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Tesis:

Contribution of gut microbiota to Anastomotic Leakage in colorectal surgery and its prediction by Machine Learning approach

  • Autor: HERNÁNDEZ GONZÁLEZ, Patricia Irais

  • Título: Contribution of gut microbiota to Anastomotic Leakage in colorectal surgery and its prediction by Machine Learning approach

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIERÍA AGRONÓMICA, ALIMENTARIA Y DE BIOSISTEMAS

  • Departamentos: INGENIERIA AGROFORESTAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76931/

  • Director/a 1º: GALEANO PRIETO, Javier
  • Director/a 2º: CAMPO, Rosa del

  • Resumen: La fístula anastomótica (FA) es una de las complicaciones más críticas después de la cirugía en pacientes con cáncer colorrectal. Se han descrito diversos factores asociados a la formación de FA, sin embargo ningún factor es capaz de predecir está complicación. Evidencias científicas sugieren que la microbiota intestinal puede estar involucrada en el desarrollo de FA, sin embargo, no se ha conseguido detectar qué bacterias específicas pueden tener mayor relación ni cómo interactúan con ello. En esta investigación se recogieron muestras fecales y de biopsia de 111 pacientes diagnosticados con cáncer colorrectal, que fueron intervenidos quirúrgicamente en el Hospital Universitario Ramón y Cajal a lo largo de 2 años. Durante los dos años, 10 (9%) pacientes desarrollaron FA (grupo AL+). Esta tesis tuvo dos objetivos. El primero fue caracterizar la microbiota cultivable y no cultivable en biopsias (del tejido proximal y distal al tumor) y heces. El segundo fue probar varios modelos de aprendizaje automático (ML), tanto con datos clínicos como con datos de la composición de la microbiota intestinal, para predecir la formación de FA. En el estudio de los factores de virulencia, se encontró significación estadística entre los resultados de los grupos AL+ y rAL− ( grupo reducido de controles que no desarollaron FA) para los genes gelE (80% vs 16,6% en Enterococcus faecalis y 20% vs 50% en Enterococcus faecium) y agg (100% vs 33% E. faecium). A pesar de que no se encontró significación estadística de las cepas de los pacientes AL+ en el estudio de colagenasa/proteasa, la cepa E. faecium mostró una marcada producción de proteasa y la cepa E. faecalis una alta producción de colagenasa en este grupo. El análisis de diversidad mostró que las biopsias proximales y distales fueron significativamente diferentes entre los grupos estudiados (AL+ y AL−), mientras que la diversidad de las heces no mostró significación estadística. Los factores clínicos predictivos utilizando ML para FA fueron: altos valores de la proteína C-reactiva (PCR) en el día 5 y cardiopatía, mientras que los factores clínicos para evitar la AL fueron: altos valores de la PCR en el día 3 y diabetes mellitus del tipo 2. Teniendo en cuenta los resultados, las biopsias son las muestras más apropiadas para estudiar la contribución de la microbiota intestinal en la aparición de AL. Finalmente Enterococcus se encuentra presente en la anastomosis después de la cirugía y sus colagenasas y proteasas están implicadas en la degradación de la cicatriz anastomótica. ABSTRACT Anastomotic leakage (AL) is one of the most life-threatening complications after surgery in colorectal cancer patients. Direct predictive factors have not been described yet; therefore, AL can not be prevented and has not decreased over time. Strong scientific evidence suggests that gut microbiota may be involved; however, the implication of specific bacteria is vague. In this research, faecal and biopsy samples from 111 patients diagnosed with colorectal cancer that underwent resective surgery at Hospital Universitario Ramon y Cajal over two years were collected. The aim of this thesis was to characterise the cultivable and non-cultivable microbiota in both faecal samples and mucosal biopsies (proximal and distal to the tumour). Furthermore, to test several machine learning (ML) models in clinical data and microbiota composition to predict AL formation. Over the two years, 10 (9%) patients developed AL (AL+ group). In the virulent factor’s experiment, results showed a statistical significance between the groups (AL+ and rAL−/reduced control group) for the gelE (80% vs 16.6% in Enterococcus faecalis and 20% vs 50% in Enterococcus faecium) and the agg genes (100% vs 33% E. faecalis). Despite that, no statistical significance was found from the strains of the AL+ patients in the collagenase/protease study, E. faecium showed a high protease production, and E. faecalis had a high collagenase production in this group. Diversity analysis showed that the proximal and distal biopsies were significantly different between the studied groups (AL+ and AL−), while the diversity of the faeces was not significant. ML models showed auspicious results. Clinical predictors of AL were high values in 5-day C-reactive protein (CRP) and heart disease, whereas high values in 3-day CRP and type two diabetes mellitus were negative predictors. According to the results, biopsies from surgical margins, rather than faeces, are the most appropriate sample to explore the contribution of the intestinal microbiota to AL. Finally, the genus Enterococcus is only enriched in the anastomosis after surgery, and their collagenases and proteases are involved in the degradation of the anastomotic scar.