von Clostridium cluster XIVa signifikant erniedrigt. Dennoch konnte sich die Mikrobiota nach Beendigung der Chemotherapie meist wieder auf das Ausgangsniveau und bei manchen Patienten auch darüber hinaus erholen.
DGGE fingerprinting zeigte nach einer chemotherapeutischen Intervention eine verringerte Diversität von Clostridium Cluster IV und XIVa, cluster IV wurde zusätzlich durch gleichzeitige Antibiotika-Einnahme beeinflusst. Bei drei der 17 Onkologie-Patienten konnte nach der Chemotherapie ein Vorkommen von Clostridium difficile beobachtet werden. Gleichzeitig zeigten die Genera Bifidobacterium, Lactobacillus, Veillonella und Faecalibacterium prausnitzii einen Abfall.
Diese Ergebnisse zeigen, dass Chemotherapeutika einen erheblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der fäkalen Mikrobiota haben können. Durch diese Veränderungen kann die Besiedlung mit potentiell pathogenen Bakterien wie Clostridium difficile begünstigt und die nützlichen Funktionen der Darmbakterien beeinträchtigt werden, was im Verlauf einer Chemotherapie zu schweren Nebenwirkungen beitragen kann.
Abstract
(Englisch)
The human intestinal microbiota represents a complex, densely populated ecosystem, which is composed of about 10^13-10^14 microorganisms of more than 1000 different bacterial species. The composition of the gastrointestinal microbiota comes as a result of natural selection at both the host and microbial levels. Despite high inter-individual variation a recent study identified three robust bacterial clusters - referred to as enterotypes - that are not nation or continent specific.
Gut microorganisms carry out a variety of beneficial functions for the host such as immune modulation, fermenting unused energy substrates and producing short-chain fatty acids, regulating the development of the gut and producing vitamins. Furthermore they act as a natural barrier against harmful, pathogenic bacteria. Although the intestinal microbiota is relatively stable throughout adult life, it can be altered by host, diet, environment, bacterial factors and during various disease processes or exposure to medical treatment. These changes in composition and metabolic function of gut microbiota can influence a host’s physiology and pathology and influence the development of obesity, inflammatory bowel diseases, atopic diseases, diarrhea and constipation.
The aim of this thesis was to investigate shifts in the composition of fecal microbiota of oncology patients in response to chemotherapy and antibiotics. Abundance and diversity of fecal bacteria were assessed with culture independent molecular methods.
Feces of 17 ambulant patients under immune-suppressive chemotherapy with or without concomitant antibiotics were analyzed before and after a chemotherapy cycle at four points in time in comparison to 16 gender- and agematched healthy controls. Abundance and diversity of all bacteria, Bacteroides, bifidobacteria, Clostridium cluster IV and XIVa as well as Clostridium difficile were assessed by targeting 16S rRNA genes with TaqMan qPCR, denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) fingerprinting and high-throughput sequencing.
Patients receiving chemotherapy (± antibiotics) harbored significantly less bacteria (p< 0.05) than healthy controls. Furthermore absolute numbers of bacteria (p = 0.037) were significantly lower following a single treatment of chemotherapy, but the microbiota recovered within a few days, sometimes even showing a "rebound-effect". The mean percentage of Clostridium cluster XIVa decreased significantly after administration of chemotherapy. DGGE fingerprinting showed decreased diversity of Clostridium cluster IV and XIVa in response to chemotherapy. Clostridium cluster IV diversity was particularly affected by antibiotics. In three out of seventeen oncology patients Clostridium difficile occurred following chemotherapy. Additionally, a decrease in the genera Bifidobacterium, Lactobacillus, Veillonella and Faecalibacterium was observed.
In conclusion, chemotherapy treatment alters the composition of fecal microbiota and thus may favor colonization with potential pathogens such as C. difficile. These changes affect and alter the functions of the GI microbiota and may contribute to severe side effects in oncology patients.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
GI mikrobiota chemotherapy PCR-DGGE 454 sequencing
Schlagwörter
(Deutsch)
GI Mikrobiota Chemotherapy PCR-DGGE 454 Sequenzierung
Autor*innen
Angelika Maria Pointner
Haupttitel (Englisch)
Shifts of fecal microbiota in immunosuppressed patients following chemotherapeutic treatment analyzed by TaqMan-PCR and PCR-DGGE with special focus on 454 sequencing
Paralleltitel (Deutsch)
Änderungen der fäkalen Mikrobiota bei immunsupprimierten Patienten nach einer Chemotherapie, analysiert mit TaqMan-PCR und PCR-DGGE mit speziellem Fokus auf 454 Sequenzierung
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
VII, 82 S. : Ill., graf. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Alexander Haslberger
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie
AC Nummer
AC09047449
Utheses ID
17210
Studienkennzahl
UA | 474 | | |