Non-small cell lung cancer, immunity and microbiota : laying ground for the gut-lung-lung cancer axis in human subjects

par Rea Bingula

Thèse de doctorat en Génétique et Physiologie

Sous la direction de Edith Filaire et de Marc Filaire.

Le président du jury était Annick Bernalier-Donadille.

Le jury était composé de Aude Remot, Julien Scanzi.

Les rapporteurs étaient Philippe Langella, Chantal Pichon, Muriel Thomas.

  • Titre traduit

    Cancer bronchique non à petites cellules, immunité et microbiote : base d’étude de l'axe intestin-poumon-cancer du poumon chez l‘Homme


  • Résumé

    Le cancer du poumon est la principale cause de décès par cancer dans le monde. En dépit de la variété de traitements disponibles, tels que la chirurgie, la chimiothérapie, la radiothérapie et l’immunothérapie, la survie moyenne à 5 ans est de 60 %. L’une des raisons sous-jacente est une très grande variabilité de réponse au traitement, expliquée par les antécédents génétiques du patient et depuis peu par son microbiote. Le terme « microbiote » regroupe les bactéries, les archées, les champignons, les virus et les protistes qui colonisent notre organisme. Des études utilisant des modèles animaux montrent que le microbiote intestinal joue un rôle crucial dans la réponse de l’hôte au traitement, via la stimulation du système immunitaire. Dans ce contexte, plusieurs « axes de communication » entre le site intestinal et les sites tumoraux distaux commencent à émerger, y compris l’axe « intestin-poumon ». Cependant, le microbiote pulmonaire, qui pourrait directement influencer la réponse tumorale et interagir avec le microbiote intestinal, est pour l’heure peu caractérisé. Afin de développer cette idée d’un axe « intestin, poumon et cancer du poumon », nous avons inclus dans notre étude 18 patients atteints d’un cancer du poumon non à petites cellules (CBNPC) admissibles à la chirurgie. Nous avons analysé leurs microbiotes par séquençage à haut débit à partir de quatre échantillons différents de poumon (tissu sain, tissus péritumoral et tumoral et fluide de lavage broncho-alvéolaire LBA) mais également à partir d’échantillons de salive et de fèces. Nous avons également analysé plusieurs marqueurs immunitaires (infiltration lymphocytaire des tumeurs, profils Th et neutrophiles, cytokines dans le LBA et le sang), des marqueurs inflammatoires et enfin les acides gras à chaînes courtes dans les fèces. Une caractérisation détaillée de ces quatre types d’échantillons de poumons nous a permis de montrer que le microbiote du LBA présente une communauté nettement distincte de celle du tissu pulmonaire. Les tumeurs des lobes inférieurs prédisant le plus mauvais pronostic, nous avons décidé d’étudier le lien entre l’emplacement des tumeurs et la composition du microbiote. Les microbiotes du tissu péritumoral et du LBA ont été identifiés comme étant les plus impactés en terme d’abondance et de diversité ; la tumeur est quant à elle moins impactée. Cependant nous avons observé que le phylum des Firmicutes, décrit comme étant élevé dans les maladies pulmonaires obstructives chroniques, est plus abondant dans le microbiote des lobes inférieurs du poumon. Par conséquent, nous pouvons émettre l’hypothèse que l’augmentation des Firmicutes et les variations importantes du microbiote dans le tissu péritumoral pourraient être associés à une agressivité accrue des tumeurs du lobe inférieur. Nous avons ensuite démontré que la présence de ganglions lymphatiques (GL) métastatiques, marqueur d’un pronostic négatif dans le NSCLC, influence considérablement le microbiote local de par le profil respiratoire du tissu. Nous avons en effet observé que les bactéries anaérobies étaient plus abondantes dans les tumeurs en présence de LN métastatiques. Les bactéries aérobies sont quant à elles plus représentées dans les tumeurs sans GL métastatiques. Nous avons cependant observé la situation inverse dans les tissus extratumoraux. L’hypothèse avancée est celle d’une migration bactérienne en fonction des préférences de conditions de croissance, directement liées aux caractéristiques de la tumeur. Ceci nous permet de proposer plusieurs biomarqueurs pour la détection de GL métastatique, facilitant ainsi leur détection sans imposer de biopsie. Enfin, nous montrons que le microbiote du LBA est d’avantage associé à la réponse immunitaire locale et est indépendant de la présence de GL métastatique. Les recherches à venir porteront sur l’exploration de l’interaction entre le microbiote pulmonaire, l’immunité systémique et le microbiote intestinal.


  • Résumé

    Lung cancer is the main cause of death by cancer worldwide. Despite the variety of available treatments, including surgery, chemotherapy, radiotherapy, and immune therapy, the average 5-year survival is 60%. One of the underlying reasons is a very high variability in patients’ susceptibility to treatment, explained by genetic background and since recently – our microbiota. The term microbiota includes bacteria, archaea, fungi, viruses and protists that inhabit our organism. The studies in animal models show that the gut microbiota (focused on bacteria) has a crucial role in host’s responsiveness to therapy through the stimulation of immune system. In this light, several “communication axes” between the gut and distal tumour sites have started to develop, including the “gut-lung” axis. However, the resident microbiota in the lungs that could directly influence the tumour response and interact with the gut microbiota has been scarcely characterised. To enable further development of the idea of the “gut-lung-lung cancer” axis, we included 18 non-small cell lung cancer (NSCLC) patients eligible for surgery and analysed the microbiota from four different lung samples (non-malignant, peritumoural and tumour tissue and bronchoalveolar lavage fluid; BAL), saliva and faeces by high-throughput sequencing. We also analysed several immune markers, as lymphocytic tumour infiltrate, Th and neutrophil profiles and cytokines in BAL and blood, and inflammatory markers in faeces along with short-chain fatty acids. Focusing first on the lungs, we show that BAL microbiota represents a significantly distinct community compared to lung tissue microbiota by providing detailed characterisation of the four different lung samples. Since tumours in lower lobes are reported as the ones with the worse prognosis, we investigated how the lobe location affected the microbiota composition. Peritumoural tissue and BAL microbiota were identified as the most affected in both abundance and diversity, and tumour as the least affected. However, phylum Firmicutes, previously reported as elevated in chronic obstructive pulmonary disease compared to controls, was found more abundant in microbiota from lower lung lobes. Therefore, we propose that both increase in Firmicutes and extensive changes in peritumoural tissue could be associated to increased aggressiveness of the lower lobe tumours. Next, we show that the presence of metastatic lymph nodes (LN), negative prognostic marker in NSCLC, significantly influence the local tissue microbiota in relation to its respiratory profile. We reported that anaerobic bacteria were more abundant within the tumour in the presence of metastatic LN, and aerobic bacteria within the one without it. Moreover, exactly inverse was observed for the same bacteria in extratumoural tissues. Along with migratory hypothesis depending on the bacterial preference for growth conditions shaped by tumour’s features, we propose several biomarkers for detection of metastatic LN that might facilitate their detection without imposing LN biopsy. Finally, we showed that BAL microbiota is the most associated to the local immune response and independent of the presence of metastatic LN. Future research will focus on the exploration of the interaction between the lung microbiota, systemic immunity and the gut microbiota.


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