Manipulation of the bacteria promoting the development of colorectal cancer

Abstract

En 2022, le cancer colorectal (CCR) est le deuxième cancer le plus meurtrier au Canada et le troisième dans le monde. Plusieurs facteurs dont l’alimentation, le manque d'activité physique et la génétique, ont été identifiés comme contribuant au développement du CCR. Le microbiote intestinal, une communauté de micro-organismes vivant dans l'intestin de l'hôte, est également associé au développement du CCR, comme particulièrement Escherichia coli productrice de colibactine. Cette génotoxine induit des réticulations inter brin et cassures double brin (DSBs) de l’ADN dans les cellules de mammifères, entraînant des mutations et un risque élevé de développement du CCR. Nous avons pour objectif de contrôler la prolifération et la production de colibactin de la bactérie pks+ E. coli. Nous avons évalué la prévalence des bactéries pks+ et des bactéries bft+ chez des patients atteints de CCR et individus sains de la province de Québec (Canada), en utilisant une cohorte de 156 participants. Nous avons constaté qu'une grande proportion d’individus sains sont colonisés par des bactéries pks+ (42%) et à des niveaux similaires à ceux des patients atteints de CCR (46%). En ce qui concerne la bactérie entérotoxigénique Bacteroides fragilis (ETBF), le gène bft a été détecté chez 21% des contrôles sains et 32% des patients atteints de CCR, et 8% des contrôles sains et 13% des patients atteints de CRC étaient colonisés à la fois par des bactéries pks+ et par ETBF. Comme ces individus sains sont plus susceptibles de développer un CCR, il est vital de fournir des traitements nutritionnels et médicinaux personnalisés pour contrôler la croissance de ces bactéries. Nous avons ensuite étudié l'effet de la supplémentation en prébiotiques sur la génotoxicité des souches de E. coli productrice de colibactine dans un modèle cellulaire. L'inuline et les galacto-oligosaccharides ont augmenté l'expression du gène de la colibactine A chez E. coli pks+, ce qui a été aboli par l'addition de 125 µM de sulfate de fer. La souche de E. coli NC101 (EcNC101) a augmenté les dysplasies et DSBs dans les cellules d'adénocarcinome humain Caco-2, en présence de l'un ou l'autre des oligosaccharides. 6 Nos résultats indiquent que les oligosaccharides aggravent les dommages à l'ADN causés par les bactéries productrices de colibactine. Étant donné la popularité croissante de la supplémentation en prébiotiques et leur facilité d'accès, d'autres études sont nécessaires pour déterminer comment ces prébiotiques peuvent réguler le développement et la progression des tumeurs dans des modèles animaux et chez les humains en présence d'une colonisation par E. coli pks+. Nous avons constaté précédemment que l'inuline avait à la fois des effets protecteurs et des effets promoteurs de tumeurs dans le CCR, et ces divergences peuvent être attribuées à la présence de E. coli pks+. En utilisant le modèle de souris ApcMin/+ de CCR, nous avons cherché à savoir si les bactéries E. coli productrice de colibactine modifiaient la protection conférée par l'inuline contre le développement et la progression des tumeurs. La supplémentation en inuline a conduit à une augmentation de la colonisation par EcNC101, ce qui a entraîné une élévation des DSBs, de la charge tumorale et de la progression tumorale chez les souris ApcMin/+, de manière dépendante à la colibactine. E. coli Nissle 1917 pasteurisé a inhibé la croissance tumorale en inhibant la prolifération de EcNC101 induite par l'inuline. Nos résultats soulignent la nécessité de dépister les bactéries pks+ chez les patients et de leur fournir des conseils nutritionnels préventifs. En résumé, nous avons rapporté que les pré-biotiques, pro-biotiques et post-biotiques peuvent influencer la croissance de E. coli pks+ et/ou la sécrétion de colibactine. Par conséquent, la pertinence de ce projet serait de fournir une thérapie nutritionnelle personnalisée basée sur ces résultats pour les individus colonisés par ces bactéries, qui sont plus enclins à développer un cancer colorectal.

In 2022, colorectal cancer (CRC) was the second deadliest cancer in Canada and the third globally. Factors such as diet, lack of physical activity, and genetics have been identified as contributors to CRC development. The intestinal microbiota, a community of microorganisms living in the host intestine, has been associated with CRC development, particularly the colibactin-producing Escherichia coli. The genotoxin colibactin induces interstrand cross-links (ICLs) double-strand DNA breaks (DSBs) in mammalian cells, resulting in mutations and an elevated risk of CRC development. Therefore, these studies aimed to control the proliferation and production of colibactin of pks+ E. coli. Using a case-control study of 156 participants, we evaluated the prevalence of pks+ bacteria and bft+ bacteria in patients with CRC and healthy controls from the province of Québec (Canada). We found that similar to patients with CRC (46%), a large proportion of healthy controls were colonized by pks+ bacteria (42%). Regarding enterotoxigenic Bacteroides fragilis (ETBF), the bft gene was observed in 21% of healthy controls and 32% of patients with CRC, with 8% of healthy controls and 13% of patients with CRC colonized by both pks+ bacteria and ETBF. Providing personalized dietary and medicinal treatments to control the growth of these bacteria is necessary because these healthy individuals are more likely to develop CRC. The effect of prebiotic supplementation on the genotoxicity of colibactin-producing E. coli strains was investigated in a cellular model. Inulin and galactooligosaccharide increased the expression of the colibactin A gene in pks+ E. coli, which was abrogated by the addition of 125 µM of iron sulfate. E. coli strain NC101 (EcNC101) increased dysplasia and DSBs breaks in human adenocarcinoma Caco-2 cells, in the presence of both inulin and galactooligosaccharide. Our findings indicate that oligosaccharides aggravate DNA damage caused by colibactin-producing bacteria. 4 Given the increasing popularity and accessibility of prebiotic supplementation, more studies are required to determine how these prebiotics may regulate tumor development and progression in animal models and humans in the presence of pks+ E. coli colonization. Inulin has protective and tumor-promoting effects on CRC; these discrepancies may be attributed to the presence of pks+ E. coli. Using the ApcMin/+ mouse model of CRC, we explored whether colibactin-producing E. coli altered the protection conferred by inulin against tumor development and progression. Inulin supplementation increased EcNC101 colonization, resulting in more DSBs, tumor burden, and tumor progression in ApcMin/+ mice, in a colibactin dependant manner. Pasteurized E. coli Nissle 1917 inhibited tumor growth by reversing inulin-driven EcNC101 proliferation. Our findings emphasized the need to screen patients for pks+ bacteria and provide them with preventive dietary counseling. In summary, we reported that prebiotics, probiotics, and postbiotics could influence pks+ E. coli growth, colibactin secretion, or both. Therefore, the significance of this project lies in providing personalized nutritional-based therapy based on the findings for individuals colonized by these bacteria, who are more prone to develop CRC.