Skip to main content
Thieme Open Access logoLink to Thieme Open Access
. 2018 Mar 22;97(Suppl 1):S279–S311. doi: 10.1055/s-0043-122301

The Microbiome – The Unscheduled Parameter for Future Therapies

Achim G Beule 1,2,
PMCID: PMC6541117  PMID: 29905360

Abstract

The microbiome is defined as the total of cellular microorganisms of baczerial, viral or e. g., parasite origin living on the surface of a body. Within the anatomical areas of otorhinolaryngology, a significant divergence and variance can be demonstrated. For ear, nose, throat, larynx and cutis different interactions of microbiome and common factors like age, diet and live style factors (e. g., smoking) have been detected in recent years. Besides, new insights hint at a passible pathognomic role of the microbiome towards diseases in the ENT area. This review article resumes the present findings of this rapidly devloping scientific area.

Key words: Microbiome, sinusitis, head and neck cancer, otitis

Abbrevations

CRS

chronic rhinosinusitis

OUT

operational taxonomic unit

MALDI-TOF

Matrix assisted laser ionization mass spectrometry – time of flight

Teff

effector T cells

Treg

regulatory T cells

1. Introduction and Definition

The microbiome is defined as the total of all microorganisms living on humans or other creatures (e. g. earthworms, reptiles, cows). The composition of the microorganisms is locally very different. It includes bacteria (planktonic and as biofilm), viruses, fungi, and all other types of microorganisms (archaea, amoebas, flagellates, bacteriophages etc.). Organisms where the interaction with the microbiome is inhibited artificially, remain physiologically immature regarding important regulatory mechanisms such as immune defense and are very prone to pathogens 1 . Beside systematic effects of this kind, the microbiome influences the epithelial function of the organism on all body surfaces, also in the field of otorhinolaryngology.

Because of different local environments, the microbiome varies on skin and mucosa but also in different areas of the head and neck. Furthermore, the composition of the microorganisms modifies reactively due to aging process, diseases, and also depending on therapies. It may cause several diseases or favor their development. Those diseases may also include malignant diseases.

The human microbiome is identified by advanced sequencing of the DNA and includes pathogen as well as commensal microbes. Individual differences are considered as being responsible for the susceptibility of patients and their risk to develop diseases. The susceptibility is influenced by various factors such as nutrition, metabolism, detoxification, hormone status, immune tolerance, and in particular inflammation processes 2 3 4 5 .

The human microbiome is in the focus of intensive research and it is still not fully understood. Since December 2007, the US American Human Microbiome Project (https://hmpdacc.org/), initiated by the National Institute of Health, investigates the sequencing of all genomes of microorganisms living on humans. The investigation is based on specimens from mouth, pharynx and nose, skin, gastrointestinal tract, and female urogenital tract. A specific registry was established to facilitate the cooperation between the single groups 3 .

Since 2008, the National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) examines separately the oral microbiome. It already includes more than 600 microorganisms. At the same time, also the microbiomes of other defined areas of the body are evaluated. With the background of those intensive scientific investigations, the specific literature on the significance of the microbiome has increased exponentially during the last years. Currently more than 30,000 publications are found in this field, among those 400 specifically for the discipline of otorhinolaryngology. Even if many aspects regarding the microbiome are still not clarified, relevant basic knowledge is now available on all sub-specialties of otorhinolaryngology.

Peer-reviewed publications on “microbiome” increased enormously. Fig. 1 describes the number of publications listed under www.pubmed.com in comparison with publications that are relevant for the field of otorhinolaryngology. This aspect was defined by entering the key words of “microbiome AND (rhinology or otology or otitis or nose or sinus or (head and neck) or laryngology)”. Of course this list cannot be complete due to the heterogeneity of the discipline. Already the number of the references of this review article illustrates this fact. Fig. 1 , however, demonstrates a similar, dynamically increasing development in otorhinolaryngology with 274 publications in the field of rhinology, 153 in the field of laryngology/oncology, and 124 in the field of otology. Even an intensive research of the literature makes obvious that currently the practical consequences of those articles for the clinic are very limited, because of the low rate of comparability due to rapid technical developments as well as numerous influencing factors. However, for basic research and the development of new therapeutic approaches they might be highly interesting.

Fig. 1.

Fig. 1

Number of publications listed in pubmed with the key words of “microbiome“ (total) or (microbiome AND (Rhinology or otology or otitis or nose or sinus or (head and neck) or laryngology); classified here as “ENT” (last retrieved on October 1, 2017).

Working on the microbiome, several questions have been defined after the development of first technical standards, based on the knowledge of the interactive networking influence of microbiome and host. Fig. 2 summarizes the aspects that will be discussed in the following.

Fig. 2.

Fig. 2

Open questions on the significance of the microbiome.

The human microbiome data portal, available under https://hmpdacc.org/ contains the current state of research on the microbiome including data of healthy individuals. In detail, the buccal mucosa ranks second regarding most hits, followed by gingiva (ranking 5 th ), nasal cavity (7 th ), dorsum of the tongue (9 th ), nares (10 th ), palatal tonsils (11 th ), right (12 th ) or left (15 th ) retroauricular fold, hard palate (13 th ), pharynx (14 th ), saliva (16 th ), nasopharynx (23 rd ), and oral cavity (34 th ). Hereby the available reference data are also classified according to technical aspects.

2. Terminology

For better understanding of the following paragraphs, but also the international literature, some terms will be introduced here as technical terms:

Taxon/taxa is the umbrella term for one/several groups of living beings that can be differentiated from other organisms due to common characteristics. With regard to the microbiome, this term is used for the level of microorganisms ( Fig. 3 ).

Fig. 3.

Fig. 3

Taxonomic classification in the international use.

Modifications of the microbiome are generally reported as alpha and beta diversity. Alpha diversity describes the level of different types of microorganisms that are found in an individual or an examined area of this individual. Alpha diversity represents a measure for the biodiversity of a habitat. This expression was introduced by the ecologist Robert Whittaker in 1960.

For example, the oral cavity disposes of the highest alpha diversity of the gastrointestinal tract with more than 1,000 different bacterial species including aerobe and anaerobe species.

The beta diversity is the variability between individuals of the same habitat with regard to the identified microorganisms. This term was well introduced by Robert Whittaker and characterizes the measure of the difference in the biodiversity.

Gamma diversity is a measure of the species diversity in a landscape, beginning with about 1,000 ha up to about 1,000,000 ha; together with the epsilon diversity describing the biodiversity of several landscapes in one geographic region, they play a role in biological literature but not in the field of medicine.

The relationship between a modified microbiome and a specific disease is called dysbiosis, probably originating from a bacterium that uses an ecological niche as “alpha bug” 2 . Dysbiosis-related inflammations cause carcinogenesis via different metabolic pathways in the same way as chemical carcinogens like acetaldehyde and N nitrate compounds.

2.1 Taxomomy of bacteria

In the context of microbiome examinations, the classification of bacteria is performed based on the appearance, physiology, and phylogenetics. For description of the bacteria, their names were defined according to the requirements of the International Code of Nomenclature of Bacteria (ICNB) revised in 1980. Each term is based on stored type material that is the basis for classifying a bacterium to a taxon.

A microorganism is clearly defined based on its stored type material as identifiable taxon. The term and classification are subject to scientific modifications. The current taxa are published in the respective version of Bergley’s Manual of Systemic Bacteriology 6 .

3. General Factors Influencing the Microbiome

Traditional culture procedures only allow isolating and characterizing a very low percentage of the microorganisms of a microbiome. Those procedures have been replaced by culture-independent DNA-based sequencing methods.

3.1 Procedure of a microbiome study

In the context of microbiome trials, those techniques are applied nearly exclusively. They amplify and sequence the genetic information of small subunits of ribosomal RNA (16 S-rRNA) for taxonomic characterization. The ribosomal nucleic acids are part of the bacterial ribosomes that build proteins of the according genetic information. They are sequenced in order to identify and clearly differentiate different types of bacteria. 16 S-rRNA is highly conserved with regard to genetic information and thus appropriate for taxonomic classification.

The general procedure of a microbiome trial should be standardized ( Fig. 4 ).

Fig. 4.

Fig. 4

Procedure of a microbiome study with possible influencing factors (modified according to 7 ).

The collected tissue specimens are frozen and stabilized without contaminations, the DNA is extracted and sequenced by means of amplification to 10 5 sequences rRNA or replicated to 10 7 sequences as metagenomics by means of a shotgun PCR, also called shotgun metagenomics. On the one hand, the diversity of the specimen is evaluated with the detection of rare or excessive quantities (abundance) of specific microbes, also comparing the structures, as well as the matrix of the microorganisms that were found.

The sequencing methods with broad spectrum (chain-termination method/Sanger sequencing, pyrosequencing, sequencing-by-synthesis) vary according to technical features such as the maximum read length of the sequence, number of sequences, time per run, and throughput volume. Hereby, conventional sequencing by means of Sanger sequencing that is relatively time-consuming and allows the analysis of smaller DNA molecules plays the role of confirmation technique. Nowadays, methods of the second generation are applied for time-effective analysis because they replicate much faster. In the context of the references included in this article, the majority used the pyrosequencing technique.

3.2 Sampling technique and technical aspects

For sample collection, several procedures were and are applied, sometimes even parallel. Many published data are based on smears, tissue biopsies, aspirates, irrigation etc. As gold standard of sampling and post-processing, the protocols published in 2013 by the Human Microbiome Project were applied. Meanwhile, those protocols have been regionally developed as well as the biostatistical and bioinformatic evaluation so that the comparability of the presented results is limited and contradictions have to be questioned methodically. The complexity of interactions between microbiome and host, but also the microorganisms involved in the microbiome, has complicated research significantly. The improved availability of next-generation sequencing techniques, also based on research of proteomics and genomics, allows more and more research groups assessing parameters of the microbiome. The evaluation, however, is so complex that the results are reduced to the diversity of the microbiome. In this context, bioinformatics have to develop in order to report data gained by cooperation of patient/physician/microbiologist in a way that is free of false-negative errors.

All the technical steps described in Fig. 4 for determination of the microbiome have an impact on the outcome.

Each step in the procedure may change the quantity and the quality of the extracted DNA. Contamination is a relevant problem because of the sensitivity of subsequent procedures. However, investigations on the technical impact of different influencing factors provide contradictory statements: Storage at room temperature significantly modified the microbiome of stool in one study 8 , in another it did not relevantly change 9 , while storage of the specimens at −80+°C for different durations showed lower effects on the diversity 10 11 . On the other hand, the vaginal microbiome seems to be more stable 12 . ENT-specific trials are rare. For the laryngeal microbiome a comparability for swab- and biopsy-based studies could be revealed in an animal model of pigs 13 . The same findings appeared in patients with chronic rhinosinusitis (CRS) with 36 identified bacterial species in the tissue and 30.6 specimens taken by a swab 14 .

In order to meet those diverse influencing factors, several efforts have been undertaken to standardize the procedure of microbiome trials. Available online under http://microbiome-standards.org/#SOPS , international experts provided standard operating procedures (SOP). Those SOPs give valuable hints for a standardized procedure regarding sampling (e. g. of saliva or buccal swabs). This problem has already been discussed in several journals 15 , even in the internal guideline on the publication of microbiome data 16 . There are different software packages that can evaluate biostatistically the complex data structure of microbiome data (low number of detected bacteria with at the same time high number of different species, high homology of the evaluated bacteria with 97% matches and same phyla), such as QIIME 17 18 19 20 21 , MOTHUR 22 23 , RDP tools 24 25 26 27 , and VAMPS 28 . Based on the matches with the selected primers, operational taxonomic units (OTU) are identified. Comparing 16 s RNA gene amplification – the current gold standard – and MALDI-TOF (matrix assisted laser ionization mass spectrometry – time of flight), the examination of a microbiome regarding Streptococcus viridans by means of MALDI-TOF achieved a sensitivity of 80% and a specificity of 100%. The authors recommended to apply different assessment procedures in parallel, which, however, would eliminate the advantage of time efficiency of the sequencing methods of the second generation 29 . In contrast, MALDI-TOF supports the identification of Gram-positive bacteria (here: Corynebacteria) when conventional 16 s RNA sequencing failed 30 . So MALDI-TOF increased the detection rate to 92.49% compared to 85.89% by means of conventional microbiological examination 31 .

A comparative evaluation of the same specimens on 3 different industrial sequencing platforms could identify further relevant deviations in the data analysis 32 . While the profiles of the microbiome composition were similar, the average abundance of the species depending on the platform, the used database, and the bioinformatics analysis seemed different. Detailed assessment of the bioinformatic analysis criticized especially the high number of false-positive detections 33 . Even the reference literature has an impact on the presented final result, but less than the one of the above-mentioned parameters 34 .

In summary, the comparability of microbiome data is generally considered as being limited which also applies to the data presented in the following 35 . With this background, efforts have to be supported unconditionally regarding a standardized reporting of the original articles under methodical aspects.

3.3 General influencing factors

Gender, age, geographic location, climate, culture, and lifestyle are general influencing factors on the diversity of the microbiome that are discussed in the literature. But also different percentage distributions of various bacteria at different times of the day were reported 36 . Alternatively, microbiome-associations are explained by host-related factors such as smoking, alcohol, diet, obesity, physical (in)activity, and polymorphism in important human oncogenes. Some factors with significance for the interpretation of the “normal” microbiome will be discussed more in detail.

3.1.1 Age

During the development of an adolescent to an adult animal, the nasal microbiome seems to mature. In an animal model of pigs, it was possible to identify that in the comparison of newborns to animals of 2–3 weeks of age the alpha diversity increased and characteristic taxa could be detected 37 .

In a murine model, the comparison of young, middle-aged, and old mice revealed significant changes of the microbiome, even after contact with Streptococcus pneumoniae (added by local rinsing of the upper respiratory tract). Resident Staphylococci and Haemophilus were sensible against Streptococcus. Furthermore, the colonization with Streptococcus pneumoniae increased with age and the mucociliary clearance seemed to be less effective 38 .

Regarding chronic rhinosinusitis (CRS), an age-related reduction of S100 proteins was considered as being the origin for a modified microbiome with development of CRS at higher age 39 . This probably provides an approach for a specific endotype of CRS in higher ages.

Age-related effects can also be found in the oropharynx. The microbiome in older people is characterized by an increased abundance of Streptococci, especially Streptococcus salivarius, but not Streptococcus pneumoniae 40 .

In comparison to younger people of the same gender, the microbiome of the stomach in 100-year-old people revealed another composition with consecutively increased plasma levels of IL6 and IL8. Generally, the biodiversity reduces with higher ages with a tendency to increase optionally pathogenic bacteria. Bacteria rather decrease, that are relevant for the metabolism of enterocytes of the gut because of their production of short-chain fatty acids (e. g. butyrate) 41 .

Meanwhile, age effects have become a therapeutic objective via intervention of the microbiome: a tryptophan-reduced diet was applied in mice in order to delay premature aging by increasing the diversity of the microbiome 42 . The positive effect of the tryptophan diet is expected to be influencing the B cell differentiation. In the microbiome, an accumulation of Akkermansia was achieved, which is a species that is often detected in healthy individuals and that is particularly negatively influenced by the aging process of the host 43 .

3.3.2 Gender

Data on gender-specific differences in the context of the microbiome are currently considered as being less reliable although some studies could identify gender-specific differences in nutrition known for the gastrointestinal tract because of the role assignment. Bacteroides, Ruminococci, Eubacteria, and Blautiae were found more often in males and Treponemen in females 44 45 . It is assumed that the observed gender differences are a consequence of different lifestyles and nutrition.

3.3.3 Smoking

Cigarette smoke is supposed to increase the permeability of the epithelial barrier against microorganisms and thus contribute to proneness to infection. The origin might be a dysbiotic microbiome that triggers for example carcinogenesis in the area of the larynx and lung.

Investigations on the effect of smoking show, independently from the selected technique, that smoke modifies the composition of oral bacteria 46 47 , especially of favorable aerobic species 48 . Furthermore, bacteria may activate the carcinogen nitrosamine 49 50 . Smoking makes the oral cavity more susceptible to proliferation of pathologic bacterial species 51 . Accordingly, the alpha diversity of the subgingival microbiome was significantly reduced in smokers. The analysis of the beta diversity also revealed differences of smokers compared to patients with chronic periodontitis of other genesis 52 . Similar changes that, however, were only detected on one side, were obvious in the nasopharynx 47 and the saliva 47 . In contrast, effects on the nasal microbiome could not be revealed 53 .

Analysis of the exhaled air 54 showed 3 relevant modifications: increased pro-inflammatory markers were detected as a hint to increased free oxygen radicals. They revealed changes in the endogenous metabolism. Second, exogenous components were found 55 . Finally, also here an interaction between the microbiome and the host was obvious. While 12 metabolites could help differentiating smokers from absolute non-smokers, only the metabolites of eucalyptol and benzyl alcohol even revealed differences in the exhaled air between active and former smokers 54 .

Regarding biopsies of the lung, 2 taxa with disproportionate relative abundance, i. e. Variovorax and Streptococcus, were found 56 . Specific for the occurrence of squamous cell carcinomas, more Acidovorax could be revealed in comparison to control tissue.

Also passive smoking changes the microbiome 57 . The microbiome of the nasopharynx and oropharynx of children depends on the smoking behavior of the mother. The detection rate of Streptococcus pneumoniae is significantly increased in active and passive smokers while Haemophilus influenzae seems to be unchanged.

3.4 Nutrition

3.4.1 Probiotics

Probiotics are preparations that contain viable microorganisms. Even if general understanding mostly focuses on oral, systemic application – e. g. eating yoghurt cultures to strengthen the intestinal flora – probiotics are not limited to this application but they can also be applied locally in the field of otorhinolaryngology or be relevant for it. For example a reduction of respiratory infections due to probiotics is discussed.

The application as food supplement is best evaluated. Via food, the composition of the intestinal microbiome of humans can be modulated effectively and in a reproducible way within 24–48 h 58 . This also represents an approach for application of probiotics 59 to e. g. stimulate the immune defense. Probiotics include unusable carbohydrates, among them fibers, resistant starch and non-starch polysaccharides, that are not enzymatically digested. Those substances are fermented by the commensal microbiome in the area of the colon/terminal ileum to propionate, butyrate, and acetate 59 . Probiotics influence the composition and activity of the intestinal microbiome and can improve well-being and health of the host 60 . The highest evidence for probiotic effects is available for fructans of the inulin type (fructo-oligosaccharides, inulin, and oligo-fructose) as well as for galacto-oligosaccharides 61 . Those probiotics shall promote the growth of Lactobacilli and Bifidobacteria 62 . In an animal model a modified composition of the intestinal microbiome could be achieved as well as a reduction of the body weight by feeding short-chain fatty acids 63 .

ENT-specifically, an exemplary investigation was performed topically by inoculating Staphylococcus epidermidis with and without Staphylococcus aureus in a mouse model with sinusitis to find out whether the nasal microbiome can be influenced positively 64 . After 3 days of application, more goblet cells were found under inoculation with Staphylococcus aureus alone. Additional inoculation with Staphylococcus epidermidis attenuated this effect significantly while inoculation with Staphylococcus epidermidis alone achieved similar and lower detection rates than control. The concept is based on the assumption that Staphylococcus epidermidis may competitively inhibit the biofilm development by Staphylococcus aureus, for example via inhibitory serine protease EPS. In a pilot study, it could also be demonstrated that Staphylococcus aureus in human carriers can be suppressed by additional inoculation with Staphylococcus epidermidis 65 . This pilot study shows interesting technological approaches, for example also in the context for MRSA eradication by means of antibiotics.

For the oropharynx, it could be revealed that an earlier exposition to Streptococcus salivarius may impede in vitro the cell adherence of Pneumococci 66 . Further probiotic therapeutic approaches are described below in the context of the respective microbiome that should be influenced.

3.4.2 Alcohol

Tobacco and alcohol abuse are significant risk factor for developing head and neck cancer 67 , and it is assumed that microbes mediate those risk factors. So the bacterium Neisseria that is often found on the oral mucosa disposes of alcohol dehydrogenase that transforms ethanol to the carcinogenic acetaldehyde 68 . However, the respective studies for the field of malignant diseases of the oral cavity are based mainly on tissue based examinations with older technologies 50 . Alcohol addiction seems to be associated with determined alterations of the gastrointestinal microbiome that can be found in the stool 69 . The quantity of Klebsiella increases while Coprococcus, Faecalibacterium praunitzii, and Clostridiales decrease. Additionally, alterations are found that can also be observed in liver cirrhosis. They include the reduction of Aciaminococcus and an increase of various Lactobacilli and Bifidobacteria.

3.5 Antibiotic therapy

A short-term effect of antibiotic therapy on the microbiome can be expected. After 5 days of oral application of amoxicillin with clavulanic acid a significantly reduced bacterial concentration could be revealed 70 . In particular, also the Bifidobacteria concentration in the stool was reduced. While this effect could be expected at that time, a follow-up examination 2 months after antibiotic therapy revealed a persisting alteration of the microbiome. So otherwise healthy individuals still had an abundance of Bifidobacteria that was reduced to 60% of the original value. An older investigation showed an increased resilience of the gastrointestinal microbiome compared to amoxicillin alone 71 , but it confirms changes more than 2 months after antibiotic therapy.

