DE19711111C2 - In vitro Nachweis zur Erkennung von Darmtumoren - Google Patents

In vitro Nachweis zur Erkennung von Darmtumoren

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines in vitro - Nachweises von intraepithelialen Darmbakterien, Bestandteilen derselben und Reaktionsprodukten des Wirtes auf diese, zur Erkennung von Darmtumoren und deren Vorstufen.
Maligne Tumoren sind wegen ihrer schlechten Prognose eine ernste Bedrohung der menschlichen Gesundheit. Die Therapiemöglichkeiten der Mehrzahl bösartiger Tumoren sind zur Zeit noch beschränkt und vom Krankheitsstadium abhängig. Eine Früherkennung der Krankheit, sowie deren Vorstufen gehört daher zu den vorrangigen Zielen der klinisch wissenschaftlichen Forschung. Die Karzinogenese wird als eine Wechselwirkung endogener (genetischer) und exogener Faktoren betrachtet. Während genetische Veränderungen der Zelle bisher wenig Möglichkeiten zur therapeutischen Intervention boten, erhofft man vom Verständnis der exogenen Karzinogene einen unmittelbaren Nutzen. Am Anfang galt die Aufmerksamkeit vor allem chemischen und radioaktiven Substanzen, da die Wirkung dieser Karzinogene in Zellkulturen und Tierexperimenten leicht zu verfolgen ist. Mit der Entdeckung karzinogener Viren rückten die infektiösen Ursachen der Tumorentstehung in den Vordergrund des Interesses.
Viren sind nicht die einzigen Erreger mit karzinogener Potenz. Eine Verbindung zwischen bestimmtem Karzinomarten und einer chronischen Infektion mit Schistosoma oder Leberegel ist seit langem bekannt.
Die Rolle der Bakterien wurde dagegen erst kürzlich aufgedeckt. So wurde Helicobacter pylori als erstes Bakterium dem Karzinogen der Gruppe I zugeordnet (WHO/IARC Kongreß in Lyon, 1994 und Logan RPH, Helicobacter pylori and gastric cancer, Lancet 1994, 334, 1078-79).
Die Beziehung zwischen einer permanenten Besiedelung des Magens durch Helicobacter pylori und dem Magenkarzinom gilt als gesichert. Kolorektale Karzinome sind gleich dem Magenkrebs eine der vorherrschenden Geschwulstkrankheiten weltweit. Die epidemiologischen Besonderheiten der Ausbreitung kolorektaler Karzinome haben schon in den siebziger Jahren zu der Vermutung geführt, das gastrointestinale Bakterien ursächlich mit den kolorektalen Karzinomen zusammenhängen (Aries VC, Crowther JS, Drasar MJ, Hill MJ and Williams REO, Bacteria and the etiology of cancer of the large bowel, GUT 10, 334, 1969).
Trotz einer intensiven und zielgerichteten Forschung konnte die postulierte Beziehung zwischen Magendarmbakterien und Karzinogenese bisher nur für Helicobacter pylori gesichert werden. Der Grund dafür ist eine extreme Komplexität der Darmflora. Diese weist im Koloninhalt Bakteriendichten bis zu 1013/g Trockengewicht auf. Die Aufmerksamkeit galt jedoch bisher überwiegend intraluminalen Bakterien. Ob ein Pathogen, das die Dickdarmmukosa permanent besiedelt bei der Entstehung kolorektaler Karzinome eine Rolle spielt, ist nicht bekannt. Dies konnte mit den klassischen bekannten bakteriologischen Methoden nicht beantwortet werden.
Es wird nun die Verwendung eines in vitro - Nachweises von intraepithelialen Darmbakterien, Bestandteilen derselben und Reaktionsprodukten des Wirtes auf diese, zur Erkennung von Darmtumoren und Vorstufen von Darmtumoren beschrieben.
Die Verwendung ist dadurch gekennzeichnet, daß man für den in vitro Nachweis folgende Schritte durchführt:
  • a) Biopsieproben in einer wässrigen Lösung schüttelt und diese anschließend erneut in wässriger Lösung aufnimmt,
  • b) Verfahrensschritt a) mehrmals wiederholt, die Überstände verwirft,
  • c) die Rückstände bei Raumtemperatur in eine SDS - haltigen Lösung überführt und zur Auflösung des Gewebes und der DNA-Fraktion, vorsichtig und langsam schüttelt oder rotiert,
  • d) die DNA mit Phenol und Glaskügelchen aufreinigt und anschließend in Wasser resuspendiert,
  • e) die so erhaltene DNA mit universellen 16 sRNA Primern amplifiziert und anschließend die Stärke des PCR-Produktes der Probe mit der Stärke von PCR-Produkten standardisierter Bakterienlösungen bestimmter Dichte vergleicht,
  • f) positive PCR-Produkte kloniert und sequenziert und schließlich
  • g) die in der Biopsie gefundenen DNA-Sequenzen mit den bekannten bakteriellen DNA-Sequenzen aus DNA-Datenbanken vergleicht.
