Nat Med | Multi-omički pristup mapiranju integriranog tumora

Nat Med | Multiomički pristup mapiranju integriranog tumorskog, imunološkog i mikrobnog krajolika raka debelog crijeva otkriva interakciju mikrobioma s imunološkim sustavom
Iako su biomarkeri za primarni rak debelog crijeva opsežno proučavani posljednjih godina, trenutne kliničke smjernice oslanjaju se samo na određivanje stadija metastaza tumora i limfnih čvorova i otkrivanje defekata popravka mismatch DNA (MMR) ili mikrosatelitske nestabilnosti (MSI) (uz standardno patološko testiranje ) za određivanje preporuka za liječenje. Istraživači su uočili nedostatak povezanosti između imunoloških odgovora temeljenih na ekspresiji gena, mikrobnih profila i strome tumora u kohorti kolorektalnog karcinoma atlasa genoma raka (TCGA) i preživljenja pacijenata.

Kako su istraživanja napredovala, objavljeno je da kvantitativne karakteristike primarnog kolorektalnog karcinoma, uključujući staničnu, imunološku, stromalnu ili mikrobnu prirodu raka, značajno koreliraju s kliničkim ishodima, ali još uvijek postoji ograničeno razumijevanje kako njihove interakcije utječu na ishode pacijenata .
Kako bi analizirali odnos između fenotipske složenosti i ishoda, tim istraživača s Instituta za medicinska istraživanja Sidra u Kataru nedavno je razvio i potvrdio integriranu ocjenu (mICRoScore) koja identificira skupinu pacijenata s dobrim stopama preživljavanja kombinacijom karakteristika mikrobioma i imunološkog odbacivanja konstante (ICR). Tim je proveo sveobuhvatnu genomsku analizu svježe smrznutih uzoraka od 348 pacijenata s primarnim kolorektalnim rakom, uključujući sekvenciranje RNA tumora i podudarnog zdravog kolorektalnog tkiva, sekvenciranje cijelog egzoma, duboki T-stanični receptor i sekvenciranje gena 16S bakterijske rRNA, nadopunjeno cijelim tumorom sekvenciranje genoma za daljnju karakterizaciju mikrobioma. Studija je objavljena u časopisu Nature Medicine kao “Integrirani tumorski, imunološki i mikrobiomski atlas raka debelog crijeva”.

Članak objavljen u časopisu Nature Medicine

AC-ICAM Pregled

Istraživači su koristili ortogonalnu genomsku platformu za analizu svježe smrznutih uzoraka tumora i uparivanje susjednog zdravog tkiva debelog crijeva (parovi tumor-normalni) pacijenata s histološkom dijagnozom raka debelog crijeva bez sistemske terapije. Na temelju sekvenciranja cijelog egzoma (WES), kontrole kvalitete podataka RNA-seq i probira kriterija uključivanja, genomski podaci od 348 pacijenata zadržani su i korišteni za daljnju analizu s medijanom praćenja od 4,6 godina. Istraživački tim nazvao je ovaj resurs Sidra-LUMC AC-ICAM: karta i vodič za interakcije imuno-raka i mikrobioma (Slika 1).

Molekularna klasifikacija pomoću ICR-a

Hvatajući modularni skup imunoloških genetskih markera za kontinuirani imunološki nadzor raka, nazvan imunološka konstanta odbacivanja (ICR), istraživački tim optimizirao je ICR kondenzirajući ga u panel od 20 gena koji pokriva različite vrste raka, uključujući melanom, rak mokraćnog mjehura i rak dojke. ICR je također povezan s imunoterapijskim odgovorom kod raznih tipova raka, uključujući rak dojke.

Prvo su istraživači potvrdili ICR potpis kohorte AC-ICAM, koristeći pristup koklasifikaciji temeljen na ICR genima kako bi klasificirali kohortu u tri klastera/imune podtipa: visoki ICR (vrući tumori), srednji ICR i niski ICR (hladni tumori) (Slika 1b). Istraživači su okarakterizirali imunološku sklonost povezanu s konsenzusnim molekularnim podtipovima (CMS), klasifikacijom raka debelog crijeva temeljenom na transkriptomu. CMS kategorije uključivale su CMS1/imunološki, CMS2/kanonski, CMS3/metabolički i CMS4/mezenhimalni. Analiza je pokazala da su ICR rezultati bili u negativnoj korelaciji s određenim putevima stanica raka u svim CMS podtipovima, a pozitivne korelacije s imunosupresivnim i stromalnim putovima uočene su samo u CMS4 tumorima.

U svim CMS-u, broj podskupova stanica prirodnih ubojica (NK) i T stanica bio je najveći u ICR podtipovima s visokim imunitetom, s većom varijabilnošću u drugim podskupinama leukocita (Slika 1c). ICR imunološki podtipovi imali su različite OS i PFS, s progresivnim porastom u ICR-u od niskog do visokog (Slika 1d), potvrđujući prognostičku ulogu ICR-a u kolorektalnom karcinomu.