Antibiotic treatment in early childhood is associated with a higher risk to develop asthma later. So an antibiotic therapy at the ages of 0–2 years increases the risk to develop asthma at the age of 7.5 significantly (odds ratio 1.75; 95% confidence interval of 1.40–2.17) while multiple antibiotic therapies increase this risk even further (e. g. 4 or more therapies: odds radio 2.82, 95% confidence interval of 2.19–3.63). With the background that children suffering from atopic disease currently receive about 1.9 times as frequently antibiotic than children without atopy 72 , the prescribing behavior of ENT specialists should be questioned critically.

3.6 Vaccination

Vaccination against Haemophilus influenzae does not relevantly modify the microbiome of the nasopharynx. This seems to indicate a directed elimination of the target 73 . In the context of a prospective, placebo-controlled study 74 before and in parallel to vaccination against influenza, the oral application of Lactobacillus casei 431 showed no changes in the response rate by serum conversion, while the duration of respiratory complaints was shorter when the probiotic was applied (average±standard deviation: 6.4±6.1 vs. 7.3±9.7 d, P=0.0059). Since the influence of vaccination on the microbiome has been evaluated clearly less frequently, methodical weaknesses cannot be excluded.

4. Microbiome in Otorhinolaryngology

4.1 Ear

Despite the common pathophysiology of adenoids and chronic otitis media with effusion, the microbiomes are totally different. In otitis media with effusion, Alloiococcus otitidis (23% average relative abundance), Haemophilus (22%), Moraxella (5%), and Streptococcus (5%) were found while the detection of Alloiococcus and Haemophilus correlated inversely and Haemophilus occurred more frequently in bilateral otitis media with effusion 75 . As bacterial pathogens, in addition Turicella and Pseudomonas were found increasingly in the age group older than 24 months 76 . Whereas Turicella and Actinobacteria were more rarely associated with severe conductive hearing loss, Haemophilus seems to be clearly more often causal 76 . Similar microbiomes were detected in Australian children originating from aborigines 77 . In contrast, significant differences could be found between the microbiome of otitis media with effusion and the one of the palatine tonsil 78 . According to other investigations, pseudomonas dominated the microbiome of the middle ear with a detection rate of 82.7% 78 . Genetic differences could be described as possible causal influencing factor for different characteristic microbiomes 79 .

4.2 Nasopharynx

Hyperplasia of the adenoids is one of the most frequent reasons to present a child to an ENT-specialist. The colonization of the nasopharynx in children was already described above with regard to the pathophysiological correlation with chronic otitis media with effusion. Pseudomonas, Streptococci, Fusobacteria, and Pasteurellaceae dominate the microbiome of adenoids 78 .

Adenoids are frequently associated with acute rhinosinusitis 80 . Accordingly, adenotomy was approved as possible therapy of chronic rhinosinusitis in children 80 . An explanation for the interactive influencing of adenoids and paranasal sinuses in children is the detection of biofilm on the adenoid surface 81 82 . A prospective observational study in children between the ages of 1 and 12 years revealed a high association between the microbiome on adenoids, their center, as well as the middle nasal meatus. This shows that recurrent infections of the paranasal sinuses and the nasopharynx in our pediatric patients may be explained on a bacteriological basis by the re-distribution of certain microbiomes. Furthermore, the clinical success of adenotomy in patients with concomitant acute rhinosinusitis can be explained 83 . In the area of adenoids, mainly Haemophilus, Staphylococcus, and Streptococcus are found 80 .

However, no significant correlation between the colonization of the adenoid surface and the detection of microbes in the center of adenoids could be revealed in other studies 83 84 so that the association of the superficial microbiome and the microbiome of adenoid tissue cannot be confirmed.

Former premature children have a stronger heterogeneity of the nasopharyngeal microbiome than normal children of the same age. Hereby, Proteobacteria were increased and Firmicutes were reduced. These differences persisted despite infection with a rhinovirus which was interpreted as a hint to persisting immune modulation regarding inflammations of the respiratory tract after premature delivery 85 .

In the nasopharyngeal microbiome of children with asthma between 6 and 18 years Moraxella, Staphylococcus, Dolosigranulum, Corynebacterium, Prevotella, Streptococcus, Haemophilus, Fusobacterium, and Neisseriaceae were found in 86% of all microbiome examinations. Different seasons could not reveal relevant differences of the alpha and beta diversity. But the relative percentage of Haemophilus, Moraxella, Staphylococcus, and Corynebacterium varied between summer and fall as well as within the evaluated age groups 86 .

Finally, an acute viral infection with human rhinovirus or respiratory syncytial virus changed the profile of the nasopharyngeal microbiome in an evaluation of n=123 healthy children regarding the bacterial composition 87 . So in summary, the microbiome of the nasopharynx has to be considered as highly variable.

Because of possible pathophysiological correlations between acute viral infection of the upper airways with the nasopharynx as possible reservoir and the risk to develop pediatric bronchial asthma 88 , further investigations on the microbiome of the nasopharynx were conducted. Prospectively, an initial colonization with Staphylococcus or Corynebacterium before stable colonization with Alloiococcus or Moraxella could be detected in 234 children. Virus associated changes could be found due to the transient detection of Streptococcus, Moraxella, or Haemophilus. An early asymptomatic colonization with Streptococcus turned out to be a significant predictor for later development of bronchial asthma 89 .

In cases of pediatric pneumonia acquired in the population, investigations revealed bacterial genesis in 95.13% and only in 0.72% viral genesis based on the microbiome. Most frequently, Paramyxoviridae, Herpesviridae, Anelloviridae, and Polyomaviridae were detected 90 . An extensive assessment of the viruses in the nasopharynx revealed a viral origin of about 1/7 of all microbiomes in more than 700,000 microbiome data of 210 patients. Paramyxoviridae, Picornaviridae, and Orthomyxoviridae were detected and additionally a new rhinovirus C was found 91 . These evaluations on the viral components of the microbiome indicate a high and nearly unknown percentage that interacts closely with the bacterial microbiome.

Regarding therapy of the nasopharyngeal microbiome, another publication is available. According to this study, Pneumococci were found in the microbiome of about 25% of the examined adults. An intranasal application of Pneumococci in adults with high diversity of the nasopharynx led more often to subsequent pneumococcal colonization 92 , which then favored an increased diversity of the microbiome.

4.3 Nose and paranasal sinuses

The endonasal microbiome is highly variable 93 . Therefore the nasal microbiome is significantly different from the less diversified microbiome of the lower airways. However, reports exist about significant cohort differences 93 . In this context, also intraindividual differences of the microbiome of the middle nasal passage, the middle turbinate, and the inferior turbinate were found 93 . Aerobic bacteria are observed more frequently in the nasal cavity with about 80% of the microorganisms compared to anaerobes 94 .

In all patients who underwent surgery for control or for CRS, also fungi could be found in the nose 95 . The alpha diversity of the fungi was slightly lower in the controls compared to CRS (8.18 vs. 12.14, respectively). After surgery of the nasal cavity, the alpha diversity decreased, which was mainly associated with a reduction of Fusarium and Neocosmospora.

With regard to therapeutic change of the nasal microbiome, a double-blind cross-over study was performed: a mixture of Lactobacilli and Bifidobacteria was applied once in healthy individuals without detecting side effects or changes of the commensal bacterial as well as selected cytokines (including IL8 and IL15) 96 .

4.3.1 Allergic rhinitis

In addition to the traditional hypothesis that hygiene promotes allergic sensitization, the microbiome/microflora hypothesis was established 97 . Disturbance of the gastrointestinal microbiome interferes with immune mechanisms of the tolerance development. In this way, the increased incidence of allergic diseases 98 99 and bronchial asthma 100 might be explained. It is based on investigations according to which a reduced diversity of the gastrointestinal microbiome is associated with a higher prevalence of allergic diseases in schoolchildren 98 99 .

However, the exact mechanism is currently not clear. The hypothesis is supported by the detection of pathophysiological relations between a disturbed gastrointestinal microbiome and the occurrence of asthma 101 102 103 . One possibility of influencing the local and systemic inflammation of the respiratory tract 104 is the formation of short-chain fatty acids that are built by fermentation of fibers by intestinal bacteria 105 106 . The increased risk of developing bronchial asthma after antibiotic therapy in early childhood was already mentioned.

4.3.2 Microbiome and chronic rhinosinusitis

The microbiome of patients with CRS varies enormously. There are probably significant differences in the composition of CRS without nasal polyposis (CRSsNP) and with nasal polyposis (CRSwNP) 93 . CRSsNP seems to be characterized by a microbiome with reduced diversification as well as anaerobic enhancement 93 . Streptococcus, Haemophilus, and Fusobacterium are measured in increased quantities. CRSwNP, however, is characterized by increased percentages of Staphylococcus, Alloiococcus, and Corynebacterium. Hereby, the detected variations are significantly different from the microbiome of patients with allergic rhinitis.

In the middle nasal meatus of patients with rhinosinusitis mainly Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, and Propionibacterium acnes were found 107 . Also in the maxillary sinus predominantly aerobic bacteria (about 60%) were detected. Most frequently, Streptococci (28.8%) and Prevotella (17.8%) were found. Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, and Staphylococcus aureus, however, were identified in less than 10% of the specimens 94 . The variance between the patients seems to be higher than in the different nasal regions. In particular, the middle nasal meatus reflects representatively the microbiome of the entire nose and paranasal sinuses (compared to nostrils, maxillary sinus, frontal sinus, sphenoid sinus). However, it overestimates the incidence of Corynebacterium 108 .

4.4 Oral cavity

The subgingival microbiome of Chinese twins is exemplary for the high variety characterized by 18 phyla and 179 genu 109 . Caries was associated with a high percentage of Actinobacteria and the reduced detection of Fusobacteria. In adults, more often Treponemen were found, but these seem to be typical for adult periodontitis. Further marker of periodontitis were Spirochetes, Synergistetes, Firmicutes, and Chloroflexi whereas Actinobacteria, especially Actinomyces, was attributed a rather protective value 110 . Since very recent data consider reduction of alpha diversity as hint for periodontitis without mentioning specific microorganisms, the scientific discussion seems to be controversial 111 . Twin studies indicate that the genetic influence on the oral microbiome is subordinate to the environment, in particular nutrition 109 . Pregnancy also has a subordinate impact on the composition of the subgingival microbiome 112 . In contrast, a genetic disposition for caries seems to favor this disease in a higher measure than the microbiome of the dental plaque 113 . Nonetheless, Streptococcus, Veillonella, Actinomyces, Granulicatella, Leptotrichia, and Thiomonas 114 , Streptococcus, Granulicatella, and Actinomyces 115 , and Streptococcus and Veillonella (in children younger than 30 months) 116 were frequently found with simultaneously present caries. More favorable and without caries detection is probably a microbiome containing Leptotrichia, Selenomonas, Fusobacterium, Capnocytophaga, or Porphyromonas 116 .

4.4.1 Microbiome of saliva

Saliva contains an extremely high number of microorganisms 117 118 including Streptococcus, Dialister, and Veillonella 119 . Comparing the saliva of different ages, the alpha diversity in children seems to be higher while the absolute abundance in adults is higher with similar composition of the taxa 120 . The central healthy microbiome of saliva encompassed the taxa of Streptococcus, Prevotella, Neisseria, Haemophilus, Porphyromonas, Gemella, Rothia, Granulicatella, Fusobacterium, Actinomyces, Veillonella, and Aggregatibacter 120 or Streptococcus, Prevotella, Haemophilus, Lactobacillus, and Veillonella 121 , respectively. Lower percentages of Neisseria, Aggregatibacter (Proteobacteria), Haemophilus (Firmicutes), and Leptotrichia (Fusobacteria) could be detected in patients with squamous cell carcinomas of the oral cavity or the oropharynx 121 . Higher rates of Neisseria, Aggregatibacter, Haemophilus, or Leptotrichia, however, indicated a possible tumor development. A higher sugar percentage in the mouth, e. g. in the context of diabetes mellitus type II, reduces the absolute abundance of microorganisms in the saliva and shifts the relative abundance in adolescents 122 . Only some studies could confirm a correlation with caries 123 , other could not 124 . However, there seems to be an association with poor oral hygiene 125 .

Technically, the circadian rhythms of immunoglobulin A production in the saliva is important. Regarding sampling, aspiration turned out to be superior to swabs 126 . Furthermore, also the detection of different bacteria such as Firmicutes including Streptococcus and Gemella, and Bacteroidetes including Prevotella 127 is subject to variation. Accordingly, the times of the day when sampling is performed should be reported in studies on the microbiome of saliva.

From a technical point of view, it is of fundamental importance to perform an investigation on the re-test-reliability of the microbiome data of saliva 128 . Sampling performed every 2 months over one year revealed significantly different absolute frequencies of the detected taxa, even on the level of phyla, and interindividual differences regarding the composition of the microbiome with significantly different alpha diversity. Also the pH value of the saliva varied in the course of the year 128 . Those data relativize the interpretations of differences in the microbiome (also of other areas), while the authors allot the observed effects to the seasons. Specimens that were taken in shorter intervals of e. g. one week, seem to be more stable with regard to their reliability 129 . Because of the stronger influence of the environment of the individual compared to genetics 130 , the suggestion was made to take this fact into account for recruiting control groups.

More than 70% of the DNA in the saliva can be allotted to bacteria, only less than 1% belongs to viruses 131 . The salivary microbiome is increasingly examined in the context of systemic diseases, e. g. in order to diagnose more easily autoimmune diseases 132 or for early cancer diagnosis 133 . So the microbiome in M. Behcet patients seems to be less diverse with a high abundance of Haemophilus parainfluenzae, but a clear reduction of Alloprevotella rava and genu Leptotrichia 134 .

The application of amoxicillin for 5 days increased the relative abundance of Veillonellaceae, Actinomycetaceae, Neisseriaceae, Prevotellaceae, and Porphyromonadaceae while Streptococcaceae and Gemellaceae decreased. In contrast, the application of azithromycin led to an increase of Bifidobacteriales and Veillonellaceae while Clostridiales, Neisseriaceae, and Erysipelotrichaceae were reduced 119 .

For stimulation of the immune defense, possibly the intake of Lactobacillus kunkeei YB38 is useful because it increased the immunoglobulin A secretion in the saliva in a mouse model 135 . In contrast, the oral intake of Lactobacillus paracasei F19 had no influence on the incidence of caries in children between 4 and 13 months 136 . The regular application of commercially available probiotics reduced the detection of fungi significantly, especially Candida albicans 137 , but the clinical relevance is not yet confirmed. At the same time, the alpha diversity of the salivary microbiome seems to increase when probiotics are applied 138 . Another aspect of the interventional study investigated the influence of xylitol or sorbitol containing chewing gum on the microbiome. Children were asked to eat about 6 g per day as chewing gum for 5 weeks. While xylitol reduced Streptococci detectable by means of culture, sorbitol led to a significant decrease of Veillonella atypica in the salivary microbiome 139 .

4.5 Pharyngeal space

Streptococci dominate the microbiome of healthy tonsils with a relative abundance of almost 70% 78 . In the pharynx, this dominance is not so high with about 50%, followed by Fusobacteria (about 8%) and Prevotella (about 7%) 140 141 142 . Within Waldeyer’s tonsillar ring, sampling reveals a high variance only due to the exact location (e. g. posterior pharyngeal wall versus palatine tonsil) 143 .

Tonsillar hyperplasia in children leads to the detection of Streptococcus (21.5%), Neisseria (13.5%), Prevotella (12.0%), Haemophilus (10.2%), Porphyromonas (9.0%), Gemella (8.6%), and Fusobacteria (6.4%) 144 145 . Children suffering from PFAPA syndrome (periodic fever, aphthous stomatitis, pharyngitis, and adenitis) have a different microbiome on their palatine tonsil. It is characterized by an increased detection and increased relative abundance of Cyanobacteria to the detriment of the relative abundance of Streptococci 146 .

In cases of chronic tonsillitis, the culture-based identification of pathogens is successful only in about 60% 147 148 . Anaerobes are found in about 40–60% of the patients at the surface and in nearly 50% within the palatine tonsil 143 147 . Most frequently, Porphyromonas is found. Chronic tonsillitis in adults seems to be associated with Fusobacterium necrophorum, Streptococcus intermedius, and Prevotella melaninogenica/histicola 144 145 .

An interventional study on the influence of gargling with benzethonium chloride in patients with halitosis could not reveal any changes of the tonsillar microbiome 149 .

4.5.1 Excursion: Microbiome and immune system

The basis of the functional significance of the microbiome in the pathogenesis of different immune mediated diseases is the modulation of the innate as well as adaptive immunity due to the microbiome and vice versa the influence of immune cells on the microbiome 150 . The microbiome influences the immunity especially via interleukin 18 and 22 mediated signaling pathways 151 152 . In addition, microbiome and B and T cells may influence each other and thus the microbiome can have an influence on the adaptive immune system 150 .

In this context it should be mentioned as an example, that women show a higher correlation between tonsillectomy and the occurrence of sarcoidosis (odds ratio: 3.30; 95% confidence interval 0.88–12.39) compared to males (odds ratio: 1.26; 95% confidence interval 0.10–16.52) 153 . This indicates a possible influence of the pharyngeal microbiome on the development of autoimmune diseases in a similar way as the data on the effectiveness of chemotherapies with different microbiomes (see below).

4.6 Larynx

The laryngeal microbiome is significantly different from the one of the pharynx 140 . Primarily, consistent Firmicutes, Proteobacteria, and Bacteroidetes are reported 154 . More detailed investigations also state incidences: the detected phyla encompass Firmicutes (54%), Fusobacteria (17%), Bacteroidetes (15%), Proteobacteria (11%), and Actinobacteria (3%). The identified genu include Streptococcus (36%), Fusobacterium (15%), Prevotella (12%), Neisseria (6%), and Gemella (4%) 140 .

Another investigation of the same group revealed a broad variance of the taxa with different percentages 155 . The phyla Firmicutes (46.4%), Bacteroidetes (18.7%), Fusobacteria (16.9%), Proteobacteria (13.0%), and Actinobacteria (2.4%) could be found which confirmed earlier results. The genu Streptococcus (41.7%), Helicobacter (2.6%), and Haemophilus (2.3%) showed a similar dominance. In comparison to the location of the vocal folds, the microbiome of the false vocal folds is not significantly different 13 . Technically, the results of biopsies and swabs were similar so that less invasive techniques for studies and control tissues are justified 13 .

4.7 Trachea

In newborns, Acinetobacter can be reliably detected as part of the tracheal microbiome 156 . So the general assumption that the airways of newborns and especially the trachea are sterile seems to be disproved. A reduced alpha diversity of the tracheal microbiome indicates an increased risk to develop a specific chronic pulmonary disease, i. e. bronchopulmonary dysplasia. Likewise, the oral and tracheal diversity in intubated patients was reduced. Often the taxa detected by means of sequencing could not be identified by means of culturing 157 . Intubated patients with pneumonia had a better prognosis with a relative abundance of <4.6% of Pseudomonas and <70.8% of Staphylococci 158 . Tracheostomized patients often showed Haemophilus in the microbiome in cases of infection. This increase occurred to the detriment of Acinetobacter, Corynebacterium, and Pseudomonas. In the context of infection, alpha and beta diversity decrease significantly 159 .

4.8 Esophagus

4.8.1 Gastro-esophageal reflux

An investigation revealed that reflux has no impact on the laryngeal microbiome 160 . The application of proton pump inhibitors in newborns with gastro-esophageal reflux 161 neither changed significantly the alpha nor the beta diversity but representatives of the genu Lactobacillus and Stenotrophomonas decreased to the detriment of Haemophilus. After therapy interruption, the alpha and beta diversity re-increased together with the relative abundance of the phyla Firmicutes, Bacteroidetes, and Proteobacteria. In this way, the microbiome reflects the age and the diet.

4.8.2Neoplasms

Squamous cell carcinomas and adenocarcinomas are the most frequently occurring malignant neoplasm in the area of the esophagus. The development of an adenocarcinoma seems to be favored by gastro-esophageal reflux that also influences the complex microbiome of the esophagus and is possibly a co-factor of the pathophysiology of Barrett’s esophagus 162 . The relative risk to develop an adenocarcinoma amounts to 30–400 in gastro-esophageal reflux patients 163 .

The normal microbiome of the esophagus seems to be characterized by Gram-positive bacteria (phylum Firmicutes, especially with genus Streptococcus) 164 . Reflux as well as Barrett’s esophagus changed this image in favor of more Gram-negative anaerobes of the phyla Bacteroidetes, Proteobacteria, Fusobacteria, and Spirochetes). In addition, the relative incidence of taxa seems to be more important for the pathophysiology than the absolute quantity of bacteria. So more frequently, Veillonellae (19%), Prevotellae (12%), Neisseriae (4%), and Fusobacteria (9%) were detected in the context of reflux disease or Barrett’s esophagus.

In order to better examine the impact of gastro-esophageal reflux for example also on the risk to develop ENT-specific cancer, data material from the NordASCo cohort 165 is currently evaluated. A total of 945,153 patients with gastro-esophageal reflux from Scandinavian countries were assessed, 48,433 (5.1%) of them underwent surgical intervention for reflux control.