Der Nachweis kann vielfältig modifiziert werden. Es können speziesspezifische Primer für die PCR angewandt werden. Es können Virulenzfaktoren gezielt in der Biopsieprobe oder sogar in Stuhlproben nachgewiesen werden. Es kann ferner eine in situ Hybridisierung durchgeführt werden. Ferner kann ein immunhistochemischer und elektronenmikroskopischer Nachweis von Bakterien in der Mukosa durchgeführt werden. Ebenfalls denkbar sind nuklearmedizinische Methoden wie Szintigraphie oder Atemtest.
Die in Verfahrensschritt a) des Nachweises verwendete wässrige Lösung ist vorzugsweise eine physiologische Kochsalzlösung.
Die in Verfahrensschritt c) des Nachweises verwendete SDS - haltige Lösung ist vorzugsweise eine 0,5-5%ige SDS/physiologische Kochsalzlösung.
Vorzugsweise beträgt die Zeit für das Schütteln der Biopsieproben in Verfahrensstufe a) des Nachweises 10-120 s, besonders bevorzugt 30-60 s.
Vorzugsweise werden die Biopsieproben in Verfahrensstufe a) des Nachweises in 100- 1000 µl physiologischer Kochsalzlösung aufgenommen, besonders bevorzugt in 500 µl. Vorzugsweise wird der Verfahrensschritt a) des Nachweises 5-20 mal wiederholt, besonders bevorzugt 7-10 mal.
Vorzugsweise werden die Fraktionen in Verfahrensschritt c) des Nachweises in ein Volumen von 100-50 µl 0,5-5%ige SDS/physiologische Kochsalzlösung gegeben, wobei besonders bevorzugt eine 1%ige Lösung ist.
Die bevorzugte Zeit des Schüttelns und Rotierens in Verfahrensstufe c) des Nachweises beträgt 10-24 Stunden, besonders bevorzugt 12 Stunden.
Vorzugsweise wird in Verfahrensstufe d) des Nachweises in einem Volumen von 10-50 µl Wasser resuspendiert, besonders bevorzugt in einem Volumen von 20 µl Wasser.
Die Verwendung betrifft insbesondere den Nachweis von E. coli Bakterien in Dickdarmbiopsien.
Der in vitro Nachweis kommt auch bei der Untersuchung von Proben anderer Körperkompartimenten wie Lymphe und Körperflüssigkeiten wie Blut, Flüssigkeiten des Magen-Darm-Traktes und Flüssigkeiten benachbarter Gewebe des Magen und des Darmes zur Anwendung. Reaktionsprodukte des Wirtes auf den Befall mit E. coli oder anderen für den Tumorbefall charakteristischen Bakterien können mittels gebräuchlicher analytischer Methoden, zum Beispiel einem Immunoassay, nachgewiesen werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung des in vitro Nachweises bezieht sich auf E. coli, Bestandteile von E. coli, Reaktionsprodukte des Wirtes auf E. coli und verwandte Bakterien in der Darmmucosa oder anderen Kompartimenten des Körpers außerhalb des Magen-Darmlumens.
Die folgenden Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindungsgemäße, ohne diese auf die Beispiele einzuschränken.
Beispiel
Gewebe von Biopsien wurden in physiologische Kochsalzlösung gegeben und zwei Stunden bei 4°C bis zur weiteren Verwendung gehalten. Jede Probe wurde kräftig mit einem Zerkleinerer (Vortexstab) 1 Minute lang in einem 1,5 ml Plastik - Tube zerkleinert und anschließend in 500 µl frische physiologische Kochsalzlösung gegeben. Dieser Vorgang wurde 8mal wiederholt. Danach wurde die Probe bei Raumtemperatur in einer 1 %igen SDS - Kochsalzlösung inkubiert und über Nacht abzentrifugiert. Aus dem Überstand wird DNA mit Phenol extrahiert, unter Verwendung eines GeneClean Kits weiter aufgereinigt uns schließlich in 30 µl Wasser, das für die Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) verwendet wird, resuspendiert.
