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Bidirectional microbiota-cancer crosstalk: Emerging platforms for advanced diagnostics and precision therapeutics in oncology - 19/07/26

Doi : 10.1016/j.biopha.2026.119745 
Mahtab Moshref-Javadi a, Ghazale Ahmadbeigi b, Hanieh Ataollahi c, Seti Boroomand d, Sima Kheradmand Kia e, Neda Soleimani a, ⁎, 1 , Noosha Zia-Jahromi c, Mehdi Hedayati f, ⁎, 1
a Department of Microbiology and Microbial Biotechnology, Faculty of Biotechnology and Technology, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran 
b Department of Biotechnology, Faculty of Advanced Medical Sciences, Tehran Medical Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran 
c Department of Biology, ShK.C., Islamic Azad University, Shahrekord, Iran 
d Borgland Family Brain Tissue and DNA Bank, Djavad Mowafaghian Center for Brain Health, University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada 
e Laboratory for Red Blood Cell Diagnostics, Sanquin, Amsterdam, the Netherlands 
f Cellular and Molecular Endocrine Research Center, Research Institute for Endocrine Molecular Biology, Research Institute for Endocrine Sciences, Shahid Beheshti University of Medical Sciences, Tehran, Iran 

⁎ Corresponding authors.

Abstract

Cancer is among the major causes of morbidity and mortality worldwide, and current treatment methods are limited by various drawbacks such as drug resistance, non-specificity, and differences among patients. With recent developments in this field, the human microbiota has emerged as one of the most important determinants for the onset, progression, and treatment of cancer. The bidirectional interactions of host microbiota and malignancies were investigated comprehensively in this review. Firstly, the origins, composition, and functional dynamics of the intra-tumoral microbiome were discussed, and then examined how microbial dysbiosis drives cancer development through DNA damage, chronic inflammation, epithelial–mesenchymal transition, and pharmacological inactivation. Moreover, some of the microbiome-based therapies, including phage-based therapy, bacterial extracellular vesicles, engineered probiotics, CRISPR/microbiome interactions, and microbiome regulation of immune checkpoint inhibitors and CAR T-cell therapy, were considered. In addition, the relevance of metabolites produced by the microbiome and taxonomy-based signatures as non-invasive biomarkers for detecting cancer at its early stages and predicting treatment outcomes is highlighted. The use of pharmacomicrobiomics and multi-omics profiling, along with artificial intelligence/machine learning, will accelerate the process of translating microbiome research into clinical applications and personalized cancer therapy. This review presents practical approaches that will help in leveraging the interaction between the microbiome and host in order to optimize the efficacy of immunotherapy while minimizing the risk of toxicity. Finally, we highlight a refined understanding of the microbiota-cancer axis, which has strong potential to redefine clinical paradigms in oncology and pave the way for more precise, effective, and individualized cancer management.

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Graphical Abstract




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Highlights

•
Microbiota acts as “bugs and drugs” in cancer therapy via immune-metabolic rewiring.
•
Microbiome-cancer axis influences tumor progression and enhances CAR-T efficacy.
•
Microbiome is central to pharmacomicrobiomics, modulating toxicity and drug efficacy.
•
Engineered microbes, phages and CRISPR enable precise and promising cancer targeting.
•
AI improves microbiome-based cancer prediction, diagnosis, and clinical translation.
.

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Keywords : Artificial intelligence, Cancer immunotherapy, Human microbiota, Microbiome-based cancer therapy, Microbiota dysbiosis, Microbiome biomarkers, Pharmacomicrobiomics


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