5. Head and Neck Cancer and its Treatment

5.1 Carcinogenesis

Currently it is assumed that about 20% of all cancer diseases are caused by microbial pathogens 166 . In otorhinolaryngology, e.g.the role of human papillomavirus is acknowledged. A shift within the microbiome may additionally favor carcinogenesis via chronic inflammations because protecting factors such as protective microbial peptides are missing, toxins accumulate or pathogens proliferate. Even after the development of malignant neoplasms, the microbiome plays an important role. Microorganisms or their metabolites may have an oncogenetic effect, favor tumor growth, provide growth factors, and develop pro-inflammatory and immunosuppressive effects that weaken the endogenous mechanisms of tumor defense.

However, it is a problem to differentiate tumor-associated, rather accompanying changes from those with causal relation. So an increased risk of cancer was proven in dependence of antibiotic application 167 . The risk to develop malignant neoplasms in the area of the oral cavity and the pharynx increases to the relative risk of 1.38 (1.17–1.64; age and gender adapted)in cases of 6 or more prescriptions of antibiotics. In the larynx, the risk to develop neoplasms was even higher with 1.45 (1.08–1.94).

Changes of the oral microbiome are strongly associated with the occurrence of tumors of the oral cavity 168 . A meta-analysis of 8 studies revealed an increased risk of 2.63 (95% confidence interval: 1.68–4.14) to develop malignant neoplasm of the head and neck in cases of periodontitis 169 . Since – as described above – it is associated with changes of the oral microbiome, also differences in the occurrence of head and neck tumors can be expected.

Accordingly, a case control study using specimens of the pharynx, larynx, and also metastases of head and neck tumors showed a lower alpha diversity in tumors compared to normal mucosa of the same location 170 .

Comparing the normal mucosa between the location of the primary tumor as well as a metastasis, the beta diversity reveals significant differences but also between the primary tumor and the metastasis, the beta diversity was clearly different. In comparison to the physiological microbiome of the oral cavity, the tumor microbiome is characterized by the increased incidence of Bacteroidetes, Proteobacteria, Spirochetes, and Fusobacteria with decrease of Firmicutes and Actinobacteria. Primary tumor of the larynx and pharynx revealed an increased colonization with Fusobacteria and decrease of Firmicutes. Finally, Fusobacteria also increased in metastases and especially the percentage of the species Streptococci from the phylum of Firmicutes decreased. Additionally, the detection rate of Proteobacteria was higher.

Furthermore, the risk to develop a lymphoma is explained based on microbiome-assisted approaches. Scandinavian investigations indicate a seropositivity with Borrelia burgdorferi 171 172 . MALT lymphomas in different non-gastro-intestinal organs revealed Chlamydophila psittaci 173 174 .

5.2 Microbiome and checkpoint inhibitors

Approved for treatment of head and neck cancer or in the testing phase are currently antibodies that inhibit PD1 (programmed cell death protein 1, also CD279) or CTLA4 (cytotoxic T lymphocyte associated antigen 4) 175 . PD1 or checkpoint inhibitors were approved for Germany only in the last months (such as Nivolumab). Others are expecting approval here and are already approved by the FDA for treatment of squamous cell carcinomas of the head and neck (such as Pembrolizumab) 176 . PD1 is expressed by activated T lymphocytes, B cells, natural killer T cells (NKT), and Treg cells 177 . They belong to the family of CD28 co-receptors 178 . Hereby, the ligands PD1 and PD2 bind to those receptors; apparently only PD1 is expressed by tumor cells beside antigen presenting cells (e. g. macrophages 179 , 180 ). Furthermore, the expression of PDL1 in some squamous cell carcinomas (skin 181 ) is associated with the tumor stage while the expression of PDL2 is rather determined by the tumor size and the differentiation 181 .

The ligands of PD1 and PDL1 are located in the tumor environment and help that the tumor cells escape from the immune reaction of the host 182 183 . The blockade of this binding causes a clear increase of interferon gamma (IFN-gamma) 184 and thus a significant change of the microenvironment around the tumor. The production of IFN-gamma can be influenced by the intestinal microbiome 185 . Ruminococcus (Gram-negative) as well as Alistipes (Gram-positive) are associated with IFN-gamma production. In contrast, a microbiome enhanced with Lactobacillus can nearly inhibit this IFN-gamma production. Investigations in an animal model of mice indicate that the microbiome may strengthen the effectiveness of anti-PDL1 therapy. Hereby, a microbiome with a high percentage of Bifidobacter shows an improved response.

CTLA4, however, is a global immune defense (checkpoint) to modulate immune responses by down-regulation of CD4+ T effector (Teff) cells and enhanced Treg cell activity 182 183 . Even via this mechanism, the microbiome seems to influence the response of cancer therapies. Mice that are without bacterial colonization or after antibiotic therapy, only show low effects of anti-CTLA4 therapy 186 . Reversely, the CTLA4 treatment modifies the microbiome 186 . Finally, an immune-triggered colitis under CTLA4 therapy with Ipilimumab can be avoided by Bacteroides phlilym enhancement 187 . Furthermore, oral therapy with the antibiotic vancomycin improves CTLA4 immunotherapy 186 .

In an animal model of genetically identical mice with melanoma induction, clearly different response rates on the different microbiome of animals of 2 different breeders could be explained and traced back to the positive effect of Bifidobacteria. The application of Bifidobacteria in animals with poorer response could improve tumor control and IFN-gamma production 188 .

So the microbiome may be considered as biomarker for the therapy response or an approach to positively influence the effectiveness of a therapy.

5.3 Outlook

The treatment of the microbiome opens a completely new field of therapeutic options depending on the material used. Stool transplantation for treatment of Clostridium difficile was classified as treatment with a pharmaceutic by the Federal Institute for Pharmaceutics and Medical Products (Bundesinsitut für Arzneimittel und Medizinprodukte, BfArM) even if a reproducible production of stool according to current pharmacological understanding is currently not possible. So here, a grey area exists that has to be considered critically with regard to probiotic therapies – also in the head and neck. The discussion of modifying the microbiome even by “only” one single antibiotic application helps questioning the prescription behavior under this aspect. Based on the current German guidelines for tonisllectomy, 5-6 antibiotic therapies are previously required, however, in the future data assessment evaluating secondary damage of the microbiome with their impact on the host are reasonable and may help to verify a possibly earlier intervention. Because of the interactions between host and microbiome, also independent from a disease and currently limited knowledge, the microbiome turned out to be an unscheduled parameter of future therapies.

Footnotes

Interessenkonflikt Der Autor gibt an, dass Honorare für Vortragstätigkeiten für die Firmen Pohl-Boskamp, Essex Pharma und Happersberger Otopront gezahlt wurden und er an der Durchführung von Drittmittel-Studien nach AMG für Allakos, Sanofi und GlaxoSmithKline beteiligt war bzw. ist.