Das 5' - Ende der 16S rmA Gene (600 bp) wurde mittels PCR unter Verwendung eines Universal - Primers für Bakterien amplifiziert:
Die 13 zusätzlichen Nukleotide (unterstrichen) wurden für die Klonierung an das 5' - Ende gebunden.
Um falsche positive PCR - Ergebnisse zu vermeiden, wurden vor- und nach-PCR - Stufen in verschiedenen Aufbauten und parallele Kontrollexperimenten unter Weglassen von template DNA durchgeführt.
Die Bakterienmenge in den Proben wurde mittels elektrophoretischem Vergleich der PCR - Proben zu PCR - Standard - Lösungen von Bakterien mit 105, 104, 103, 102 und 10 colony forming units (cfus) pro µl nach 25 and 30 Thermozyklen gemessen. Für die Sichtbarmachung wurde das Agarosegel mit Ethidiumbromid behandelt. Lösungen mit 10 cfus/µl gaben kein PCR - Signal. Proben - PCR - Signale mit 102 cfus/µl waren zu schwach für weitere Stufen und wurden als negativ betrachtet.
Für die Bestimmung der Bakterienzusammensetzung in der Probe mit positivem PCR - Signal wurden amplifizierte 16S rRNA Sequenzen in ein pCMV-LIC Vektor gemäß einem ligationsunabhängigem Klonierungsprotokoll kloniert. In einem Sequencer wurden für jede Biopsie zwischen 40 bis 200 Klone sequenziert. Die Bakteriensequenzen wurden analysiert und wie zuvor beschrieben mit 16S rRNA Primärstrukturen aus Datenbanken verglichen.
Beispiel 2
Zum Nachweis der Ausführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden von Menschen Biopsien entnommen.
Hierzu wurden 82 Menschen konsekutiv kolonoskopiert. Die entnommenen Dickdarmbiopsien wurden auf das Vorkommen intraepithelialer Keime untersucht. Es wurden drei Gruppen gebildet:
  • 1. Normalgruppe:
    42 Menschen mit makroskopisch und histologisch unauffälligen kolonoskopischen Befund
  • 2. Adenomgruppe:
    22 Menschen mit tubulovillösen Adenomen
  • 3. Karzinomgruppe:
    18 Menschen mit Karzinomen, davon 11 bei Zustand nach Kolonresektion vor weniger als drei Jahren, wobei vier der resezierten Patienten rezidivfrei waren
Keiner der Untersuchten hatte eine familiäre Polyposis oder bekam zwei Wochen vor der Untersuchung Antibiotika. Von jedem Untersuchten wurden 1 bis 7 Biopsien entnommen. Diese Biopsien wurden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auf intraepitheliale und verwandte E. coli Bakterien untersucht.
Wenn möglich wurden Biopsien sowohl aus der tumorverdächtigen als auch aus der normalen Mukosa entnommen.
Das Geschlecht, das Durchschnittsalter und die Altersstruktur der Untersuchten in den drei Gruppen ist wie folgt:
Die quantitative Bestimmung der Bakterienkonzentration erfolgte in 103, 56 und 47 Biopsien von Untersuchten aus der Normal-, Adenom- und Karzinomgruppe.
In 37 von 42 Untersuchten der Normalgruppe wurden keine Bakterien gefunden (0 bis 100 cfu/µl). Dagegen befanden sich Bakterienkonzentrationen zwischen 103 und 105 cfu/µl in mindestens einer Biopsie bei allen untersuchten der Karzinomgruppe und bei 21 von 22 Untersuchten der Adenomgruppe. Bakterien wurden ebenfalls in 23 der 44 Biopsien aus der normalen Mukosa der Untersuchten aus der Adenomgruppe und 31 der 37 Biopsien aus der Karzinomgruppe gefunden.
PCR positive Biopsien aus der normalen Mukosa und aus Tumorgewebe von Untersuchten wurden wie folgt ermittelt:
5, 26 und 32 PCR-Produkte aus den Biopsien der Normal-, Adenom- und Karzinomgruppen wurden kloniert und sequenziert. In der Normalgruppe wurden je eine Probe pro Untersuchtem sequenziert. In den Adenom/Karzinomgruppen wurden alle positiven PCR-Produkte aus dem Tumor kloniert und sequenziert. Von den Stufenbiopsien aus normalen Kolonabschnitten der Tumorgruppen wurde jeweils die Probe mit der maximalen Bakterienkonzentration ausgewählt, kloniert und sequenziert. 80% aller sequenzierter Klone in 17 von 21 Untersuchten aus der Adenomgruppe und 17 von 18 Untersuchten aus der Karzinomgruppe enthielten die E. coli Sequenz. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der quantitativen PCR und die Resultate der Sequenzanalyse klonierter PCR Produkte aufgeführt.
Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß sowohl in Biopsien normal aussehender Schleimhaut als auch in Biopsien von Tumorgewebe der Untersuchten mit Kolonkarzinom und Kolonadenom intraepitheliale Bakterien vorhanden sind.

Claims (18)

1. Verwendung eines in vitro - Nachweises von intraepithelialen Darmbakterien, Bestandteilen derselben und Reaktionsprodukten des Wirtes auf diese, zur Erkennung von Darmtumoren und Vorstufen von Darmtumoren.
2. Verwendung eines in vitro Nachweises von E. coli, Bestandteilen von E. coli, Reaktionsprodukten des Wirtes auf E. coli und verwandten Bakterien in der Darmmucosa oder anderen Kompartimenten des Körpers außerhalb des Magen- Darmlumens zur Erkennung von Darmtumoren.
3. Verwendung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man für den in vitro Nachweis folgende Schritte durchführt:
  • a) Biopsieproben in einer wässrigen Lösung schüttelt und diese anschließend erneut in wässriger Lösung aufnimmt,
  • b) Verfahrensschritt a) mehrmals wiederholt, die Überstände verwirft,
  • c) die Rückstände bei Raumtemperatur in eine SDS - haltigen Lösung überführt und zur Auflösung des Gewebes und der DNA-Fraktion, vorsichtig und langsam schüttelt oder rotiert,
  • d) die DNA mit Phenol und Glaskügelchen aufreinigt und anschließend in Wasser resuspendiert,
  • e) die so erhaltene DNA mit universellen 16 sRNA Primern amplifiziert und anschließend die Stärke des PCR-Produktes der Probe mit der Stärke von PCR-Produkten standardisierter Bakterienlösungen bestimmter Dichte vergleicht,
  • f) positive PCR-Produkte kloniert und sequenziert und schließlich.
  • g) die in der Biopsie gefundenen DNA-Sequenzen mit den bekannten bakteriellen DNA-Sequenzen aus DNA-Datenbanken vergleicht.
4. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Verfahrensschritt a) verwendete wässrige Lösung eine physiologische Kochsalzlösung ist.
5. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Verfahrensschritt c) verwendete SDS - haltige Lösung eine 0,5-5%ige SDS/­ physiologische Kochsalzlösung ist.
6. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit für das Schütteln der Biopsieproben in Verfahrensstufe a) 10-120 s beträgt.
7. Verwendung gemäß den Ansprüchen 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit für das Schütteln der Biopsieproben in Verfahrensstufe a) 30-60 s beträgt.
8. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Biopsieproben in Verfahrensstufe a) in 100-1000 µl physiologischer Kochsalzlösung aufgenommen werden.
9. Verwendung gemäß den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Biopsieproben in 500 µl physiologischer Kochsalzlösung aufgenommen werden.
10. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt a) 5-20 mal wiederholt wird.
11. Verwendung gemäß den Ansprüchen 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt a) 7-10 mal wiederholt wird.
12. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktionen in Verfahrensschritt c) in ein Volumen von 100-500 µl 0,5-5%ige SDS/physiolo­ gische Kochsalzlösung gegeben werden.
13. Verwendung gemäß den Ansprüchen 3 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktionen in Verfahrensschritt c) in ein Volumen von 100-50 µl %ige SDS/­ physiologische Kochsalzlösung gegeben werden.
14. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit des Schütteins und Rotierens in Verfahrensstufe c) 10-24 Stunden beträgt.
15. Verwendung gemäß den Ansprüchen 3 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit des Schütteins und Rotierens in Verfahrensstufe c) 12 Stunden beträgt.
16. Verwendung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensstufe d) in einem Volumen von 10-50 µl Wasser resuspendiert wird.
17. Verwendung gemäß den Ansprüchen 3 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensstufe d) in einem Volumen von 20 µl Wasser resuspendiert wird.
18. Verwendung gemäß den Ansprüchen 1-17 in Proben von Körperkompartimenten wie Lymphe und Körperflüssigkeiten wie Blut, Flüssigkeiten des Magen-Darm- Traktes und Flüssigkeiten benachbarter Gewebe des Magen und des Darmes.
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