Slika 1. AC-ICAM dizajn studije, imunološki vezan genski potpis, imunološki i molekularni podtipovi i preživljenje.
ICR hvata tumorom obogaćene, klonalno umnožene T stanice
Zabilježeno je da je samo manji dio T stanica koje se infiltriraju u tumorsko tkivo specifičan za tumorske antigene (manje od 10%). Stoga se većina intratumorskih T stanica naziva promatračkim T stanicama (bystander T stanice). Najjača korelacija s brojem konvencionalnih T-stanica s produktivnim TCR-ima primijećena je u subpopulacijama stromalnih stanica i leukocita (detektiranim pomoću RNA-seq), što se može koristiti za procjenu subpopulacija T-stanica (Slika 2a). U ICR klasterima (ukupna i CMS klasifikacija), najveća klonalnost imunoloških SEQ TCR-ova primijećena je u ICR-visokom i CMS podtipu CMS1/imunim skupinama (Slika 2c), s najvećim udjelom ICR-visokih tumora. Korištenjem cijelog transkriptoma (18 270 gena), šest ICR gena (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA i CXCL10) bili su među prvih deset gena koji su pozitivno povezani s TCR imunološkom SEQ klonalnošću (Slika 2d). Klonalnost ImmunoSEQ TCR jače je korelirala s većinom ICR gena od korelacija uočenih pomoću CD8+ markera koji reagiraju na tumor (Slika 2f i 2g). U zaključku, gornja analiza sugerira da ICR potpis bilježi prisutnost tumorom obogaćenih, klonalno umnoženih T stanica i može objasniti njegove prognostičke implikacije.

Slika 2. TCR metrika i korelacija s imunološki povezanim genima, imunološkim i molekularnim podtipovima.
Sastav mikrobioma u zdravim tkivima i tkivima raka debelog crijeva
Istraživači su izvršili sekvenciranje 16S rRNA koristeći DNA ekstrahiranu iz podudarnog tumorskog i zdravog tkiva debelog crijeva 246 pacijenata (Slika 3a). Za potvrdu, istraživači su dodatno analizirali podatke sekvenciranja gena 16S rRNA iz dodatna 42 uzorka tumora koji nisu imali podudarnu normalnu DNK dostupnu za analizu. Prvo, istraživači su usporedili relativno obilje flore između podudarnih tumora i zdravog tkiva debelog crijeva. Clostridium perfringens bio je značajno povećan u tumorima u usporedbi sa zdravim uzorcima (Slika 3a-3d). Nije bilo značajne razlike u alfa raznolikosti (raznolikost i brojnost vrsta u jednom uzorku) između tumorskih i zdravih uzoraka, a skromno smanjenje mikrobne raznolikosti primijećeno je kod tumora s visokim ICR-om u odnosu na tumore s niskim ICR-om.
Kako bi otkrili klinički relevantne povezanosti između mikrobnih profila i kliničkih ishoda, istraživači su namjeravali upotrijebiti podatke o sekvenciranju gena 16S rRNA kako bi identificirali značajke mikrobioma koje predviđaju preživljavanje. Na AC-ICAM246, istraživači su pokrenuli OS Coxov regresijski model koji je odabrao 41 značajku s koeficijentima različitim od nule (povezanim s diferencijalnim rizikom smrtnosti), nazvanim MBR klasifikatorima (Slika 3f).
U ovoj kohorti za obuku (ICAM246), nizak MBR rezultat (MBR<0, nizak MBR) bio je povezan sa značajno manjim rizikom od smrti (85%). Istraživači su potvrdili povezanost između niskog MBR-a (rizik) i produljenog OS-a u dvije neovisno potvrđene skupine (ICAM42 i TCGA-COAD). (Slika 3) Studija je pokazala jaku korelaciju između endogastričnih koka i MBR rezultata, koji su bili slični u tumorskom i zdravom tkivu debelog crijeva.

Slika 3. Mikrobiom u tumoru i zdravim tkivima i odnos s ICR-om i preživljenjem bolesnika.
Zaključak
Pristup multi-omike korišten u ovoj studiji omogućuje temeljitu detekciju i analizu molekularnog potpisa imunološkog odgovora kod kolorektalnog karcinoma i otkriva interakciju između mikrobioma i imunološkog sustava. Duboko TCR sekvenciranje tumora i zdravih tkiva otkrilo je da prognostički učinak ICR-a može biti posljedica njegove sposobnosti da uhvati tumorom obogaćene i moguće tumorske antigen-specifične T-stanične klonove.

Analizirajući sastav mikrobioma tumora pomoću sekvenciranja gena 16S rRNA u uzorcima AC-ICAM, tim je identificirao potpis mikrobioma (MBR rezultat rizika) sa snažnom prognostičkom vrijednošću. Iako je ovaj potpis izveden iz uzoraka tumora, postojala je snažna korelacija između zdravog kolorektuma i tumorskog MBR rezultata rizika, što sugerira da ovaj potpis može obuhvatiti sastav mikrobioma crijeva pacijenata. Kombinacijom ICR i MBR rezultata, bilo je moguće identificirati i potvrditi biomarker učenika s više omika koji predviđa preživljenje pacijenata s rakom debelog crijeva. Multi-omic skup podataka studije pruža izvor za bolje razumijevanje biologije raka debelog crijeva i pomaže u otkrivanju personaliziranih terapijskih pristupa.

Referenca:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI i sur. Integrirani tumorski, imunološki i mikrobiomski atlas raka debelog crijeva. Nat Med 29, 1273-1286 (2023).