Literatur

  • 1.Smith K, McCoy K D, Macpherson A J. Use of axenic animals in studying the adaptation of mammals to their commensal intestinal microbiota. Semin Immunol. 2007;19:59–69. doi: 10.1016/j.smim.2006.10.002. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 2.Sears C L, Pardoll D M. Perspective: alpha-bugs, their microbial partners, and the link to colon cancer. J Infect Dis. 2011;203:306–311. doi: 10.1093/jinfdis/jiq061. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 3.Zhu L, Baker S S, Gill C et al. Characterization of gut microbiomes in nonalcoholic steatohepatitis (NASH) patients: a connection between endogenous alcohol and NASH. Hepatology. 2013;57:601–609. doi: 10.1002/hep.26093. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 4.Zhu Q, Gao R, Wu W et al. The role of gut microbiota in the pathogenesis of colorectal cancer. Tumour Biol. 2013;34:1285–1300. doi: 10.1007/s13277-013-0684-4. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 5.Sheflin A M, Whitney A K, Weir T L. Cancer-promoting effects of microbial dysbiosis. Curr Oncol Rep. 2014;16:406. doi: 10.1007/s11912-014-0406-0. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 6.Boone D R, Castenholz R W, Garrity G M . Springer; 2001. Bergey's Manual ® of Systematic Bacteriology . [Google Scholar]
  • 7.Stallmach A, Vehreschild MJG T. Walter de Gruyter GmbH & Co KG; 2016. Mikrobiom: Wissensstand und Perspektiven. [Google Scholar]
  • 8.Roesch L F, Casella G, Simell O et al. Influence of fecal sample storage on bacterial community diversity. Open Microbiol J. 2009;3:40–46. doi: 10.2174/1874285800903010040. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 9.Tal M, Verbrugghe A, Gomez D E et al. The effect of storage at ambient temperature on the feline fecal microbiota. BMC. Vet Res. 2017;13:256. doi: 10.1186/s12917-017-1188-z. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 10.Carroll I M, Ringel-Kulka T, Siddle J P et al. Characterization of the fecal microbiota using high-throughput sequencing reveals a stable microbial community during storage. PLoS One. 2012;7:e46953. doi: 10.1371/journal.pone.0046953. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 11.Kia E, Wagner Mackenzie B, Middleton D et al. Integrity of the Human Faecal Microbiota following Long-Term Sample Storage. PLoS One. 2016;11:e0163666. doi: 10.1371/journal.pone.0163666. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 12.Bai G, Gajer P, Nandy M et al. Comparison of storage conditions for human vaginal microbiome studies. PLoS One. 2012;7:e36934. doi: 10.1371/journal.pone.0036934. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 13.Hanshew A S, Jette M E, Tadayon S et al. A comparison of sampling methods for examining the laryngeal microbiome. PLoS One. 2017;12:e0174765. doi: 10.1371/journal.pone.0174765. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 14.Bassiouni A, Cleland E J, Psaltis A J et al. Sinonasal microbiome sampling: a comparison of techniques. PLoS One. 2015;10:e0123216. doi: 10.1371/journal.pone.0123216. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 15.Kumar R, Eipers P, Little R B et al. Getting started with microbiome analysis: sample acquisition to bioinformatics. Curr Protoc Hum Genet. 2014;82:18 18 11–18 18 29. doi: 10.1002/0471142905.hg1808s82. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 16.Goodrich J K, Di Rienzi S C, Poole A C et al. Conducting a microbiome study. Cell. 2014;158:250–262. doi: 10.1016/j.cell.2014.06.037. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 17.Navas-Molina J A, Peralta-Sanchez J M, Gonzalez A et al. Advancing our understanding of the human microbiome using QIIME. Methods Enzymol. 2013;531:371–444. doi: 10.1016/B978-0-12-407863-5.00019-8. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 18.Caporaso J G, Kuczynski J, Stombaugh J et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data. Nat Methods. 2010;7:335–336. doi: 10.1038/nmeth.f.303. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 19.Kuczynski J, Stombaugh J, Walters W A et al. Using QIIME to analyze 16S rRNA gene sequences from microbial communities. Curr Protoc Microbiol. 2012;Chapter 1:Unit 1E 5. doi: 10.1002/9780471729259.mc01e05s27. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 20.Leray M, Knowlton N. Visualizing Patterns of Marine Eukaryotic Diversity from Metabarcoding Data Using QIIME. Methods Mol Biol. 2016;1452:219–235. doi: 10.1007/978-1-4939-3774-5_15. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 21.Lawley B, Tannock G W. Analysis of 16S rRNA Gene Amplicon Sequences Using the QIIME Software Package. Methods Mol Biol. 2017;1537:153–163. doi: 10.1007/978-1-4939-6685-1_9. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 22.Schloss P D, Westcott S L, Ryabin T et al. Introducing mothur: open-source, platform-independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities. Appl Environ Microbiol. 2009;75:7537–7541. doi: 10.1128/AEM.01541-09. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 23.Yang S, Liebner S, Alawi M et al. Taxonomic database and cut-off value for processing mcrA gene 454 pyrosequencing data by MOTHUR. J Microbiol Methods. 2014;103:3–5. doi: 10.1016/j.mimet.2014.05.006. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 24.Maidak B L, Olsen G J, Larsen N et al. The Ribosomal Database Project (RDP) Nucleic Acids Res. 1996;24:82–85. doi: 10.1093/nar/24.1.82. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 25.Maidak B L, Cole J R, Lilburn T G et al. The RDP-II (Ribosomal Database Project) Nucleic Acids Res. 2001;29:173–174. doi: 10.1093/nar/29.1.173. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 26.Cole J R, Chai B, Farris R J et al. The Ribosomal Database Project (RDP-II): sequences and tools for high-throughput rRNA analysis. Nucleic Acids Res. 2005;33:D294–D296. doi: 10.1093/nar/gki038. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 27.Bacci G, Bani A, Bazzicalupo M et al. Evaluation of the Performances of Ribosomal Database Project (RDP) Classifier for Taxonomic Assignment of 16S rRNA Metabarcoding Sequences Generated from Illumina-Solexa NGS. J Genomics. 2015;3:36–39. doi: 10.7150/jgen.9204. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 28.Huse S M, Mark Welch D B, Voorhis A et al. VAMPS: a website for visualization and analysis of microbial population structures. BMC Bioinformatics. 2014;15:41. doi: 10.1186/1471-2105-15-41. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 29.Suzuk Yildiz S, Kaskatepe B, Altinok S et al. [Comparison of MALDI-TOF and 16S rRNA methods in identification of viridans group streptococci] Mikrobiyol Bul. 2017;51:1–9. doi: 10.5578/mb.46504. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 30.Barberis C, Almuzara M, Join-Lambert O et al. Comparison of the Bruker MALDI-TOF mass spectrometry system and conventional phenotypic methods for identification of Gram-positive rods. PLoS One. 2014;9:e106303. doi: 10.1371/journal.pone.0106303. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 31.Funke G, von Graevenitz A, Clarridge J E, 3rd et al. Clinical microbiology of coryneform bacteria. Clin Microbiol Rev. 1997;10:125–159. doi: 10.1128/cmr.10.1.125. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 32.Allali I, Arnold J W, Roach J et al. A comparison of sequencing platforms and bioinformatics pipelines for compositional analysis of the gut microbiome. BMC Microbiol. 2017;17:194. doi: 10.1186/s12866-017-1101-8. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 33.Hawinkel S, Mattiello F, Bijnens L et al. A broken promise: microbiome differential abundance methods do not control the false discovery rate. Brief Bioinform. 2017 doi: 10.1093/bib/bbx104. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 34.Lemos L N, Fulthorpe R R, Triplett E W et al. Rethinking microbial diversity analysis in the high throughput sequencing era. J Microbiol Methods. 2011;86:42–51. doi: 10.1016/j.mimet.2011.03.014. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 35.Stulberg E, Fravel D, Proctor L M et al. An assessment of US microbiome research. Nat Microbiol. 2016;1:15015. doi: 10.1038/nmicrobiol.2015.15. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 36.Spor A, Koren O, Ley R. Unravelling the effects of the environment and host genotype on the gut microbiome. Nat Rev Microbiol. 2011;9:279–290. doi: 10.1038/nrmicro2540. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 37.Slifierz M J, Friendship R M, Weese J S. Longitudinal study of the early-life fecal and nasal microbiotas of the domestic pig. BMC Microbiol. 2015;15:184. doi: 10.1186/s12866-015-0512-7. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 38.Thevaranjan N, Whelan F J, Puchta A et al. Streptococcus pneumoniae Colonization Disrupts the Microbial Community within the Upper Respiratory Tract of Aging Mice. Infect Immun. 2016;84:906–916. doi: 10.1128/IAI.01275-15. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 39.Renteria A E, Mfuna Endam L, Desrosiers M. Do Aging Factors Influence the Clinical Presentation and Management of Chronic Rhinosinusitis? Otolaryngol Head Neck Surg. 2017;156:598–605. doi: 10.1177/0194599817691258. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 40.Whelan F J, Verschoor C P, Stearns J C et al. The loss of topography in the microbial communities of the upper respiratory tract in the elderly. Ann Am Thorac Soc. 2014;11:513–521. doi: 10.1513/AnnalsATS.201310-351OC. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 41.Biagi E, Nylund L, Candela M et al. Through ageing, and beyond: gut microbiota and inflammatory status in seniors and centenarians. PLoS One. 2010;5:e10667. doi: 10.1371/journal.pone.0010667. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 42.van Beek A A, Hugenholtz F, Meijer B et al. Frontline Science: Tryptophan restriction arrests B cell development and enhances microbial diversity in WT and prematurely aging Ercc1-/Delta7 mice. J Leukoc Biol. 2017;101:811–821. doi: 10.1189/jlb.1HI0216-062RR. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 43.Schneeberger M, Everard A, Gomez-Valades A G et al. Akkermansia muciniphila inversely correlates with the onset of inflammation, altered adipose tissue metabolism and metabolic disorders during obesity in mice. Sci Rep. 2015;5:16643. doi: 10.1038/srep16643. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 44.Gomez A, Luckey D, Taneja V. The gut microbiome in autoimmunity: Sex matters. Clin Immunol. 2015;159:154–162. doi: 10.1016/j.clim.2015.04.016. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 45.Mueller S, Saunier K, Hanisch C et al. Differences in fecal microbiota in different European study populations in relation to age, gender, and country: a cross-sectional study. Appl Environ Microbiol. 2006;72:1027–1033. doi: 10.1128/AEM.72.2.1027-1033.2006. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 46.Wu J, Peters B A, Dominianni C et al. Cigarette smoking and the oral microbiome in a large study of American adults. ISME J. 2016;10:2435–2446. doi: 10.1038/ismej.2016.37. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 47.Charlson E S, Chen J, Custers-Allen R et al. Disordered microbial communities in the upper respiratory tract of cigarette smokers. PLoS One. 2010;5:e15216. doi: 10.1371/journal.pone.0015216. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 48.Lee J, Taneja V, Vassallo R. Cigarette smoking and inflammation: cellular and molecular mechanisms. J Dent Res. 2012;91:142–149. doi: 10.1177/0022034511421200. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 49.Verna L, Whysner J, Williams G M. N-nitrosodiethylamine mechanistic data and risk assessment: bioactivation, DNA-adduct formation, mutagenicity, and tumor initiation. Pharmacol Ther. 1996;71:57–81. doi: 10.1016/0163-7258(96)00062-9. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 50.Wang L, Ganly I. The oral microbiome and oral cancer. Clin Lab Med. 2014;34:711–719. doi: 10.1016/j.cll.2014.08.004. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 51.Labriola A, Needleman I, Moles D R. Systematic review of the effect of smoking on nonsurgical periodontal therapy. Periodontol 2000. 2005;37:124–137. doi: 10.1111/j.1600-0757.2004.03793.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 52.Coretti L, Cuomo M, Florio E et al. Subgingival dysbiosis in smoker and nonsmoker patients with chronic periodontitis. Mol Med Rep. 2017;15:2007–2014. doi: 10.3892/mmr.2017.6269. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 53.Yu G, Phillips S, Gail M H et al. The effect of cigarette smoking on the oral and nasal microbiota. Microbiome. 2017;5:3. doi: 10.1186/s40168-016-0226-6. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 54.Peralbo-Molina A, Calderon-Santiago M, Jurado-Gamez B et al. Exhaled breath condensate to discriminate individuals with different smoking habits by GC-TOF/MS. Sci Rep. 2017;7:1421. doi: 10.1038/s41598-017-01564-z. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 55.Filipiak W, Ruzsanyi V, Mochalski P et al. Dependence of exhaled breath composition on exogenous factors, smoking habits and exposure to air pollutants. J Breath Res. 2012;6:36008. doi: 10.1088/1752-7155/6/3/036008. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 56.Falana K, Knight R, Martin C R et al. Short Course in the Microbiome. J Circ Biomark. 2015;4:8. doi: 10.5772/61257. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 57.Greenberg D, Givon-Lavi N, Broides A et al. The contribution of smoking and exposure to tobacco smoke to Streptococcus pneumoniae and Haemophilus influenzae carriage in children and their mothers. Clin Infect Dis. 2006;42:897–903. doi: 10.1086/500935. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 58.Turnbaugh P J, Backhed F, Fulton L et al. Diet-induced obesity is linked to marked but reversible alterations in the mouse distal gut microbiome. Cell Host Microbe. 2008;3:213–223. doi: 10.1016/j.chom.2008.02.015. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 59.Kaczmarek J L, Musaad S M, Holscher H D. Time of day and eating behaviors are associated with the composition and function of the human gastrointestinal microbiota. Am J Clin Nutr. 2017;106:1220–1231. doi: 10.3945/ajcn.117.156380. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 60.Gibson G R, Roberfroid M B. Dietary modulation of the human colonic microbiota: introducing the concept of prebiotics. J Nutr. 1995;125:1401–1412. doi: 10.1093/jn/125.6.1401. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 61.Staudacher H M, Whelan K. Altered gastrointestinal microbiota in irritable bowel syndrome and its modification by diet: probiotics, prebiotics and the low FODMAP diet. Proc Nutr Soc. 2016;75:306–318. doi: 10.1017/S0029665116000021. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 62.Walsh C J, Guinane C M, O'Toole P W et al. Beneficial modulation of the gut microbiota. FEBS Lett. 2014;588:4120–4130. doi: 10.1016/j.febslet.2014.03.035. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 63.De Vadder F, Kovatcheva-Datchary P, Goncalves D et al. Microbiota-generated metabolites promote metabolic benefits via gut-brain neural circuits. Cell. 2014;156:84–96. doi: 10.1016/j.cell.2013.12.016. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 64.Cleland E J, Drilling A, Bassiouni A et al. Probiotic manipulation of the chronic rhinosinusitis microbiome. Int Forum Allergy Rhinol. 2014;4:309–314. doi: 10.1002/alr.21279. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 65.Iwase T, Uehara Y, Shinji H et al. Staphylococcus epidermidis Esp inhibits Staphylococcus aureus biofilm formation and nasal colonization. Nature. 2010;465:346–349. doi: 10.1038/nature09074. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 66.Manning J, Dunne E M, Wescombe P A et al. Investigation of Streptococcus salivarius-mediated inhibition of pneumococcal adherence to pharyngeal epithelial cells. BMC Microbiol. 2016;16:225. doi: 10.1186/s12866-016-0843-z. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 67.World Cancer Research Fund / American Institute for Cancer Research. Food, Nutrition, Physical Activity, and the Prevention of Cancer: a Global Perspective. Washington DC: AICR 2007. Nachlesbar unter http://www.aicr.org/assets/docs/pdf/reports/Second_Expert_Report.pdf; ISBN: 978-0-9722522-2-5
  • 68.Muto M, Hitomi Y, Ohtsu A et al. Acetaldehyde production by non-pathogenic Neisseria in human oral microflora: implications for carcinogenesis in upper aerodigestive tract. Int J Cancer. 2000;88:342–350. [PubMed] [Google Scholar]
  • 69.Dubinkina V B, Tyakht A V, Odintsova V Y et al. Links of gut microbiota composition with alcohol dependence syndrome and alcoholic liver disease. Microbiome. 2017;5:141. doi: 10.1186/s40168-017-0359-2. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 70.Mangin I, Leveque C, Magne F et al. Long-term changes in human colonic Bifidobacterium populations induced by a 5-day oral amoxicillin-clavulanic acid treatment. PLoS One. 2012;7:e50257. doi: 10.1371/journal.pone.0050257. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 71.De La Cochetiere M F, Durand T, Lepage P et al. Resilience of the dominant human fecal microbiota upon short-course antibiotic challenge. J Clin Microbiol. 2005;43:5588–5592. doi: 10.1128/JCM.43.11.5588-5592.2005. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 72.Pols DH J, Nielen MM J, Bohnen A M et al. Atopic children and use of prescribed medication: A comprehensive study in general practice. PLoS One. 2017;12:e0182664. doi: 10.1371/journal.pone.0182664. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 73.Feazel L M, Santorico S A, Robertson C E et al. Effects of Vaccination with 10-Valent Pneumococcal Non-Typeable Haemophilus influenza Protein D Conjugate Vaccine (PHiD-CV) on the Nasopharyngeal Microbiome of Kenyan Toddlers. PLoS One. 2015;10:e0128064. doi: 10.1371/journal.pone.0128064. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 74.Jespersen L, Tarnow I, Eskesen D et al. Effect of Lactobacillus paracasei subsp. paracasei, L. casei 431 on immune response to influenza vaccination and upper respiratory tract infections in healthy adult volunteers: a randomized, double-blind, placebo-controlled, parallel-group study. Am J Clin Nutr. 2015;101:1188–1196. doi: 10.3945/ajcn.114.103531. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 75.Chan C L, Wabnitz D, Bardy J J et al. The microbiome of otitis media with effusion. Laryngoscope. 2016;126:2844–2851. doi: 10.1002/lary.26128. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 76.Krueger A, Val S, Perez-Losada M et al. Relationship of the Middle Ear Effusion Microbiome to Secretory Mucin Production in Pediatric Patients With Chronic Otitis Media. Pediatr Infect Dis J. 2017;36:635–640. doi: 10.1097/INF.0000000000001493. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 77.Jervis-Bardy J, Rogers G B, Morris P S et al. The microbiome of otitis media with effusion in Indigenous Australian children. Int J Pediatr Otorhinolaryngol. 2015;79:1548–1555. doi: 10.1016/j.ijporl.2015.07.013. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 78.Liu C M, Cosetti M K, Aziz M et al. The otologic microbiome: a study of the bacterial microbiota in a pediatric patient with chronic serous otitis media using 16SrRNA gene-based pyrosequencing. Arch Otolaryngol Head Neck Surg. 2011;137:664–668. doi: 10.1001/archoto.2011.116. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 79.Santos-Cortez R L, Hutchinson D S, Ajami N J et al. Middle ear microbiome differences in indigenous Filipinos with chronic otitis media due to a duplication in the A2ML1 gene. Infect Dis Poverty. 2016;5:97. doi: 10.1186/s40249-016-0189-7. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 80.Fokkens W J, Lund V J, Mullol Jet al. European Position Paper on Rhinosinusitis and Nasal Polyps 2012Rhinol Suppl 2012233p preceding table of contents, 1-298 [PubMed] [Google Scholar]
  • 81.Zuliani G, Carron M, Gurrola J et al. Identification of adenoid biofilms in chronic rhinosinusitis. Int J Pediatr Otorhinolaryngol. 2006;70:1613–1617. doi: 10.1016/j.ijporl.2006.05.002. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 82.Beule A G, Hosemann W.[Bacterial biofilms] Laryngorhinootologie 200786886–895.quiz 896–889 [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 83.Subtil J, Rodrigues J C, Reis L et al. Adenoid bacterial colonization in a paediatric population. Eur Arch Otorhinolaryngol. 2017;274:1933–1938. doi: 10.1007/s00405-017-4493-z. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 84.Taylan I, Ozcan I, Mumcuoglu I et al. Comparison of the surface and core bacteria in tonsillar and adenoid tissue with Beta-lactamase production. Indian J Otolaryngol Head Neck Surg. 2011;63:223–228. doi: 10.1007/s12070-011-0265-z. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 85.Perez G F, Perez-Losada M, Isaza N et al. Nasopharyngeal microbiome in premature infants and stability during rhinovirus infection. J Investig Med. 2017;65:984–990. doi: 10.1136/jim-2017-000414. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 86.Perez-Losada M, Alamri L, Crandall K A et al. Nasopharyngeal Microbiome Diversity Changes over Time in Children with Asthma. PLoS One. 2017;12:e0170543. doi: 10.1371/journal.pone.0170543. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 87.Rosas-Salazar C, Shilts M H, Tovchigrechko A et al. Differences in the Nasopharyngeal Microbiome During Acute Respiratory Tract Infection With Human Rhinovirus and Respiratory Syncytial Virus in Infancy. J Infect Dis. 2016;214:1924–1928. doi: 10.1093/infdis/jiw456. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 88.Rosas-Salazar C, Shilts M H, Tovchigrechko A et al. Nasopharyngeal Microbiome in Respiratory Syncytial Virus Resembles Profile Associated with Increased Childhood Asthma Risk. Am J Respir Crit Care Med. 2016;193:1180–1183. doi: 10.1164/rccm.201512-2350LE. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 89.Teo S M, Mok D, Pham K et al. The infant nasopharyngeal microbiome impacts severity of lower respiratory infection and risk of asthma development. Cell Host Microbe. 2015;17:704–715. doi: 10.1016/j.chom.2015.03.008. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 90.Xu L, Zhu Y, Ren L et al. Characterization of the nasopharyngeal viral microbiome from children with community-acquired pneumonia but negative for Luminex xTAG respiratory viral panel assay detection. J Med Virol. 2017 doi: 10.1002/jmv.24895. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 91.Lysholm F, Wetterbom A, Lindau C et al. Characterization of the viral microbiome in patients with severe lower respiratory tract infections, using metagenomic sequencing. PLoS One. 2012;7:e30875. doi: 10.1371/journal.pone.0030875. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 92.Cremers A J, Zomer A L, Gritzfeld J F et al. The adult nasopharyngeal microbiome as a determinant of pneumococcal acquisition. Microbiome. 2014;2:44. doi: 10.1186/2049-2618-2-44. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 93.Lal D, Keim P, Delisle J et al. Mapping and comparing bacterial microbiota in the sinonasal cavity of healthy, allergic rhinitis, and chronic rhinosinusitis subjects. Int Forum Allergy Rhinol. 2017;7:561–569. doi: 10.1002/alr.21934. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 94.Ivanchenko O A, Karpishchenko S A, Kozlov R S et al. The microbiome of the maxillary sinus and middle nasal meatus in chronic rhinosinusitis. Rhinology. 2016;54:68–74. doi: 10.4193/Rhino15.018. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 95.Cleland E J, Bassiouni A, Boase S et al. The fungal microbiome in chronic rhinosinusitis: richness, diversity, postoperative changes and patient outcomes. Int Forum Allergy Rhinol. 2014;4:259–265. doi: 10.1002/alr.21297. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 96.Martensson A, Greiff L, Lamei S S et al. Effects of a honeybee lactic acid bacterial microbiome on human nasal symptoms, commensals, and biomarkers. Int Forum Allergy Rhinol. 2016;6:956–963. doi: 10.1002/alr.21762. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 97.Noverr M C, Huffnagle G B. The 'microflora hypothesis' of allergic diseases. Clin Exp Allergy. 2005;35:1511–1520. doi: 10.1111/j.1365-2222.2005.02379.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 98.Bisgaard H, Li N, Bonnelykke Ket al. Reduced diversity of the intestinal microbiota during infancy is associated with increased risk of allergic disease at school age J Allergy Clin Immunol 2011128646–652.e641–645 [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 99.Sjogren Y M, Jenmalm M C, Bottcher M F et al. Altered early infant gut microbiota in children developing allergy up to 5 years of age. Clin Exp Allergy. 2009;39:518–526. doi: 10.1111/j.1365-2222.2008.03156.x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 100.Abrahamsson T R, Jakobsson H E, Andersson A F et al. Low gut microbiota diversity in early infancy precedes asthma at school age. Clin Exp Allergy. 2014;44:842–850. doi: 10.1111/cea.12253. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 101.Huang Y J. Asthma microbiome studies and the potential for new therapeutic strategies. Curr Allergy Asthma Rep. 2013;13:453–461. doi: 10.1007/s11882-013-0355-y. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 102.Hansel T T, Johnston S L, Openshaw P J. Microbes and mucosal immune responses in asthma. Lancet. 2013;381:861–873. doi: 10.1016/S0140-6736(12)62202-8. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 103.Suzaki H, Watanabe S, Pawankar R. Rhinosinusitis and asthma-microbiome and new perspectives. Curr Opin Allergy Clin Immunol. 2013;13:45–49. doi: 10.1097/ACI.0b013e32835b34f6. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 104.Herbst T, Sichelstiel A, Schar C et al. Dysregulation of allergic airway inflammation in the absence of microbial colonization. Am J Respir Crit Care Med. 2011;184:198–205. doi: 10.1164/rccm.201010-1574OC. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 105.Cait A, Hughes M R, Antignano F et al. Microbiome-driven allergic lung inflammation is ameliorated by short-chain fatty acids. Mucosal Immunol. 2017 doi: 10.1038/mi.2017.75. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 106.Marsland B J. Regulation of inflammatory responses by the commensal microbiota. Thorax. 2012;67:93–94. doi: 10.1136/thoraxjnl-2011-200750. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 107.Ramakrishnan V R, Feazel L M, Gitomer S A et al. The microbiome of the middle meatus in healthy adults. PLoS One. 2013;8:e85507. doi: 10.1371/journal.pone.0085507. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 108.Ramakrishnan V R, Gitomer S, Kofonow J M et al. Investigation of sinonasal microbiome spatial organization in chronic rhinosinusitis. Int Forum Allergy Rhinol. 2017;7:16–23. doi: 10.1002/alr.21854. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 109.Du Q, Li M, Zhou X et al. A comprehensive profiling of supragingival bacterial composition in Chinese twin children and their mothers. Antonie Van Leeuwenhoek. 2017;110:615–627. doi: 10.1007/s10482-017-0828-4. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 110.Abusleme L, Dupuy A K, Dutzan N et al. The subgingival microbiome in health and periodontitis and its relationship with community biomass and inflammation. ISME J. 2013;7:1016–1025. doi: 10.1038/ismej.2012.174. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 111.Ai D, Huang R, Wen J et al. Integrated metagenomic data analysis demonstrates that a loss of diversity in oral microbiota is associated with periodontitis. BMC Genomics. 2017;18:1041. doi: 10.1186/s12864-016-3254-5. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 112.Adriaens L M, Alessandri R, Sporri S et al. Does pregnancy have an impact on the subgingival microbiota? J Periodontol. 2009;80:72–81. doi: 10.1902/jop.2009.080012. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 113.Zhang M, Chen Y, Xie L et al. Pyrosequencing of Plaque Microflora In Twin Children with Discordant Caries Phenotypes. PLoS One. 2015;10:e0141310. doi: 10.1371/journal.pone.0141310. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 114.Ling Z, Kong J, Jia P et al. Analysis of oral microbiota in children with dental caries by PCR-DGGE and barcoded pyrosequencing. Microb Ecol. 2010;60:677–690. doi: 10.1007/s00248-010-9712-8. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 115.Jiang W, Zhang J, Chen H. Pyrosequencing analysis of oral microbiota in children with severe early childhood dental caries. Curr Microbiol. 2013;67:537–542. doi: 10.1007/s00284-013-0393-7. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 116.Xu H, Hao W, Zhou Q et al. Plaque bacterial microbiome diversity in children younger than 30 months with or without caries prior to eruption of second primary molars. PLoS One. 2014;9:e89269. doi: 10.1371/journal.pone.0089269. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 117.Ahn J, Yang L, Paster B J et al. Oral microbiome profiles: 16S rRNA pyrosequencing and microarray assay comparison. PLoS One. 2011;6:e22788. doi: 10.1371/journal.pone.0022788. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 118.Hasan N A, Young B A, Minard-Smith A T et al. Microbial community profiling of human saliva using shotgun metagenomic sequencing. PLoS One. 2014;9:e97699. doi: 10.1371/journal.pone.0097699. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 119.Abeles S R, Jones M B, Santiago-Rodriguez T M et al. Microbial diversity in individuals and their household contacts following typical antibiotic courses. Microbiome. 2016;4:39. doi: 10.1186/s40168-016-0187-9. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 120.Ling Z, Liu X, Wang Y et al. Pyrosequencing analysis of the salivary microbiota of healthy Chinese children and adults. Microb Ecol. 2013;65:487–495. doi: 10.1007/s00248-012-0123-x. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 121.Guerrero-Preston R, Godoy-Vitorino F, Jedlicka A et al. 16S rRNA amplicon sequencing identifies microbiota associated with oral cancer, human papilloma virus infection and surgical treatment. Oncotarget. 2016;7:51320–51334. doi: 10.18632/oncotarget.9710. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 122.Goodson J M, Hartman M L, Shi P et al. The salivary microbiome is altered in the presence of a high salivary glucose concentration. PLoS One. 2017;12:e0170437. doi: 10.1371/journal.pone.0170437. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 123.Zhou J, Jiang N, Wang Z et al. Influences of pH and Iron Concentration on the Salivary Microbiome in Individual Humans with and without Caries. Appl Environ Microbiol. 2017;83:e02412–e02416. doi: 10.1128/AEM.02412-16. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 124.Foxman B, Luo T, Srinivasan U et al. The effects of family, dentition, and dental caries on the salivary microbiome. Ann Epidemiol. 2016;26:348–354. doi: 10.1016/j.annepidem.2016.03.006. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 125.Mashima I, Theodorea C F, Thaweboon B et al. Exploring the salivary microbiome of children stratified by the oral hygiene index. PLoS One. 2017;12:e0185274. doi: 10.1371/journal.pone.0185274. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 126.Hamuro K, Kotani Y, Toba M et al. Comparison of salivary IgA secretion rate collected by the aspiration method and swab method. Biosci Microbiota Food Health. 2013;32:107–112. doi: 10.12938/bmfh.32.107. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 127.Takayasu L, Suda W, Takanashi K et al. Circadian oscillations of microbial and functional composition in the human salivary microbiome. DNA Res. 2017;24:261–270. doi: 10.1093/dnares/dsx001. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 128.Cameron S J, Huws S A, Hegarty M J et al. The human salivary microbiome exhibits temporal stability in bacterial diversity. FEMS Microbiol Ecol. 2015;91:fiv091. doi: 10.1093/femsec/fiv091. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 129.Belstrom D, Holmstrup P, Bardow A et al. Temporal Stability of the Salivary Microbiota in Oral Health. PLoS One. 2016;11:e0147472. doi: 10.1371/journal.pone.0147472. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 130.Shaw L, Ribeiro AL R, Levine A P et al. The Human Salivary Microbiome Is Shaped by Shared Environment Rather than Genetics: Evidence from a Large Family of Closely Related Individuals. MBio. 2017;8(5):e01237–17. doi: 10.1128/mBio.01237-17. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 131.Lazarevic V, Whiteson K, Gaia Net al. Analysis of the salivary microbiome using culture-independent techniques J Clin Bioinforma 201224–4.doi: 10.1186/2043-9113-2-4 [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 132.Abrao A L, Falcao D P, de Amorim R F et al. Salivary proteomics: A new adjuvant approach to the early diagnosis of familial juvenile systemic lupus erythematosus. Med Hypotheses. 2016;89:97–100. doi: 10.1016/j.mehy.2016.02.010. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 133.Wolf A, Moissl-Eichinger C, Perras A et al. The salivary microbiome as an indicator of carcinogenesis in patients with oropharyngeal squamous cell carcinoma: A pilot study. Sci Rep. 2017;7:5867. doi: 10.1038/s41598-017-06361-2. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 134.Coit P, Mumcu G, Ture-Ozdemir F et al. Sequencing of 16S rRNA reveals a distinct salivary microbiome signature in Behcet's disease. Clin Immunol. 2016;169:28–35. doi: 10.1016/j.clim.2016.06.002. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 135.Asama T, Arima T H, Gomi T et al. Lactobacillus kunkeei YB38 from honeybee products enhances IgA production in healthy adults. J Appl Microbiol. 2015;119:818–826. doi: 10.1111/jam.12889. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 136.Hasslof P, West C E, Videhult F K et al. Early intervention with probiotic Lactobacillus paracasei F19 has no long-term effect on caries experience. Caries Res. 2013;47:559–565. doi: 10.1159/000350524. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 137.Dos Santos A L, Jorge A O, Dos Santos S S et al. Influence of probiotics on Candida presence and IgA anti-Candida in the oral cavity. Braz J Microbiol. 2009;40:960–964. doi: 10.1590/S1517-838220090004000030. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 138.Dassi E, Ballarini A, Covello G et al. Enhanced microbial diversity in the saliva microbiome induced by short-term probiotic intake revealed by 16S rRNA sequencing on the IonTorrent PGM platform. J Biotechnol. 2014;190:30–39. doi: 10.1016/j.jbiotec.2014.03.024. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 139.Soderling E, ElSalhy M, Honkala E et al. Effects of short-term xylitol gum chewing on the oral microbiome. Clin Oral Investig. 2015;19:237–244. doi: 10.1007/s00784-014-1229-y. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 140.Gong H L, Shi Y, Zhou L et al. The Composition of Microbiome in Larynx and the Throat Biodiversity between Laryngeal Squamous Cell Carcinoma Patients and Control Population. PLoS One. 2013;8:e66476. doi: 10.1371/journal.pone.0066476. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 141.Gong H, Shi Y, Zhou X et al. Microbiota in the Throat and Risk Factors for Laryngeal Carcinoma. Appl Environ Microbiol. 2014;80:7356–7363. doi: 10.1128/AEM.02329-14. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 142.Gong H, Wang B, Shi Y et al. Composition and abundance of microbiota in the pharynx in patients with laryngeal carcinoma and vocal cord polyps. J Microbiol. 2017;55:648–654. doi: 10.1007/s12275-017-6636-8. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 143.Humphreys G J, McBain A J. Continuous culture of sessile human oropharyngeal microbiotas. J Med Microbiol. 2013;62:906–916. doi: 10.1099/jmm.0.055806-0. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 144.Jensen A, Fago-Olsen H, Sorensen C H et al. Molecular mapping to species level of the tonsillar crypt microbiota associated with health and recurrent tonsillitis. PLoS One. 2013;8:e56418. doi: 10.1371/journal.pone.0056418. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 145.Watanabe H, Goto S, Mori H et al. Comprehensive microbiome analysis of tonsillar crypts in IgA nephropathy. Nephrol Dial Transplant. 2016 doi: 10.1093/ndt/gfw343. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 146.Tejesvi M V, Uhari M, Tapiainen T et al. Tonsillar microbiota in children with PFAPA (periodic fever, aphthous stomatitis, pharyngitis, and adenitis) syndrome. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2016;35:963–970. doi: 10.1007/s10096-016-2623-y. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 147.Khadilkar M N, Ankle N R. Anaerobic Bacteriological Microbiota in Surface and Core of Tonsils in Chronic Tonsillitis. J Clin Diagn Res. 2016;10:MC01–MC03. doi: 10.7860/JCDR/2016/22124.8819. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 148.Gul M, Okur E, Ciragil P et al. The comparison of tonsillar surface and core cultures in recurrent tonsillitis. Am J Otolaryngol. 2007;28:173–176. doi: 10.1016/j.amjoto.2006.08.010. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 149.Iwamura Y, Hayashi J, Sato T et al. Assessment of oral malodor and tonsillar microbiota after gargling with benzethonium chloride. J Oral Sci. 2016;58:83–91. doi: 10.2334/josnusd.58.83. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 150.Honda K, Littman D R. The microbiota in adaptive immune homeostasis and disease. Nature. 2016;535:75–84. doi: 10.1038/nature18848. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 151.Thaiss C A, Zmora N, Levy M et al. The microbiome and innate immunity. Nature. 2016;535:65–74. doi: 10.1038/nature18847. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 152.Sonnenberg G F, Monticelli L A, Alenghat T et al. Innate lymphoid cells promote anatomical containment of lymphoid-resident commensal bacteria. Science. 2012;336:1321–1325. doi: 10.1126/science.1222551. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 153.Sawahata M, Nakamura Y, Sugiyama Y. Appendectomy, tonsillectomy, and risk for sarcoidosis – A hospital-based case-control study in Japan. Respir Investig. 2017;55:196–202. doi: 10.1016/j.resinv.2016.12.004. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 154.Hanshew A S, Jette M E, Thibeault S L. Characterization and comparison of bacterial communities in benign vocal fold lesions. Microbiome. 2014;2:43. doi: 10.1186/2049-2618-2-43. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 155.Gong H, Shi Y, Xiao X et al. Alterations of microbiota structure in the larynx relevant to laryngeal carcinoma. Sci Rep. 2017;7:5507. doi: 10.1038/s41598-017-05576-7. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 156.Lohmann P, Luna R A, Hollister E B et al. The airway microbiome of intubated premature infants: characteristics and changes that predict the development of bronchopulmonary dysplasia. Pediatr Res. 2014;76:294–301. doi: 10.1038/pr.2014.85. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 157.Kelly B J, Imai I, Bittinger K et al. Composition and dynamics of the respiratory tract microbiome in intubated patients. Microbiome. 2016;4:7. doi: 10.1186/s40168-016-0151-8. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 158.Hotterbeekx A, Xavier B B, Bielen K et al. The endotracheal tube microbiome associated with Pseudomonas aeruginosa or Staphylococcus epidermidis. Sci Rep. 2016;6:36507. doi: 10.1038/srep36507. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 159.Perez-Losada M, Graham R J, Coquillette M et al. The temporal dynamics of the tracheal microbiome in tracheostomised patients with and without lower respiratory infections. PLoS One. 2017;12:e0182520. doi: 10.1371/journal.pone.0182520. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 160.Jette M E, Dill-McFarland K A, Hanshew A S et al. The human laryngeal microbiome: effects of cigarette smoke and reflux. Sci Rep. 2016;6:35882. doi: 10.1038/srep35882. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 161.Castellani C, Singer G, Kashofer K et al. The Influence of Proton Pump Inhibitors on the Fecal Microbiome of Infants with Gastroesophageal Reflux-A Prospective Longitudinal Interventional Study. Front Cell Infect Microbiol. 2017;7:444. doi: 10.3389/fcimb.2017.00444. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 162.Yang L, Chaudhary N, Baghdadi J et al. Microbiome in reflux disorders and esophageal adenocarcinoma. Cancer J. 2014;20:207–210. doi: 10.1097/PPO.0000000000000044. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 163.Lagergren J, Bergstrom R, Lindgren A et al. Symptomatic gastroesophageal reflux as a risk factor for esophageal adenocarcinoma. N Engl J Med. 1999;340:825–831. doi: 10.1056/NEJM199903183401101. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 164.Yang H, Gu J, Wang K K et al. MicroRNA expression signatures in Barrett's esophagus and esophageal adenocarcinoma. Clin Cancer Res. 2009;15:5744–5752. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-09-0385. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 165.Maret-Ouda J, Wahlin K, Artama M et al. Cohort profile: the Nordic Antireflux Surgery Cohort (NordASCo) BMJ Open. 2017;7:e016505. doi: 10.1136/bmjopen-2017-016505. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 166.Pevsner-Fischer M, Tuganbaev T, Meijer M et al. Role of the microbiome in non-gastrointestinal cancers. World J Clin Oncol. 2016;7:200–213. doi: 10.5306/wjco.v7.i2.200. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 167.Kilkkinen A, Rissanen H, Klaukka T et al. Antibiotic use predicts an increased risk of cancer. Int J Cancer. 2008;123:2152–2155. doi: 10.1002/ijc.23622. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 168.Schmidt B L, Kuczynski J, Bhattacharya A et al. Changes in abundance of oral microbiota associated with oral cancer. PLoS One. 2014;9:e98741. doi: 10.1371/journal.pone.0098741. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 169.Zeng X T, Deng A P, Li C et al. Periodontal disease and risk of head and neck cancer: a meta-analysis of observational studies. PLoS One. 2013;8:e79017. doi: 10.1371/journal.pone.0079017. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 170.Shin J M, Luo T, Kamarajan P et al. Microbial Communities Associated with Primary and Metastatic Head and Neck Squamous Cell Carcinoma - A High Fusobacterial and Low Streptococcal Signature. Sci Rep. 2017;7:9934. doi: 10.1038/s41598-017-09786-x. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 171.Schollkopf C, Melbye M, Munksgaard L et al. Borrelia infection and risk of non-Hodgkin lymphoma. Blood. 2008;111:5524–5529. doi: 10.1182/blood-2007-08-109611. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 172.Chang C M, Landgren O, Koshiol J et al. Borrelia and subsequent risk of solid tumors and hematologic malignancies in Sweden. Int J Cancer. 2012;131:2208–2209. doi: 10.1002/ijc.27483. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 173.Aigelsreiter A, Leitner E, Deutsch A J et al. Chlamydia psittaci in MALT lymphomas of ocular adnexals: the Austrian experience. Leuk Res. 2008;32:1292–1294. doi: 10.1016/j.leukres.2007.10.013. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 174.Aigelsreiter A, Gerlza T, Deutsch A J et al. Chlamydia psittaci Infection in nongastrointestinal extranodal MALT lymphomas and their precursor lesions. Am J Clin Pathol. 2011;135:70–75. doi: 10.1309/AJCPXMDRT1SY6KIV. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 175.Topalian S L, Taube J M, Anders R A et al. Mechanism-driven biomarkers to guide immune checkpoint blockade in cancer therapy. Nat Rev Cancer. 2016;16:275–287. doi: 10.1038/nrc.2016.36. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 176.Lipson E J, Forde P M, Hammers H J et al. Antagonists of PD-1 and PD-L1 in Cancer Treatment. Semin Oncol. 2015;42:587–600. doi: 10.1053/j.seminoncol.2015.05.013. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 177.Okazaki T, Chikuma S, Iwai Y et al. A rheostat for immune responses: the unique properties of PD-1 and their advantages for clinical application. Nat Immunol. 2013;14:1212–1218. doi: 10.1038/ni.2762. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 178.Lazar-Molnar E, Yan Q, Cao E et al. Crystal structure of the complex between programmed death-1 (PD-1) and its ligand PD-L2. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105:10483–10488. doi: 10.1073/pnas.0804453105. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 179.Xu J, Sun H H, Fletcher C D et al. Expression of Programmed Cell Death 1 Ligands (PD-L1 and PD-L2) in Histiocytic and Dendritic Cell Disorders. Am J Surg Pathol. 2016;40:443–453. doi: 10.1097/PAS.0000000000000590. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 180.Yamazaki T, Akiba H, Iwai H et al. Expression of programmed death 1 ligands by murine T cells and APC. J Immunol. 2002;169:5538–5545. doi: 10.4049/jimmunol.169.10.5538. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 181.Jiao Q, Liu C, Li W et al. Programmed death-1 ligands 1 and 2 expression in cutaneous squamous cell carcinoma and their relationship with tumour-infiltrating dendritic cells. Clin Exp Immunol. 2017;188:420–429. doi: 10.1111/cei.12921. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 182.Pardoll D M. The blockade of immune checkpoints in cancer immunotherapy. Nat Rev Cancer. 2012;12:252–264. doi: 10.1038/nrc3239. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 183.Pardoll D. Cancer and the Immune System: Basic Concepts and Targets for Intervention. Semin Oncol. 2015;42:523–538. doi: 10.1053/j.seminoncol.2015.05.003. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 184.Zang X, Allison J P. The B7 family and cancer therapy: costimulation and coinhibition. Clin Cancer Res. 2007;13:5271–5279. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-07-1030. [DOI] [PubMed] [Google Scholar]
  • 185.Iida N, Dzutsev A, Stewart C A et al. Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment. Science. 2013;342:967–970. doi: 10.1126/science.1240527. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 186.Vetizou M, Pitt J M, Daillere R et al. Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota. Science. 2015;350:1079–1084. doi: 10.1126/science.aad1329. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 187.Dubin K, Callahan M K, Ren B et al. Intestinal microbiome analyses identify melanoma patients at risk for checkpoint-blockade-induced colitis. Nat Commun. 2016;7:10391. doi: 10.1038/ncomms10391. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
  • 188.Sivan A, Corrales L, Hubert N et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy. Science. 2015;350:1084–1089. doi: 10.1126/science.aac4255. [DOI] [PMC free article] [PubMed] [Google Scholar]
Laryngorhinootologie. 2018 Mar 22;97(Suppl 1):S279–S311. [Article in German]

Das Mikrobiom – die unplanbare Größe zukünftiger Therapien

Zusammenfassung

Unter Mikrobiom versteht man die Gesamtheit der bakteriellen, parasitären, viralen oder anderen zellulären Mikroorganismen, die den menschlichen Körper oder ein anderes Lebewesen besiedeln. Das Mikrobiom zeigt in den anatomischen Bereichen der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde eine deutliche regionale Varianz. Für die Bereiche von Ohr, Nase, Rachen, Larynx und Haut sind jeweils verschiedene Interaktionen des Mikrobiomes mit allgemeinen Faktoren wie Alter, Diät und Lebensstilfaktoren (z. B. Rauchen) in den letzten Jahren bekannt geworden. Zudem liegen eine Reihe von Erkenntnissen vor, dass das Mikrobiom an der Pathogenese verschiedener Erkrankungen auch im HNO-Bereich beteiligt ist. Der vorgestellte Übersichtsartikel fasst die wesentlichen Erkenntnisse dieses sich aktuell äußerst rasch entwickelnden Forschungsgebietes überblickartig zusammen.

Schlüsselwörter: Mikrobiom, Sinusitis, Kopf-Hals-Tumoren, Otitis

Abkürzungen

CRS

chronische Rhinosinusitis

OUT

operational taxonomic unit

MALDI-TOF

Matrix Assisted Laser Ionization Mass Spectrometry-Time of Flight

T eff

Effektor-T-Zellen

T reg

Regulatorische T-Zellen

1. Einleitung und Definition

Das Mikrobiom bezeichnet im weiteren Sinne die Gesamtheit aller den Menschen oder andere Lebewesen (z. B. Regenwürmer, Reptilien, Rinder) besiedelnden Mikroorganismen. Diese Zusammensetzung der Mikroorganismen unterscheidet sich stark lokal. Sie setzen sich zusammen aus Bakterien (planktonisch und als Biofilme), Viren, Pilzen und allen anderen Arten von Mikroorganismen (Archaea, Amöben, Flagellaten, Bakteriophagen usw.). Lebewesen, bei denen künstlich eine Auseinandersetzung mit dem Mikrobiom verhindert wird, verbleiben physiologisch unreif bei wichtigen Regulationsmechanismen wie der Immunabwehr und sind pathogenen Erregern gegenüber sehr anfällig 1 . Neben systemischen Effekten dieser Art beeinflusst das Mikrobiom die Epithelfunktion des Lebewesens im Bereich aller Körperoberflächen, also auch der HNO-Heilkunde.

Aufgrund der unterschiedlichen lokalen Milieus unterscheidet sich das Mikrobiom auf Haut und Schleimhaut, aber auch in den verschiedenen Regionen des Hals-Nasen-Ohren-Fachbereiches. Ferner ändert sich die Zusammensetzung der Mikroorganismen reaktiv durch Alterung des Wirtsorganismus, Auftreten von Erkrankungen und auch in Abhängigkeit von Therapien. Es mag verschiedene Erkrankungen hervorrufen bzw. deren Entstehung begünstigen. Zu diesen gehört unter anderem das Risiko an bösartigen Erkrankungen zu erkranken.

Das humane Mikrobiom wird durch fortgeschrittene Sequenzierung der DNA festgestellt und umfasst sowohl pathogene -, wie kommensale Mikroben. Individuelle Unterschiede werden als Ursache angesehen, die Suszeptibilität zwischen Patienten und ihrem Risiko an Erkrankung zu erkranken, zu erklären. Die Beeinflussung der Suszeptibilität erfolgt über Faktoren, wie die Ernährung, den Stoffwechsel, die Entgiftung, den Hormonstatus, die Immuntoleranz und besonders Entzündungsabläufe 2 3 4 5 .

Das Mikrobiom des Menschen ist Teil intensiver Forschung und noch nicht umfassend verstanden. Seit Dezember 2007 wird in den USA im Rahmen des Human Microbiome Project ( https://hmpdacc.org/ ), initiiert durch das National Institute of Health, die Sequenzierung aller Genome der Mikroorganismen, die den Menschen besiedeln, als Ziel verfolgt. Der Untersuchung liegen Stichproben aus Mund, Rachen und Nase, der Haut, dem Verdauungstrakt und dem Urogenitaltrakt von Frauen zugrunde. Es wurde eine spezifische Datenbank eingerichtet, um die Zusammenarbeit zwischen den Gruppen zu erleichtern 3 .

Seit 2008 wird separat das Mund-Mikrobiom vom National Institute of Dental and Craniofacial Research (NIDCR) detailliert untersucht. Dieses umfasst allein bereits mehr als 600 Mikroorganismen. Parallel werden auch die Mikrobiome anderer definierter Körperregionen untersucht. Vor dem Hintergrund dieser intensiven wissenschaftlichen Untersuchungen haben sich Fachmitteilungen zur Bedeutung des Mikrobioms in den letzten Jahren exponentiell vermehrt. So liegen derzeit mehr als 30000 Publikationen zu diesem Themengebiet, davon insgesamt 400 spezifisch für das Gebiet der HNO-Heilkunde, vor. Obwohl noch viele Aspekte zum Mikrobiom ungeklärt sind, liegen zu allen Subspezialisierungen der HNO-Heilkunde mittlerweile wesentliche grundlegende Erkenntnisse vor.

Die Peer-Reviewed Publikationen entwickeln sich im Bereich „Mikrobiom“ rasant. Abb. 1 stellt die Anzahl pro Jahr der unter www.pubmed.com gelisteten Publikationen denen gegenüber, die aus dem Bereich der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde kommen bzw. für diese besonders relevant sind. Definiert wurde dieser Umstand durch eine Abfrage nach den Stichworten „microbiome AND (rhinology or otology or otitis or nose or sinus or (head and neck) or laryngology)“, die naturgemäß aufgrund der Heterogenität des Fachgebietes keinen Anspruch auf Vollständigkeit haben kann. Dies zeigt schon der Blick auf die für diese Übersichtsarbeit zitierten Arbeiten. Abb. 1 zeigt aber mit 274 Publikationen auf rhinologischem, 153 auf laryngologisch/onkologischem und 124 auf otologischem Gebiet eine gleichartige, dynamisch aufsteigenden Entwicklung auch für unser Fachgebiet. Nach eingehendem Literaturstudium ist dabei zum derzeitigen Zeitpunkt sowohl aufgrund der geringen Vergleichbarkeit bei schnell aufeinanderfolgenden, technischen Entwicklungen, wie auch der hohen Anzahl von Einflussfaktoren die praktische Konsequenz dieser Arbeiten für die Klinik stark limitiert, für die Grundlagenforschung und Entwicklung neuartiger Therapieansätze aber höchst interessant.

Abb. 1.

Abb. 1

Anzahl der von Pubmed aufgeführten Publikationen nach den Suchbegriffen „microbiome“ (Total) bzw. (microbiome AND (rhinology or Otology or otitis or nose or sinus or (Head and Neck) or laryngology), hier als „HNO“ aufgeführt (Stichtag: 01.10.2017).

Bei der Bearbeitung von Fragen zum Mikrobiom sind nach Entwicklung erster technischer Standards eine Reihe von Fragen definiert worden, basierend auf den Erkenntnissen der gegenseitigen, nertzwerk-artigen Beeinflussung von Mikrobiom und Wirt, die Abb. 2 stichwortig erfasst und auf die im Folgenden dann soweit möglich inhaltlich eingegangen werden soll.

Abb. 2.

Abb. 2

Offene Frage zur Bedeutung des Mikrobiomes.

Das Humane Mikrobiom Datenportal, zugänglich unter https://hmpdacc.org/ weist den aktuellen Forschungsstand des Mikrobiomes inklusiver der auch von gesunden Probanden verfügbaren Daten auf. Gemäß der aktuell abrufbaren Daten ( https://portal.hmpdacc.org/ ) gehören Mikrobiom-Daten der HNO-Regionen zu den meist verfügbaren Referenzdaten. Im Detail stehen die HNO-ärztlichen Lokalisationen Wangenschleimhaut im Ranking auf Position 2 der meisten Referenzdaten, gefolgt von Gingiva (Position 5), Nasenhaupthöhle (7), Zungenrücken (9), Nares (10), Gaumenmandeln (11), rechter (12) bzw. linker (15) Ohrumschlagfalte, Hartgaumen (13), Rachen (14), Speichel (16), Nasopharynx (23) und Mundhöhle (34). Dabei werden die verfügbaren Referenzdaten jeweils auch unter technischen Gesichtspunkten kategorisiert angeboten.

2. Terminologie

Zur besseren Verständlichkeit des folgenden Textes, aber auch der internationalen Literatur, werden im Folgenden einige grundlegende Begriffe als Termini technici eingeführt:

Taxon/Taxa ist der Überbegriff für eine/mehrere Gruppen von Lebewesen, die sich anhand gemeinsamer Merkmale von anderen Organismen abgrenzen und unterscheiden lässt. Mit Bezug zum Mikrobiom wird es als Überbegriff zur Rangstufe von Mikroorganismen bezeichnet ( Abb. 3 ):

Abb. 3.

Abb. 3

Taxonomische Rangstufen im internationalen Sprachgebrauch.

Veränderungen des Mikrobioms werden üblicherweise als Alpha- und Beta-Diversität berichtet. Dabei ist die Alpha-Diversität das Maß der verschiedenen Arten von Mikroorganismen, die in einem Individuum bzw. dessen untersuchter Region nachgewiesen werden können. Die Alpha-Diversität wird auch als „Punktdiversität“ bezeichnet und stellt ein Maß für die Artenvielfalt eines Lebensraums dar. Der Ausdruck wurde durch den Ökologen Robert Whittaker 1960 eingeführt.

So besitzt bspw. der Mundraum die höchste Alpha-Diversität des Verdauungstraktes mit über 1000 verschiedenen nachgewiesenen bakteriellen Spezies unter Beteiligung von aeroben und anaeroben Arten.

Als Beta-Diversität wird dagegen die Variabilität zwischen Individuen im gleichen Lebensraum im Hinblick auf die nachgewiesenen Mikroorganismen unterschieden. Auch dieser Begriff geht auf Robert Whittaker zurück und versteht sich als Maß für den Unterschied in der Artenvielfalt.

Die Gamma-Diversität, ein Maß der Artenvielfalt einer Landschaft, beginnend von ca. 1000 ha bis hin zu ca. 1000000 ha, und die Epsilon-Diversität, die die Artenvielfalt mehrerer Landschaften in einer geografischen Region beschreibt, spielen bislang zwar in der biologischen Literatur, nicht aber in der medizinischen Welt eine Rolle.

Die Verbindung zwischen einem veränderten Mikrobiom zu einer spezifischen Erkrankung wird als Dysbiose bezeichnet, was voraussichtlich zurückzuführen ist auf ein Bakterium, das als „Alpha Bug“ eine ökologische Nische ausnutzt 2 . Dysbioseverbundene Entzündungen verursachen genauso wie chemische Karzinogene, wie Acethylaldehyd und N-Nitratverbindungen, eine Karzinogenese über verschiedene Stoffwechselwege.

2.1 Taxonomie der Bakterien

Die Klassifikation der Bakterien erfolgt im Rahmen der Mikrobiom-Untersuchungen basierend auf Aussehen, Physiologie und Phylogenetik. Zur Bezeichnung der Bakterien wurden Namen entsprechend den Anforderungen des 1980 reformierten Internationalen Codes der Nomenklatur von Bakterien (ICNB) definiert. Jede Bezeichnung basiert auf hinterlegtem Typusmaterial, anhand dessen ein Bakterium einem Taxon zugeordnet wird.

Benennt wird ein Mikroorganismus eindeutig anhand seines hinterlegten Typusmaterials als identifizierbares Taxon. Die Bezeichnung und Zuordnung unterliegt wissenschaftlich bedingten Veränderungen. Die aktuellen Taxa sind jeweils aktuell in Bergley’s Manual of Systematic Bacteriology 6 publiziert.

3. Einflussfaktoren auf das Mikrobiom allgemein

Mittels traditioneller kultureller Anzuchtverfahren können nur ein Bruchteil der Mikroorganismen des Mikrobioms isoliert und charakterisiert werden. Diese wurden daher durch kulturunabhängige DNA-basierte Sequenzierungsmethoden abgelöst.

3.1 Ablauf einer Mikrobiom-Studie

Diese Techniken kommen im Rahmen von Mikrobiom-Studien nahezu ausschließlich zum Einsatz. Bei diesen Techniken wird die genetische Information der kleinen Untereinheit der ribosomalen RNA (16 S-rRNA) zur taxonomischen Charakterisierung amplifiziert und sequenziert. Die ribosomalen Nukleinsäuren sind ein Teil der bakteriellen Ribosomen, die aus Geninformationen die passenden Proteine zusammenbauen. Sie werden sequenziert, um Bakterienarten eindeutig zu identifizieren und voneinander zu unterscheiden. Die 16 S-rRNA ist hochkonserviert im Hinblick auf die genetische Information und damit für eine taxonomische Einordnung besonders gut geeignet.

Der prinzipielle Ablauf einer Mikrobiom-Studie sollte stark standardisiert ablaufen ( Abb. 4 ):

Abb. 4.

Abb. 4

Ablaufschritte einer Mikrobiom-Studie mit möglichen Einflussfaktoren (modifiziert nach 7 ).

Die gesammelten Gewebsproben werden ohne Kontaminationen gefroren und stabilisiert, die DNA extrahiert und mittels 10 5 Sequenzen als rRNA sequenziert oder als Metagenomics mittels einer Shotgun PCR, auch Shotgun Metagenomics genannt, mit 10 7 Sequenzen repliziert. Ausgewertet wird zum einen die Diversität der Probe mit dem Nachweis von seltenen bzw. überbordenen Mengen (auch Fülle; engl. Abundance) von spezifischen Mikroben, bzw. die Struktur im Vergleich, als auch die Matrix der nachgewiesenen Mikroorganismen.

Die Sequenzierungsmethoden mit breiter Anwendung (Kettenabbruchsynthese nach Sanger, Pyrosequenzierung, Sequenzierung durch Synthese) unterscheiden sich im Hinblick auf technische Merkmale wie maximale Länge der Sequenz, Anzahl an Sequenzen sowie der Zeit pro Durchlauf und Durchsatzmenge. Dabei kommt der konventionellen Sequenzierung mittels Kettenabbruchsynthese nach Sanger, die relativ zeitaufwendig ist und die Analyse kleinerer DNA-Moleküle ermöglicht, die Rolle der Konfirmationstechnik zu. Heute werden Methoden der zweiten Generation zur zeiteffektiveren Analyse eingesetzt, da diese um ein Vielfaches schneller sequenzieren. Im Rahmen der für diese Arbeit referenzierten Arbeiten benutzte die Mehrheit die Technik der Pyrosequenzierung.

3.2 Entnahmetechniken und technische Aspekte

Zur Probengewinnung wurden und werden z.T. auch parallel verschiedene Verfahren genutzt. So basieren publizierte Daten auf Abstrichen, Gewebeproben, Aspirate, Spülungen usw. Als Goldstandard in der Probenentnahme und Post-Prozessierung galten zunächst die 2013 vom Humanen Mikrobiom Projekt publizierten Protokolle. Mittlerweile sind die Protokolle jeweils regional weiterentwickelt worden und ebenso die biostatistischen und bioinformatischen Auswertungen, sodass die Vergleichbarkeit der im Folgenden präsentierten Ergebnisse leider eingeschränkt ist und Widersprüche weiterhin auch methodisch hinterfragt werden müssen. Die Komplexität der gegenseitigen Beeinflussungen von Mikrobiom und Wirt, aber auch der Einzelnen am Mikrobiom beteiligten Mikroorganismen, erschwert die Forschung wesentlich. Durch die verbesserte Verfügbarkeit der Techniken des Next-Generation-Sequencing, auch aufbauend auf den Forschungen an Proteomics and Genomics, ermöglicht erfreulicherweise mehr und mehr Forschergruppen, auch Parameter des Mikrobiomes zu erheben. Die Auswertung ist aber derart komplex, dass im Einzelnen die Ergebnisse auf die Diversität des Mikrobiomes reduziert werden. Hier besteht auf dem Gebiet der Bioinformatik ein deutlicher Weiterentwicklungsbedarf, um die mühsam im Zusammenspiel Patient/Arzt/Mikrobiologe gewonnenen Daten insbesondere frei von falsch-negativen Veränderungen zu berichten.

Die in Abb. 4 aufgeführten, technischen Schritte zur Bestimmung des Mikrobioms besitzen sämtlich Auswirkungen auf das Ergebnis.

So kann mit jedem Teilschritt Menge und Qualität der extrahierten DNA verändert werden. Eine Kontamination ist aufgrund der Sensitivität der nachgeschalteten Verfahren ein besonders wichtiges Problem. Untersuchungen zur technischen Bedeutung verschiedener Einflussfaktoren liefern aber widersprüchliche Ergebnisse: So veränderte eine Lagerung bei Raumtemperatur das Mikrobiom des Stuhles deutlich 8 , in einer andern nicht wesentlich 9 , während verschieden lange Lagerung der Proben mit − 80° deutlich geringere Effekte auf die Diversität zeigte 10 11 . Andererseits erscheint das Mikrobiom der Vagina deutlich stabiler 12 . HNO-spezifische Studien sind rar: Für das laryngeale Mikrobiom konnte eine Vergleichbarkeit für Abstrich- und Biopsiebasierte Studien im Tiermodell des Schweines nachgewiesen werden 13 . Gleiches konnte für Patienten mit chronischer Rhinosinusitis (CRS) nachgewiesen werden mit 36 nachgewiesenen bakteriellen Spezies im Gewebe und 30.6 Spezies im Abstrich 14 .

Um diesen diversen Einflussgrößen gerecht zu werden, gab es bereits mehrere Impulse, das Vorgehen bei Mikrobiom-Studien zu standardisieren. So sind online unter http://www.microbiome-standards.org/#SOPS durch internationale Experten bereitgestellte SOPs (standard operational procedures) verfügbar. Diese SOPs geben u. a. für die Probenentnahme (z. B. von Speichel oder Wangenabstrich), die Sequenzierung und die Datenanalyse wertvolle Hinweise zu einem standardisierten Vorgehen. Dieses Problem wurde bereits in verschiedenen Journalen aufgegriffen 15 , auch im Rahmen der internen Leitlinie zur Publikation von Mikrobiom-Daten 16 . Es gibt verschiedene Software-Pakete, die die komplexe Datenstruktur (geringe Anzahl von detektierten Bakterien bei hoher Anzahl verschiedener Spezies, hohe Homologie der untersuchten Bakterien mit 97% Übereinstimmung bei gleichen Phyli) für Mikrobiom-Daten biostatistisch auswerten können wie QIIME 17 18 19 20 21 , MOTHUR 22 23 , RDP Tools 24 25 26 27 , und VAMPS 28 . Anhand der Übereinstimmung mit den gewählten Primern werden Operational Taxonomic Units (OTUs) identifiziert. Bei Vergleich von 16s RNA Genamplifizierung – dem herkömmlichen Goldstandard – und MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Ionization Mass Spectrometry-Time of Flight) wurde der Untersuchung eines Mikrobiomes auf Streptococcus viridans mittels MALDI-TOF eine Sensitivität von 80% und eine Spezifität von 100% bescheinigt. Die Autoren empfahlen daher, parallel verschiedene Nachweisverfahren anzuwenden, was andererseits den Vorteil der Zeiteffizienz der Sequenzierungsmethoden der zweiten Generation wieder beseitigen würde 29 . Andererseits hilft MALDI-TOF bei Versagen einer konventionellen 16s RNA Sequenzierungstechnik, gram-positive Bakterien (hier speziell Corynebakterien), zu identifizieren 30 . So stieg die Nachweisrate auf 92,49% mittels MALDI-TOF MS im Vergleich zu 85,89% durch konventionelle mikrobiologische Untersuchungstechniken 31 .

Eine vergleichende Untersuchung der gleichen Proben auf drei verschiedenen industriellen Sequenzierungs-Plattformen konnte hier weitere relevante Abweichungen in der Datenanalyse nachweisen 32 . Während die Profile der Zusammensetzung des Mikrobiomes vergleichbar waren, erschien die durchschnittliche Fülle der Spezies in Abhängigkeit der Plattform, der verwendeten Datenbank und der Bioinformatikanalyse durchaus abweichend. Insbesondere die hohe Anzahl falsch-positiver Detektionen wurde bei detaillierter Betrachtung der bioinformatischen Analyse kritisiert 33 . Auch die Referenz-Bibliothek besitzt dabei einen, wenn im Vergleich zu den oben vorgestellten Parametern auch nachgeordneten, Einfluss auf das automatisiert präsentierten Endergebnis 34 .

Insgesamt gilt die Vergleichbarkeit von Mikrobiom-Daten derzeit allgemein als stark eingeschränkt, was insbesondere auch die im Folgenden dargestellten Daten betrifft 35 . Vor diesem Hintergrund müssen die Bemühungen, die Originalartikel auch unter methodischen Gesichtspunkten standardisiert zu berichten, vorbehaltlos unterstützt werden.

3.3 Allgemeine Einflussfaktoren

Geschlecht, Alter, geografischer Lage und Klima, Kultur und Lebensweise sind in der Literatur diskutierte allgemeine Einflussfaktoren auf die Diversität des Mikrobiomes. Aber es wurde auch eine unterschiedliche prozentuale Verteilung der verschiedenen Bakterien zu verschiedenen Tageszeiten 36 berichtet. Mikrobiomenassoziationen werden alternativ durch Wirtfaktoren, wie Rauchen, Alkoholkonsum, Diät, Übergewicht, physikalische Inaktivität und Polymorphismen in wichtigen humanen Onkogenen erklärt. Auf einige Faktoren mit Bedeutung für die Interpretation auch des „normalen“ Mikrobiomes soll im Folgenden eingegangen werden.

3.1.1 Alter

Im Rahmen des Wachstums vom jugendlichen zum erwachsenen Tier scheint auch das nasale Mikrobiom zu reifen. So konnte im Tiermodell des Schweines beim Vergleich von Neugeborenen zu 2–3 Wochen alten Tieren nachgewiesen werden, dass die Alpha- Diversität zunahm und charakteristische Taxa sich erst im Verlauf nachweisen ließen 37 .

Im Tiermodell der Maus konnte beim Vergleich junger, mittel-alter und alter Mäuse signifikante Änderungen des Mikrobiomes, auch nach Kontakt mit Streptococcus pneumoniae (zugefügt durch lokale Spülung des oberen Respirationstraktes) demonstriert werden. So waren residente Staphylokokken and Haemophilus empfindlich gegenüber Streptococcus. Ferner nahm die Kolonisierung mit Streptococcus pneumoniae im Alter zu und die mukoziliäre Clearance erscheint weniger effektiv 38 .

Für die chronische Rhinosinusitis (CRS) wurde eine altersbedingte Abnahme von S100 Proteinen als ursächlich für eine Veränderung des Mikrobioms mit Ausbildung einer CRS im Alter angesehen 39 . Dies mag einen Ansatz für einen gesonderten Endotyp der CRS im Alter bieten.

Auch im Oropharynx lassen sich Alterseffekte nachweisen: So ist das Mikrobiom beim alten Menschen charakterisiert durch eine vermehrte Fülle von Streptococci, speziell Streptococcus salivarius, aber nicht von Streptococcus pneumoniae 40 .

Das Mikrobiom des Magens wies bei Hundertjährigen im Vergleich zu jüngeren, geschlechtsgleichen Personen eine andere Zusammensetzung auf mit konsekutiv erhöhten Plasmaleveln von IL-6 und -8. Generell nimmt die Biodiversität mit den Jahren ab mit einem Trend zur Zunahme fakultativ pathogener Bakterien. Bakterien, die aufgrund ihrer Produktion von kurzkettigen Fettsäuren wie Butyraten von Bedeutung für den Stoffwechsel der Enterozyten des Darmes sind, nehmen dagegen eher ab 41 .

Alterseffekte wurden zwischenzeitlich auch durch eine Intervention am Mikrobiom zum therapeutischen Ziel: So wurde eine Tryptophan-reduzierte Diät an der Maus eingesetzt, um über eine Steigerung der Diversität des Mikrobiomes eine vorzeitige Alterung des Tieres zu verzögern 42 . Die positive Wirkung der Tryptophan-Diät soll dabei über eine Beeinflussung der B-Zell-Differenzierung vermittelt werden. Im Mikrobiom wurde eine stärkere Häufung von Akkermansia erreicht, einer Spezies, die häufig bei gesunden Personen nachgewiesen wird und die in besonderem Maß negativ von Alterungsprozessen des Wirtes betroffen ist 43 .

3.3.2 Gender

Daten zu Geschlecht-spezifischen Unterschieden im Bereich des Mikrobioms werden derzeit noch als wenig verlässlich angesehen, obwohl durch Rollenzugehörigkeit bekannte Geschlechtsspezifische Unterschiede in der Ernährung für den Bereich des Gastrointestinaltraktes in einigen Studien nachweisbar waren. So wurden Bacteroides, Ruminococci, Eubacteria und Blautiae häufiger bei Männer und Treponemen häufiger bei Frauen nachgewiesen 44 45 . Es wurde vermutet, dass die beobachteten Genderunterschiede Folge des Lebensstiles und auch der Ernährung sind.

3.3.3 Rauchen

Zigarettenrauch soll die Durchlässigkeit der Epithelbarriere gegenüber Mikroorganismen erhöhen und so zur Infektanfälligkeit beitragen. Als Ursache wird unter anderem ein dysbiotisches Mikrobiom angesehen, das z. B. die Karzinogenes im Bereich von Larynx und Lunge auslöst.

Untersuchungen zum Effekt des Rauchens zeigen unabhängig von der gewählten Technik, dass der Rauch exemplarisch die Zusammensetzung der oralen Bakterien verändert 46 47 , besonders der günstigen aeroben Spezies 48 . Außerdem können Bakterien das Karzinogen Nitrosamin aktivieren 49 50 . Außerdem macht Rauchen die Mundhöhle empfänglicher gegenüber einer Proliferation pathologischer bakterieller Spezies 51 . Entsprechend war die Alpha-Diversität des subgingivalen Mikrobiomes bei Rauchern signifikant reduziert. Ferner zeigte eine Analyse der Beta-Diversität auch Unterschiede von Rauchern gegenüber Patienten mit einer chronischen Periodontitis anderer Genese 52 . Ähnliche Veränderungen, die allerdings z.T. nur einseitig nachweisbar waren, zeigten sich auch im Nasopharynx 47 und dem Speichel 47 . Effekte auf das nasale Mikrobiom konnten demgegenüber nicht nachgewiesen werden 53 .

Die Analyse der Ausatemluft 54 zeigte drei wesentliche Veränderungen: So wurden vermehrt pro-inflammatorische Marker als Hinweis auf vermehrte freie Sauerstoffradikale nachgewiesen. Diese zeigen eine Veränderung des endogenen Stoffwechsels. Zum zweiten wurden exogene Bestandteile nachgewiesen 55 . Schließlich zeigen sich auch hier Hinweise auf eine Interaktion von Mikrobiom und Wirt. Während 12 Metabolite zwischen aktiven Rauchern und absoluten Nichtrauchern unterscheiden helfen konnten, wiesen nur die Metabolite Eucalyptol und Benzylalcohol auch Unterschiede zwischen aktiven und früheren Rauchern in der Atemluft nach 54 .

Für Gewebeproben der Lunge konnten zwei Taxa mit überproportional ausgeprägter relative Fülle, nämlich Variovorax und Streptococcus, nachgewiesen werden 56 . Spezifisch für das Auftreten von Plattenepithelkarzinomen konnte Acidovorax vermehrt nachgewiesen werden im Vergleich zu Kontrollgewebe.

Auch Passivrauchen verändert das Mikrobiom 57 : Das Mikrobiom des Nasenrachens und Oropharynx von Kindern unterscheidet sich in Abhängigkeit des Rauchverhaltens der Mütter. So nimmt die Nachweisrate von Streptococcus pneumoniae bei Aktiv- wie Passivrauchen signifikant zu, während die von Haemophilus influenzae unverändert erscheint.

3.4 Ernährung

3.4.1 Präbiotika

Ein Prä- oder Probiotikum ist eine Zubereitung, die lebensfähige Mikroorganismen enthält. Auch wenn im allgemeinen Verständnis oftmals die orale, systemische Anwendung im Vordergrund steht – z. B. durch Einnahme von Joghurtkulturen mit dem Ziel, die Darmflora zu stärken – sind Präbiotika nicht auf diese Anwendungsform begrenzt, sondern können auch z. B. lokal im HNO-Bereich Anwendung finden bzw. für diesen von Bedeutung sein. So wird bspw. eine Verminderung respiratorischer Infekte durch Präbiotika diskutiert.

Naturgemäß am besten untersucht ist aber die Anwendung als Nahrungsergänzung. So kann über die Nahrung die Zusammensetzung des intestinalen Mikrobioms des Menschen binnen 24–48 h effektiv und reproduzierbar moduliert werden 58 . Dies bietet auch einen Ansatz zur Verwendung von Präbiotika 59 , um z. B. die Immunabwehr zu stimulieren. Präbiotika umfassen unverwertbare Kohlenhydrate, zu denen Ballaststoffe, resistente Stärke und Nicht-Stärke-Polysaccharide gehören, die nicht enzymatisch verdaut werden. Diese Stoffe werden durch das kommensale Mikrobiom im Bereich des Colon/terminalen Ileums zu Propionat, Butyrat und Acetat fermentiert 59 . Präbiotika beeinflussen die Zusammensetzung und die Aktivität des intestinalen Mikrobioms und können so Wohlbefinden und Gesundheit des Wirts verbessern 60 . Die stärkste Evidenz für eine präbiotische Wirkung liegen für die Fruktane vom Inulintyp (Fruktooligosaccharide, Inulin und Oligofruktose) sowie für Galaktooligosaccharide vor 61 . Diese Präbiotika sollen das Wachstum von Laktobazillen oder Bifidobakterien fördern 62 . So konnte im Tiermodell eine Veränderung der Zusammensetzung des intestinalen Mikrobioms sowie eine Abnahme des Körpergewichts durch Fütterung von kurzkettigen Fettsäuren erreicht werden 63 .

HNO-spezifisch wurde exemplarisch topisch durch Inokulation von Staph. epidermidis mit und ohne Staph. aureus in einem Mausmodell mit Sinusitis untersucht, ob man das nasale Mikrobiom günstig beeinflussen könne 64 . Nach dreitägiger Anwendung waren mehr Becherzellen unter alleiniger Inokulation mit Staph. aureus nachweisbar. Zusätzliche Inokulation mit Staph. epidermidis dämpfte diesen Effekt signifikant, während alleinige Inokulation mit Staph. epidermidis vergleichbare und geringere Nachweisraten zur Kontrolle erbrachte. Das Konzept basiert auf der Annahme, dass Staph. epidermidis die Biofilm-Bildung durch Staph. aureus z. B. über die inhibitorisch wirksame Serin-Protease ESP kompetitiv hemmen kann. So wurde auch gezeigt, dass Staph. aureus in humanen Carriern durch zusätzliche Inokulation mit Staph. epidermidis im Rahmen einer Pilotstudie verdrängt werden können 65 . Diese Pilotstudie weisen damit interessante technologische Ansätze z. B. auch zur MRSA-Sanierung durch Antibiotika auf.

Für den Oropharynx konnte gezeigt werden, dass eine frühere Exposition von Streptococcus salivarius in-vitro die Zell-Adhärenz von Pneumokokken verhindern kann 66 . Weitere präbiotische Therapieansätze sind im Folgenden im Kontext des jeweils zu beeinflussenden Mikrobiomes aufgeführt.

3.4.2 Alkohol

Missbrauch von Tabak und Alkohol sind bedeutende Risikofaktoren zur Ausbildung von Kopf-, Halskarzinomen 67 und es wird vermutet, dass Mikroben diese Risikofaktoren mediieren. So besitzt das häufig auf der oralen Mukosa nachweisbare Bakterien Neisseria eine Alkoholdehydrogenase , die Ethanol zu dem Karzinogen Acetaldehyd umwandelt 68 . Die entsprechenden Studien für den Bereich der bösartigen Erkrankungen der Mundhöhle basieren allerdings v. a. auf Gewebe-basierten Untersuchungen mit älterer Technologie 50 . Alkoholabhängigkeit scheint mit dezidierten Veränderungen des gastrointestinalen Mikrobioms assoziiert zu sein, die sich im Stuhl nachweisen lassen 69 . So nimmt die Fülle von Klebsiellen zu, während Coprococcus , Faecalibacterium prausnitzii und Clostridiales abnehmen. Ferner treten Veränderungen auf, die bei einer Leberzirrhose ebenfalls beobachtet werden können. Zu diesen gehört eine Abnahme von Acidaminococcus und eine Zunahme von verschiedenen Laktobazillen und Bifidobakterien.

3.5 Antibiotikatherapie

Naheliegend ist ein kurzfristiger Effekt einer Antibiotikatherapie auf das Mikrobiom. So konnte nach fünftägiger oraler Anwendung von Amoxicillin mit Clavulansäure eine signifikant verringerte totale Bakterienkonzentration nachgewiesen werden 70 . Dabei war insbesondere auch die Bifidobakterien-Konzentration im Stuhl reduziert. Während dieser Effekt zu diesem Zeitpunkt erwartbar war, zeigte eine Nachuntersuchung zwei Monate nach der Antibiotikatherapie eine persistierende Veränderung des Mikrobioms. So war bei den sonst gesunden Probanden die Fülle von Bifidobakterien weiterhin gesenkt, und zwar auf ca. 60% des Ausgangswertes. Eine ältere Untersuchung zeigt eine höhere Resilienz des gastrointestinalen Mikrobiomes gegenüber Amoxicillin allein 71 , bestätigt aber Individuen mit mehr als 2 monatiger, deutlicher Veränderung nach Antibiotikatherapie.

Eine Behandlung mit Antibiotika im frühen Kindesalter ist assoziiert mit einem erhöhten Risiko, später an Asthma zu erkranken. So erhöht eine Antibiotikatherapie in den Lebensjahren 0–2 das Asthmarisiko im Alter von 7,5 Jahren deutlich (odds ratio 1,75; 95% Konfidenzintervall 1,40–2,17), wobei mehrfache Antibiotikatherapien dieses Risiko weiter erhöhten (z. B. vier oder mehr Therapien: odds ratio 2,82; 95% Konfidenzintervall 2,19–3,63). Vor dem Hintergrund, dass Kinder mit atopischen Erkrankungen derzeit ca. 1,9-mal so häufig Antibiotika verschrieben bekommen als Kinder ohne Atopie 72 sollte auch das Verschreibungsverhalten durch HNO-Ärzte in dieser Altersgruppe kritisch hinterfragt werden.

3.6 Impfung

Eine Impfung gegen Haemophilus influenzae veränderte das Mikrobiom des Nasenrachens nicht relevant. Dies scheint auf eine sehr gezielte Eliminierung des Zielstoffes hinzuweisen 73 . Die orale Anwendung von Lactobacillus casei 431 im Rahmen einer prospektiven, placebo-kontrollierten Studie 74 vor und parallel zur Impfung gegen Influenza zeigte keine Änderung der Ansprechrate durch Serumkonversion, während die Dauer respiratorischer Beschwerden bei Anwendung des Präbiotikums kürzer war (Durchschnitt±Standardabweichung: 6,4±6,1 vs. 7,3±9,7 d, P=0,0059). Da insgesamt Auswirkungen von Impfungen auf das Mikrobiom deutlich weniger häufig untersucht wurden, können hier aber methodische Schwächen nicht gänzlich ausgeschlossen werden.

4. Mikrobiom in der HNO-Heilkunde

4.1 Ohr

Trotz der gemeinsamen Pathophysiologie von Adenoiden und einer chronischen Otitis media mit Paukenerguss unterscheiden sich die Mikrobiome deutlich: So wurden im Mittelohrerguss Alloiococcus otitidis (23% durchschnittliche relative Fülle), Haemophilus (22%), Moraxella (5%), und Streptococcus (5%) nachgewiesen, wobei der Nachweis von Alloiococcus und Haemophilus invers korrelierte und Haemophilus häufiger bei beidseitigen Paukenergüssen nachgewiesen werden konnte 75 . Als bakterielle Erreger wurden ferner Turicella und Pseudomonas zunehmend in der Altersgruppe älter als 24 Monate nachgewiesen 76 . Während Turicella und Actinobacteria seltener mit einer ausgeprägteren Schallleitungsschwerhörigkeit assoziiert waren, scheint Haemophilus deutlich häufiger für diese ursächlich zu sein 76 . Ähnliche Mikrobiome wurden dabei auch bei australischen Kindern, die von Aborigines abstammen, nachgewiesen 77 . Dagegen ließen sich deutliche Unterschiede zwischen dem Mikrobiom des Paukenergusses und dem der Tonsilla palatina nachweisen 78 . Nach anderen Untersuchungen dominieren dagegen Pseudomonaden das Mikrobiom des Mittelohres mit einer Nachweisrate von 82,7% 78 . Genetische Unterschiede konnten als ein möglicher ursächlicher Einflussfaktor für verschieden ausgeprägte Mikrobiome des Mittelohres beschrieben werden 79 .

4.2 Nasenrachen

Eine Hyperplasie der Rachenmandel ist einer der häufigsten Gründe, ein Kind dem HNO-Arzt vorzustellen. Die Besiedelung im Nasenrachen bei Kindern wurde oben teilweise schon aufgrund des pathophysiologischen Zusammenhanges mit der chronischen Otitis media mit Paukenerguss behandelt. Pseudomonaden, Streptococci, Fusobacteriae und Pasteurellaceae dominieren das Mikrobiom der Adenoide 78 .

Adenoide sind häufig auch mit einer akuten Rhinosinusitis vergesellschaftet 80 . Entsprechend wurde die Adenotomie zu Therapie der chronischen Rhinosinusitis im Kindesalter zugelassen 80 . Eine mögliche Erklärung für die wechselseitige Beeinflussung von Adenoiden und Nasennebenhöhlen im Kindesalter ist der Nachweis von Biofilm auf der Oberfläche von Adenoiden 81 82 . Eine prospektive observierende Untersuchung konnte bei Kindern zwischen dem 1. und 12. Lebensjahr eine hohe Assoziation zwischen den Mikrobiomen auf Adenoiden, in deren Zentrum sowie im mittleren Nasengang nachweisen. Dies signalisiert, dass bei unseren pädiatrischen Patienten rezidivierende Infekte der Nasennebenhöhlen und des Nasenrachens sich auf bakteriologischer Basis durch die Wiederausbreitung von bestimmten Mikrobiomen erklären lassen. Darüber hinaus kann auf diesem Wege der klinische Erfolg der Adenotomie bei Patienten mit einer begleitenden akuten Rhinosinusitis erklärt werden 83 . Im Bereich der Adenoide werden dabei hauptsächlich Haemophilus , Staphylococcus und Streptococcus nachgewiesen 80 .

Dagegen konnte in anderen Studien kein signifikanter Zusammenhang zwischen der Besiedelung der Oberfläche von Adenoiden und dem Nachweis von Mikroben im Kern von Adenoiden nachgewiesen werden 83 84 , so dass der Zusammenhang von oberflächlichem Mikrobiom und Mikrobiom des Adenoidgewebes noch nicht als gesichert gelten kann.

Frühere Frühgeborene besitzen eine stärker ausgeprägte Heterogenität des Mikrobioms im Nasenrachen gleichen Lebensalters. Dabei waren Proteobacteriae vermehrt und Firmicutes vermindert. Diese Veränderungen persistierten trotz Infektion mit einem Rhinovirus, was als Zeichen einer persistierenden Immunmodulation bei Entzündungen der Atemwege nach stattgehabter Frühgeburtlichkeit interpretiert wurde 85 .

Das Mikrobiom des Nasenrachens bei Kindern mit Asthma im Alter von 6–18 Jahren wiesen Moraxella, Staphylococcus, Dolosigranulum, Corynebacterium, Prevotella, Streptococcus, Haemophilus, Fusobacterium und Neisseriaceae verantwortlich für 86% aller Mikrobiomnachweise auf. Es konnten in verschiedenen Jahreszeiten keine relevanten Unterschiede der Alpha- und Beta-Diversität nachgewiesen werden. Dagegen variierte der relative Anteil von Haemophilus, Moraxella, Staphylococcus und Corynebacterium sowohl zwischen Sommerzeit und Herbst, als auch zwischen den untersuchten Altersgruppen 86 .

Schließlich verändert ein akuter, viraler Infekt mit humanem Rhinovirus oder respiratorischen Syncytial Virus das Profil des Mikrobioms des Nasenrachens bei Untersuchung von N=123 gesunden Kindern deutlich im Bereich der bakteriellen Zusammensetzung 87 . Damit muss insgesamt das Mikrobiom des Nasenrachens zusammenfassend als hochvariabel eingeschätzt werden.

Aufgrund der möglichen pathophysiologischen Verbindung zwischen akuten viralen Infekten der oberen Atemwege mit dem Nasenrachen als möglichem Reservoir und dem Risiko, ein Asthma bronchiale als Kind zu entwickeln 88 , wurden weitere Untersuchungen zum Mikrobiom des Nasenrachens unternommen. Prospektiv konnte bei 234 Kindern initial eine Besiedelung mit Staphylococcus oder Corynebacterium vor stabiler Kolonisierung mit Alloiococcus oder Moraxella nachgewiesen werden. Virus-assoziierte Veränderungen konnten durch den transienten Nachweis von Streptococcus, Moraxella oder Haemophilus nachgewiesen werden. Eine frühe asymptomatische Kolonisierung mit Streptococcus zeigte sich als starker Prädiktor, später eine Asthma bronchiale zu entwickeln 89 .

Bei Vorliegen einer in der Bevölkerung erworbenen Pneumonie von Kindern zeigten Untersuchungen in 95,13% eine bakterielle und nur in 0,72% eine virale Genese anhand des Mikrobiomes. Dabei wurden Paramyxoviridae, Herpesviridae, Anelloviridae, und Polyomaviridae am häufigsten nachgewiesen 90 . Eine umfangreiche Untersuchung der Viren im Nasenrachen zeigte einen viralen Ursprung von ca. 1/7 aller Mikrobiomnachweise bei mehr als 700000 Mikrobiomdaten von 210 Patienten. Es wurden Paramyxoviridae, Picornaviridae und Orthomyxoviridae nachgewiesen und es gelang zudem auch der Nachweis eines neuen Rhinovirus C 91 . Diese Untersuchungen zu den viralen Bestandteilen des Mikrobiomes deuten auf einen großen und weitgehend unbekannten Anteil hin, der in engem Austausch zu den bakteriellen Mikroorganismen steht.

Zur therapeutischen Beeinflussung des Nasenrachens-Mikrobiomes liegt ebenfalls eine Untersuchung vor. Nach dieser waren Pneumokokken im Mikrobiom von etwa 25% der untersuchten Erwachsenen nachweisbar. Eine intranasale Applikation von Pneumokokken führte bei Erwachsenen mit großer Diversität des Nasenrachens häufiger zu einer anschließenden Pneumokokken-Besiedelung 92 . Diese begünstigte wiederum eine erhöhte Diversität des Mikrobioms.

4.3 Nase und Nasennebenhöhlen

Das endonasale Mikrobiom zeigt eine hohe Variabilität 93 . Damit unterscheidet sich das nasale Mikrobiom deutlich von dem eher weniger diversifizierten Mikrobiom der unteren Atemwege. Dennoch sind Nachweise von signifikanten Kohortenunterschieden berichtet worden 93 . Dabei sind auch intraindividuell Unterschiede im Mikrobiom vom mittleren Nasengang, der mittleren Muschel und der unteren Muschel nachweisbar 93 . Aerobe Bakterien sind in der Nasenhaupthöhle deutlich häufiger nachweisbar mit fast 80% der Mikroorganismen als Anaerobe 94 .

Bei allen Patienten, die sich als Kontrolle oder wegen einer CRS einer Operation unterzogen, konnten auch Pilze in der Nase per Abstrich nachgewiesen werden 95 . Die Alpha-Diversität der Pilze war in Kontrollen etwas niedriger als bei CRS (8,18 vs. 12,14). Nach einer Operation der Nasennebenhöhlen nahm die Alpha-Diversität ab, was insbesondere mit einer Abnahme des Nachweises von Fusarium und Neocosmospora verbunden war.

Zur Frage einer therapeutischen Veränderung des nasalen Mikrobiomes erfolgte eine doppelt-blinde Cross-Over Studie: Ein Gemisch aus Laktobazillen und Bifidobakterien wurde an gesunden Probanden einmalig angewendet, ohne dass Nebenwirkungen oder eine Veränderung der kommensalen Bakterien sowie ausgewählter Zytokine (u. a. IL-8, -15) nachgewiesen werden konnte 96 .

4.3.1 Allergische Rhinitis

In Ergänzung der traditionellen Hypothese der Begünstigung einer allergischen Sensibilisierung durch Hygiene hat sich eine Mikrobiom/Mikroflora Hypothese etabliert 97 : Durch Störung des gastrointestinalen Mikrobioms werden Immunmechanismen zur Toleranzentwicklung gestört. Auf diesem Weg soll der Anstieg der Inzidenz allergischer Erkrankungen 98 99 und Asthma bronchiale 100 erklärt werden. Dies beruht auf Untersuchungen, nach denen eine verringerte Diversität des gastrointestinalen Mikrobioms assoziiert ist mit einer erhöhten Prävalenz von allergischen Erkrankungen im Schulalter 98 99 .

Dabei ist der genaue Mechanismus derzeit unklar. Unterstützt wird die Hypothese auch durch den Nachweis einer pathophysiologischen Verbindung von Störungen des gastrointestinalen Mikrobiomes mit dem Auftreten von Asthma 101 102 103 . Eine Möglichkeit der Beeinflussung der lokalen und systemischen Entzündung des Respirationstraktes 104 besteht in der Bildung von kurzkettigen Fettsäuren, die durch Fermentierung von Fasern durch intestinale Bakterien gebildet werden 105 106 . Auf das erhöhte Risiko zur Ausbildung eines Asthma bronchiales nach Antibiotikatherapie im früheren Kindesalter wurde bereits hingewiesen.

4.3.2 Mikrobiom und chronische Rhinosinusitis

Das Mikrobiom von Patienten mit CRS variiert stark. Dabei zeigten sich signifikante Unterschiede in der Zusammensetzung von CRS ohne nasale Polypen (CRSsNP) und mit nasalen Polypen (CRSwNP) 93 . CRSsNP scheint durch ein Mikrobiom mit verringerter Diversifizierung sowie anaerober Anreicherung gekennzeichnet zu sein 93 . Vermehrt werden Streptococcus , Haemophilus , und Fusobacterium nachgewiesen. CRSwNP wurde dagegen durch vermehrte Anteile von Staphylococcus , Alloiococcus , und Corynebacterium charakterisiert. Dabei sind die in CRS nachgewiesenen Veränderungen auch signifikant unterschiedlich vom Mikrobiom von Patienten mit allergischer Rhinitis.

Im mittleren Nasengang ließen sich bei Patienten mit Rhinosinusitis v. a. Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis und Propionibacterium acnes nachweisen 107 . In der Kieferhöhle wurden ebenfalls mehrheitlich aerobe Bakterien (ca. 60%) nachgewiesen. Am häufigsten zeigten sich hier Streptococci (28,8%) und Prevotella (17,8%). Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, und Staphylococcus aureus wurden dagegen in weniger als 10% der Proben nachgewiesen 94 . Die Varianz erscheint zwischen den Patienten größer als in verschiedenen nasalen Regionen. Dabei spiegelt insbesondere der mittlere Nasengang das Mikrobiom der gesamten Nase und Nasennebenhöhlen (u. a. im Vergleich zu Nasenloch, Kieferhöhle, Stirnhöhle, Keilbeinhöhle) repräsentativ wider, überschätzt tendenziell aber die Häufigkeit von Corynebakterien 108 .

4.4 Mundraum

Das subgingivale Mikrobiom chinesischer Zwillinge ist beispielhaft für die große Vielfalt charakterisiert durch 18 Phyli und 179 Genu 109 . Karies war mit einem größeren Anteil von Actinobacteria und dem verminderten Nachweis von Fusobacteriae verbunden. Bei Erwachsenen konnten häufiger Treponemen nachgewiesen werden, die allerdings auch typisch für eine adulte Periodontitis seien sollen. Ebenfalls als Marker einer Peridontitis wurden Spirochäten, Synergistetes, Firmicutes und Chloroflexi angegeben, während Actinobacteria, besonders Actinomyces, eher eine protektive Bedeutung zugeschrieben wurde 110 . Da sehr aktuelle Daten eher eine Verringerung der Alpha-Diversität als Anzeichen einer Peridontitis ansehen ohne auf spezifische Mikroorganismen abzuheben, scheint hier der wissenschaftliche Diskurs noch kontrovers 111 . Zwillingsuntersuchungen daraufhin ergaben dass der genetische Einfluss auf das orale Mikrobiom dem der Umwelt, speziell der Ernährung, nachgeordnet ist 109 . Ferner hat eine Schwangerschaft ebenfalls einen untergeordneten Einfluss auf die Zusammensetzung des subgingivalen Mikrobiomes zu besitzen 112 . Demgegenüber scheint eine genetische Disposition für Karies diese Erkrankung stärker zu begünstigen, als das Mikrobiom von Zahnplaques 113 . Dennoch wurden Streptococcus, Veillonella, Actinomyces, Granulicatella, Leptotrichia und Thiomonas 114 , Streptococcus, Granulicatella und Actinomyces 115 bzw. Streptococcus und Veillonella (in Kindern jünger als 30 Monate) 116 häufiger bei gleichzeitiger Karies nachgewiesen. Günstig und eher ohne Kariesnachweis dagegen ist ein Mikrobiom, das Leptotrichia, Selenomonas, Fusobacterium, Capnocytophaga oder Porphyromonas enthielt 116 .

4.4.1 Mikrobiom des Speichels

Speichel besitzt eine große Fülle an Mikroorganismen 117 118 . Zu diesen zählt Streptococcus, Dialister und Veillonella 119 . Im Vergleich von Speichel verschiedener Lebensalter erscheint im Kindesalter die Alpha-Diversität höher, wohingegen im Erwachsenenalter die absolute Fülle bei gleichartiger Zusammensetzung der Taxa höher ist 120 . Das zentrale, gesunde Mikrobiom des Speichels umfasst die Taxa Streptococcus, Prevotella, Neisseria, Haemophilus, Porphyromonas, Gemella, Rothia, Granulicatella, Fusobacterium, Actinomyces, Veillonella und Aggregatibacter 120 bzw. Streptococcus, Prevotella, Haemophilus, Lactobacillus und Veillonella 121 . Niedrigere Anteile von Neisseria, Aggregatibacter (Proteobacteriae), Haemophilus (Firmicutes) und Leptotrichia (Fusobacteriae) waren bei Patienten mit Plattenepithelkarzinomen im Bereich der Mundhöhle oder des Oropharynx zu detektieren 121 . Höhere Nachweisraten von Neisserien, Aggregatibacter, Haemophilus oder Leptotrichia weisen dagegen auf eine mögliche Tumorentwicklung hin. Ein erhöhter Zuckergehalt enoral, z. B. bei Diabetes mellitus Typ II, verringert die absolute Fülle der Mikroorganismen im Speichel und verschiebt ihre relative Fülle bei Jugendlichen 122 . Speichel wurde daher auch als mögliches Diagnostikum zur Detektion von schlecht eingestelltem Diabetes mit konsekutiv erhöhtem Kariesrisiko vorgeschlagen 122 . Ein Zusammenhang zu Karies konnte nur in einigen Studien bestätigt werden 123 , in anderen nicht 124 . Es scheint aber zumindest ein Zusammenhang zu schlechter Mundhygiene zu bestehen 125 .

Technisch ist die zirkadiane Rhythmik u. a. der Immunglobulin-A-Produktion im Speichel von Bedeutung. Hier zeigte sich das Aspirat der Probengewinnung mittels Abstrich überlegen 126 . Weiterhin unterliegen auch der Nachweis von verschiedenen Bakterien, wie Firmicutes inkl. Streptococcus und Gemella, und Bacteroidetes inkl. Prevotella 127 , Schwankungen. Entsprechend sollten auch die Tageszeiten der Probenentnahme bei Publikation von Studien zum Mikrobiom des Speichels berichtet werden.

Von grundlegender Bedeutung aus technischer Sicht ist eine Untersuchung zur Re-test-Reliabilität der erhobenen Mikrobiom-Daten des Speichels 128 . So zeigte sich bei Probenentnahme alle 2 Monate über ein Jahr hinweg signifikant verschiedene absolute Häufigkeiten der nachgewiesenen Taxa sogar auf Ebene der Phyli und interindividuelle Unterschiede in der Zusammensetzung des Mikrobiomes mit signifikant verschiedener Alpha-Diversität. Ebenso schwankte der pH-Wert des Speichels im Jahresverlauf 128 . Diese Daten relativieren deutlich die Interpretationen von Unterschieden im Mikrobiom (auch in anderen Regionen), wobei die Autoren selbst die beobachteten Effekte den Jahreszeiten zuordnen. Proben, die in kürzerem Zeitverlauf z. B. einer Woche entnommen werden, scheinen dagegen deutlich stabiler im Hinblick auf ihre Reliabilität zu sein 129 . Aufgrund eines stärkeren Einflusses der jeweiligen Umgebung des Individuums als der Gene 130 wurde ferner vorgeschlagen, diesen Fakt bei der Rekrutierung der Kontrollgruppen zu berücksichtigen.

Mehr als 70% der DNA im Speichel kann Bakterien zugeordnet werden, nur weniger als 1% stammt von Viren 131 . Das Mikrobiom des Speichels wird zunehmend auch im Rahmen systemischer Erkrankungen untersucht, z. B. um autoimmune Erkrankungen leichter diagnostizieren zu können 132 oder zur Krebsfrüherkennung 133 . So scheint bei M. Behcet das Mikrobiom weniger divers zu sein mit großer Fülle von Haemophilus parainfluenzae, aber deutlicher Abnahme von Alloprevotella rava und dem Genu Leptotrichia 134 .

Bei Einnahme von Amoxicillin für 5 Tage nahm die relative Fülle von Veillonellaceae, Actinomycetaceae, Neisseriaceae, Prevotellaceae und Porphyromonadaceae zu, während Streptococcaceae und Gemellaceae abnahmen. Einnahme von Azithromycin dagegen verursachte eine Zunahme von Bifidobacteriales und Veillonellaceae, während Clostridiales, Neisseriaceae und Erysipelotrichaceae reduziert nachgewiesen wurden 119 .

Zur Stimulation der Immunabwehr ist möglicherweise die Einnahme von Lactobacillus kunkeei YB38 nützlich, da dieses im Mausmodell die Immunglobulin-A-Sekretion im Speichel erhöht 135 . Dagegen konnte eine orale Einnahme von Lactobacillus paracasei F19 durch Kinder im Alter von 4–13 Monaten die Häufigkeit von Karies nicht beeinflussen 136 . Die regelmäßige Einnahme kommerziell erhältlicher Probiotika verringerte den Nachweis von Pilzen, speziell Candida albicans, deutlich 137 , wobei ein Beleg für die klinische Relevanz noch aussteht. Gleichzeitig scheint die Alpha-Diversität des Mikrobioms des Speichels unter Einnahme von Probiotika eher zuzunehmen 138 . Als weitere Form der interventionellen Studie wurde der Einfluss von Xyilitol oder Sorbitol-haltigem Kaugummi auf das Mikrobiom untersucht. Kinder sollten 5 Wochen lang ca. 6g/die in Form von Kaugummis zu sich nehmen. Während Xylitol mittels Kultur nachweisbare Streptokokken reduzierte, nahm unter Sorbitol Veillonella atypica im Mikrobiom des Speichels signifikant ab 139 .

4.5 Rachenraum

Streptokokken dominieren das Mikrobiom der gesunden Tonsille mit einer relativen Fülle von knapp 70% 78 . Im Rachen ist diese Dominanz mit ca. 50% nicht ganz so stark ausgeprägt, es folgen Fusobacteriae (ca. 8%) und Prevotellae (ca. 7%) mit deutlichem Abstand 140 141 142 . Im Bereich des Rachenringes liegt damit auf kleinstem Platz eine hohe Varianz bei Probenentnahme nur durch die Lokalisation bedingt (z. B. Rachenhinterwand versus Tonsilla palatina) vor 143 .

Eine Tonsillenhyperplasie bei Kindern legt den Nachweis von Streptococcus (21,5%), Neisseria (13,5%), Prevotella (12,0%), Haemophilus (10,2%), Porphyromonas (9,0%), Gemella (8,6%), und Fusobacteriae (6,4%) nahe 144 145 . Kinder mit PFAPA-Syndrom (periodischem Fieber, Stomatitis aphthosa, Pharyngitis und Adenitis) weisen in ihrer Tonsilla palatina wiederum ein anderes Mikrobiom auf: Dieses ist durch vermehrten Nachweis und vermehrte relative Fülle von Cyanobakteria charakterisiert, die zu Lasten der relativen Fülle von Streptokokken geht 146 .

Bei Vorliegen einer chronischen Tonsillitis gelingt der kulturelle Nachweis von Erregern nur in ca. 60% 147 148 . Anaerobier sind bei ca. 40–60% der Patienten an der Oberfläche und bei knapp 50% im Kern der Tonsilla palatina nachweisbar 143 147 . Dabei kann am häufigsten Porphyromonas nachgewiesen werden. Bei Erwachsenen scheint eine chronische Tonsillitis v. a. mit dem Nachweis von Fusobacterium necrophorum, Streptococcus intermedius und Prevotella melaninogenica/histicola assoziiert zu sein 144 145 .

Als interventionelle Studie zum Einfluss von Gurgeln mit Benzethoniumchlorid bei Patienten mit Halitosis konnte keine Veränderung des Mikrobiomes der Tonsille zeigen 149 .

4.5.1 Exkurs: Mikrobiom und Immunsystem

Grundlage der funktionellen Bedeutung des Mikrobioms in der Pathogenese verschiedener immunvermittelter Erkrankungen ist die Modulation sowohl der angeborenen als auch der adaptiven Immunität durch das Mikrobiom bzw. umgekehrt die Beeinflussbarkeit des Mikrobioms durch Immunzellen 150 . Dabei beeinflusst das Mikrobiom die Immunität besonders über Interleukin-18- und -22-vermittelte Signalwege 151 152 . Zusätzlich können Mikrobiom und B- und T-Zellen sich gegenseitig beeinflussen und das Mikrobiom so Einfluss auch auf das adaptive Immunsystem ausüben 150 .

Exemplarisch sei in diesem Zusammenhang angeführt, dass eine stärkere Korrelation bei Frauen zwischen der Durchführung einer Tonsillektomie und dem Auftreten einer Sarkoidose (odds ratio 3,30; 95% Konfidenzintervall 0,88–12,39), als bei Männern (odds ratio 1,26; 95% Konfidenzintervall 0,10–16,52) nachgewiesen werden 153 . Dies deutet damit ebenso wie Daten zur Effektivität von Chemotherapien bei verschiedenem Mikrobiom (siehe unten) auf einen möglichen Einfluss des Rachen-Mikrobiomes auf die Entwicklung einer Autoimmunerkrankung hin.

4.6 Larynx

Das Mikrobiom des Larynx unterscheidet sich signifikant von dem des Rachens 140 . In erster Linie werden konsistent Firmicutes, Proteobacteriae und Bacteroidetes berichtet 154 . Detailliertere Untersuchungen geben auch Häufigkeitsangaben an: Die nachgewiesenen Phyli umfassen hier Firmicutes (54%), Fusobacteriae (17%), Bacteroidetes (15%), Proteobacteriae (11%), und Actinobacteria (3%). Die nachgewiesenen Geni umfassten Streptococcus (36%), Fusobacterium (15%), Prevotella (12%), Neisseria (6%), und Gemella (4%) 140 .

In einer anderen Untersuchung der gleichen Arbeitsgruppe zeigte sich eine breite Varianz der Taxa mit verschiedener Häufigkeit 155 . So konnten die Phyli Firmicutes (46,4%), Bacteroidetes (18,7%), Fusobacteriae (16,9%), Proteobacteriae (13,0%), und Actinobacteriae (2,4%) nachgewiesen werden, was die früheren Ergebnisse bestätigte. Die Geni Streptococcus (41,7%), Fusobacterium (17,0%), Prevotella (13,2%), Gemella (4,1%), Helicobacter (2,6%), und Haemophilus (2,3%) zeigten hier eine ähnliche Dominanz. Dabei unterscheidet sich das Mikrobiom beim Vergleich der Lokalisation von Stimmbändern und Taschenfalten nicht signifikant 13 . Technisch waren die Ergebnisse von Biopsien und Abstrichen vergleichbar, sodass hier ein weniger invasivens technisches Vorgehen für Studien und Kontrollgewebe gerechtfertigt werden kann 13 .

4.7 Trachea

Bei Neugeborenen lässt sich Acinetobacter zuverlässig als Teil des Mikrobioms der Trachea nachweisen 156 . Damit erscheint die allgemein weit verbreitete Annahme, dass die Atemwege Neugeborener und speziell die Trachea steril seien, widerlegt. Eine verringerte Alpha-Diversität des trachealen Mikrobioms deutet dabei auf ein erhöhtes Risiko hin, an einer speziellen chronischen Lungenerkrankung, einer bronchopulmonalen Dysplasie, zu erkranken. Analog war die Diversität in beatmeten Patienten sowohl tracheal wie oral verringert. Dabei konnten die mittels Sequenzierung nachgewiesenen Taxa häufig nicht mittels Kultur nachgewiesen werden 157 . Beatmete Patienten mit Pneumonie besaßen eine bessere Prognose bei einer relativen Fülle <4,6% von Pseudomonaden und <70,8% von Staphylokokken 158 . Tracheotomierte Patienten zeigen bei Auftreten einer Infektion häufiger Haemophilus im Mikrobiom. Diese Zunahme erfolgt zu Lasten von Acinetobacter, Corynebacterium und Pseudomonas. Dabei nehmen im Rahmen des Infektes die Alpha- wie Beta-Diversität signifikant ab 159 .

4.8 Ösophagus

4.8.1 Gastro-ösophagealer Reflux

Eine Untersuchung zeigte keinen Einfluss von Reflux auf das laryngeale Mikrobiom 160 . Bei Anwendung von Protonenpumpenhemmern bei Neugeborenen mit gastro-ösophagealem Reflux 161 veränderten sich weder Alpha- noch Beta-Diversität signifikant, aber Vertreter der Geni Lactobacillus und Stenotrophomonas nahmen ab zugunsten von Haemophilus. Nach Absetzen der Therapie nahm die Alpha- und Beta-Diversität dann zu mit Zunahme der relativen Fülle der Phyli Firmicutes, Bacteroidetes und Proteobacteriae. Damit spiegelte das Mikrobiom Alter und Diät wider.

4.8.2 Neubildungen

Plattenepithelkarzinome und Adenokarzinome sind die häufigsten malignen Neubildungen im Bereich der Speiseröhre. Die Ausbildung eines Adenokarzinoms scheint wesentlich durch einen gastro-ösophagealen Reflux begünstigt zu werden, der auch das komplexe Mikrobiom des Ösophagus beeinflusst und möglicherweise ein Ko-Faktor der Pathophysiologie des Barrett-Ösophagus darstellt 162 . Das relative Risiko an einem Adenokarzinom zu erkranken beträgt bei gastro-ösophagealem Reflux 30–400 163 .

Das normale Mikrobiom des Ösophagus erscheint von gram-positiven Bakterien (Phylus Firmicutes, v. a. mit dem Genus Streptococcus) geprägt 164 . Sowohl Reflux, wie auch bei Barett-Ösophagus veränderte sich dieses Bild zugunsten mehr gram-negativer Anaerobier der Phyli Bacteroidetes, Proteobacteriae, Fusobacteriae und Spirochäten. Ergänzend scheint die relative Häufigkeit von Taxa mehr als die absolute Menge von Bakterien wichtiger für die Pathophysiologie zu sein. So würden häufiger Veillonellae (19%), Prevotellae (12%), Neisseriae (4%), und Fusobacteria (9%) bei Vorliegen von Refluxerkrankung oder Barrett-Ösophagus nachgewiesen.

Um Auswirkungen des gastro-ösophagealen Reflux z. B. auch auf das Risiko an Tumoren des HNO-Fachgebietes zu erkranken besser untersuchen zu können, liegt mit der NordASCo Kohorte 165 Datenmaterial vor, das derzeit ausgewertet wird. Hier sind 945 153 Patienten mit gastro-ösophagealem Reflux aus den skandinavischen Staaten erfasst, von denen sich 48433 (5,1%) einem operativen Eingriff zur Refluxkontrolle unterzogen haben.

5. Kopf-Hals-Tumoren und deren Behandlung

5.1 Karzinogenese

Derzeit wird geschätzt, dass ca. 20% aller Krebserkrankungen durch mikrobielle Erreger verursacht werden 166 . Im HNO-Fachgebiet anerkannt ist u. a. die Rolle des Humanen Papilloma Virus. Durch Verschiebungen innerhalb des Mikrobiomes kann eine Karzinogenese zusätzlich begünstigt werden, indem schützende Faktoren wie protektive mikrobielle Peptide wegfallen, Toxine sich sammeln oder pathogene Erreger sich vermehren können, um so z. B. über eine chronische Entzündung einer Karzinombildung zu begünstigen. Auch nach Bildung einer bösartigen Neubildung spielt das Mikrobiom eine Rolle: So kann es durch Mikroorganismen oder ihre Stoffwechselprodukte direkt onkogenetisch wirken, Tumorwachstum begünstigen, Wachstumsfaktoren bereitstellen und pro-inflammatorische und immunsuppressive Wirkung entfalten, die die körpereigenen Mechanismen zur Krebsbekämpfung schwächt.

Problematisch ist derzeit die Tumor-assoziierten, eher begleitenden Veränderungen von solchen mit kausalem Zusammenhang zu trennen. So wurde in Abhängigkeit des Antibiotika-Gebrauches ein erhöhtes Krebsrisiko nachgewiesen 167 . Demnach steigt das Risiko bei sechs oder mehr Verschreibungen von Antibiotika auf das relative Risiko eine bösartige Neubildung im Bereich von Mund und Rachen zu entwickeln von 1,38 (1,1,7-1,64; Alters- und Geschlechtsadaptiert) an. Im Bereich des Larynx war das Risiko einer Neubildung mit 1,45 (1,08–1,94) sogar noch ausgeprägter.

Veränderungen des oralen Mikrobiomes sind stark assoziiert mit dem Auftreten von Tumoren des Mundraumes 168 . In einer Meta-Analyse von acht Studien zeigte sich ein erhöhtes Risiko, an einer bösartigen Neubildung im Kopf-Halsbereich zu erkranken bei Vorliegen einer Peridontitis von 2,63 (95% Konfidenzintervall: 1,68-4,14) 169 . Da diese – wie oben beschrieben – mit deutlichen Veränderungen des oralen Mikrobiomes einhergeht, sind auch Unterschiede bei Vorliegen von Kopf-Hals-Tumoren zu erwarten:

Entsprechend zeigte eine Fall-Kontrollstudie unter Verwendung von Proben des Pharynx, Larynx und auch aus Metastasen von Kopf-Hals-Tumoren in Tumoren eine verringerte Alpha-Diversität im Vergleich zu normaler Schleimhaut gleicher Lokalisation 170 .

Die Beta-Diversität wies sowohl im Vergleich normaler Schleimhaut mit Lokalisation des Primärtumors, wie einer Metastase signifikante Unterschiede auf, aber auch zwischen Primärtumor und Metastase war die Beta Diversität deutlich verschieden. Im Vergleich zum physiologischen Mikrobiom der Mundhöhle wird das Tumormikrobiom durch eine vermehrte Häufigkeit von Bacteroidetes, Proteobacteriae, Spirochäten und Fusobacteriae bei Abnahme von Firmicutes und Actinobacteriae charakterisiert. Bei Primärtumoren des Larynx und Pharynx ließ sich eine vermehrte Besiedelung mit Fusobacteriae und Abnahme von Firmicutes nachweisen. In Metastasen schließlich nahmen ebenfalls Fusobacteriae zu und speziell der Anteil der Spezies Streptokokken aus dem Phylum der Firmicutes nahm ab. Zusätzlich war auch die Nachweisrate von Proteobakterien erhöht.

Auch das Risiko an einem Lymphom zu erkranken wird mit Mikrobiom-basierten Ansätzen erklärt. So weisen skandinavische Untersuchungen auf eine Seropositivität mit Borrelia burgdorferi hin 171 172 . MALT-Lymphome in verschiedenen, nicht gastrointestinalen Organen zeigten einen Nachweis von Chlamydophila psittaci 173 174 .

5.2 Mikrobiome und Checkpoint-Inhibitoren

Zur Behandlung von Kopf-Hals-Tumoren zugelassen bzw. in der Erprobung sind Antikörper, die PD1 (Programmed cell death protein 1, auch CD279) bzw. CTLA4 (cytotoxic T lymphocyte associated antigen 4) blockieren 175 . PD1- oder „Checkpoint-Inhibitoren“ wurden erst in den letzten Monaten auch für Deutschland zugelassen (wie Nivolumab). Weitere stehen hier vor der Zulassung und sind bereits durch die FDA zur Behandlung von Plattenepithelkarzinomen im Kopf- Hals-Bereich zugelassen (wie Pembrolizumab) 176 . PD-1 wird von aktivierten T-Lymphozyten, B-Zellen, Killer-Zellten (NKT) und T reg Zellen exprimiert 177 und gehört zur Familie der CD 28 Ko-Rezeptoren 178 . Dabei können die Liganden PD1- und PD-2 an diese Rezeptoren binden, wobei scheinbar nur PD-1 neben antigenpräsentierenden Zellen (z. B. Makrophagen 179 ) auch von Tumorzellen exprimiert wird 180 . Ferner ist die Expression von PD-L1 in einigen Plattenepithelkarzinomen (Haut 181 ) mit dem Tumorstadium assoziiert, während die Expression von PD-L2 eher von der Tumorgröße und dem Differentierungsgrad bestimmt wurde 181 .

Das Ligandenpaar aus PD1- und PDL1 ist in der Tumorumgebung lokalisiert und soll helfen, dass die Tumorzellen der Immunreaktion des Wirtes entgehen 182 183 . Dabei bewirkt die Blockade dieser Verbindung einen deutlichen Anstieg von Interferon-Gamma (IFN-Gamma) 184 und damit eine signifikante Veränderung des Mikromilieus um den Tumor. Die Produktion von IFN-Gamma kann dabei deutlich durch das intestinale Mikrobiom beeinflusst werden 185 . Sowohl Ruminococcus (gram negativ), als auch Alistipes (gram-positiv) sind mit einer IFN-Gamma Produktion vergesellschaftet, während ein durch Anreicherung von Lactobacillus verändertes Mikrobiom diese Produktion nahezu verhindern kann. Untersuchungen im Tiermodell der Maus weisen darauf hin, dass das Mikrobiom die Effektivität einer Anti-PDL1 Therapie verstärken könnte. Hier zeigte ein Mikrobiom mit einem hohen Anteil von Bifidobacter ein verbessertes Ansprechen.

CTLA4 ist dagegen ein globaler Immunabwehrpunkt („Checkpoint“), um Immunantworten durch die Herunterregulation von CD4 + T effector (T eff ) Zellen und Verstärkung von T reg Zellaktivität 182 183 zu modulieren. Auch über diesen Mechanismus scheint das Mikrobiom Einfluss auf das Ansprechen von Krebstherapien Einfluss nehmen zu können. So weisen Mäuse, die ohne Bakterienbesiedelung sind oder nach einer Antibiotikatherapie, nur einen geringen Effekt einer Anti-CTLA-4 Therapie 186 . Umgekehrt verändert die CTLA-4-Behandlung das Mikrobiom 186 . Schließlich kann eine immun ausgelöste Colitis unter CTA-4 Therapie mit Ipilimumab durch Bacteroides phlilym Anreicherung vermieden werden 187 . Weiterhin verbessert eine orale Therapie mit dem Antibiotikum Vancomycin eine CTLA4-Immuntherapie 186 .

Im Tiermodell der Maus konnte bei genetisch identischem Tier mit Induktion eines Melanoms deutlich unterschiedliche Ansprechraten auf das unterschiedliche Mikrobiom von Tieren von zwei verschiedenen Züchtern erklärt und auf den günstigen Effekt von Bifidobakterien zurückgeführt werden. Die Zuführung von Bifidobakterien in den Tieren mit dem schlechteren ansprechen konnte dabei die Tumorkontrolle und IFN-Gamma Produktion verbessern 188 .

Insofern mag das Mikrobiom auch ein Biomarker für das Ansprechen einer Therapie bzw. ein Ansatzpunkt sein, um die Effektivität einer eingeleiteten Therapie günstig zu beeinflussen.

5.3 Ausblick

Die Behandlung des Mikrobiomes eröffnet ein völlig neues Therapiegebiet in Abhängigkeit des verwendeten Materiales. Die Stuhltransplantation zur Behandlung von Clostridium difficile wurde seitens des Bundesinstituts für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) als Behandlung mit einem Arzneimittel eingestuft, obwohl eine reproduzierbare Produktion des Stuhles gemäß herkömmlichen pharmakologischen Verständnis derzeit nicht möglich erscheint. Damit beginnt hier eine Grauzone, die auch im Hinblick auf präbiotische Therapien – auch für den Kopf-Hals-Bereich – kritisch zu betrachten ist. Die Diskussion um Veränderungen des Mikrobiomes auch durch eine „nur“ einmalige Antibiotikagabe hilft, das Verschreibungsverhalten unter diesem Aspekt kritisch zu hinterfragen. Bei gemäß aktueller Leitlinie 5–6-maliger Antibiotikatherapie vor Eingriff an den Gaumenmandeln sind hier in der Zukunft Datenerhebungen zur Abwägung der sekundären Schäden am Mikrobiom mit ihren Auswirkungen auf den Wirt sinnvoll und können ggf. eine frühere Intervention verifizieren helfen. Aufgrund der gegenseitigen Interaktionen von Wirt und Mikrobiom auch unabhängig einer Erkrankung und derzeitig noch begrenzten Kenntnisstand ist das Mikrobiom damit zu einer noch unplanbaren Größe zukünftiger Therapien geworden.


Articles from Laryngo- Rhino- Otologie are provided here courtesy of Thieme Medical Publishers

RESOURCES