Nat Med | Multi-omický přístup k mapování integrovaného nádoru

Nat Med | Multi-omický přístup k mapování integrované nádorové, imunitní a mikrobiální krajiny kolorektálního karcinomu odhaluje interakci mikrobiomu s imunitním systémem.
Přestože biomarkery primárního karcinomu tlustého střeva byly v posledních letech rozsáhle studovány, současné klinické doporučené postupy se při stanovení léčebných doporučení spoléhají pouze na staging nádoru-lymfatické uzliny-metastázy a detekci defektů opravy DNA mismatch repair (MMR) nebo mikrosatelitní nestability (MSI) (kromě standardního patologického testování). Výzkumníci zaznamenali nedostatek spojení mezi imunitními odpověďmi založenými na genové expresi, mikrobiálními profily a nádorovým stromatem v kohortě kolorektálního karcinomu Cancer Genome Atlas (TCGA) a přežitím pacientů.

Jak výzkum postupoval, bylo hlášeno, že kvantitativní charakteristiky primárního kolorektálního karcinomu, včetně rakoviny buněčné, imunitní, stromální nebo mikrobiální povahy rakoviny, významně korelují s klinickými výsledky, ale stále existuje omezené chápání toho, jak jejich interakce ovlivňují výsledky pacientů.
Aby bylo možné rozebrat vztah mezi fenotypovou složitostí a výsledkem, tým výzkumníků z Sidra Institute of Medical Research v Kataru nedávno vyvinul a potvrdil integrované skóre (mICRoScore), které identifikuje skupinu pacientů s dobrou mírou přežití kombinací charakteristik mikrobiomu a konstant imunitního odmítnutí (ICR). Tým provedl komplexní genomickou analýzu čerstvých zmrazených vzorků od 348 pacientů s primárním kolorektálním karcinomem, včetně sekvenování RNA nádorů a odpovídající zdravé kolorektální tkáně, sekvenování celého exomu, hlubokého sekvenování T-buněčného receptoru a 16S bakteriálního genu rRNA, doplněné o sekvenování celého genomu nádoru pro další charakterizaci mikrobiomu. Studie byla publikována v Nature Medicine jako „Integrovaný nádorový, imunitní a mikrobiální atlas rakoviny tlustého střeva“.

Článek publikovaný v Nature Medicine

Přehled AC-ICAM

Výzkumníci použili ortogonální genomickou platformu k analýze čerstvých zmrazených vzorků nádorů a porovnali sousední zdravou tkáň tlustého střeva (nádor-normální páry) od pacientů s histologickou diagnózou rakoviny tlustého střeva bez systémové terapie. Na základě sekvenování celého exomu (WES), kontroly kvality dat RNA-seq a screeningu kritérií zařazení byla uchována genomická data od 348 pacientů a použita pro následnou analýzu s mediánem sledování 4,6 roku. Výzkumný tým nazval tento zdroj Sidra-LUMC AC-ICAM: Mapa a průvodce interakcemi imunitního systému, rakoviny a mikrobiomu (obrázek 1).

Molekulární klasifikace pomocí ICR

Výzkumný tým zachytil modulární sadu imunitních genetických markerů pro nepřetržitý imunosurveillance rakoviny, nazývaný imunitní konstanta odmítnutí (ICR), optimalizoval ICR tím, že ji kondenzoval do 20-genového panelu pokrývajícího různé typy rakoviny, včetně melanomu, rakoviny močového měchýře a rakoviny prsu. ICR je také spojován s imunoterapeutickou odpovědí u různých typů rakoviny, včetně rakoviny prsu.

Nejprve vědci ověřili signaturu ICR kohorty AC-ICAM pomocí koklasifikačního přístupu založeného na genu ICR ke klasifikaci kohorty do tří klastrů/imunitních podtypů: vysoké ICR (horké tumory), střední ICR a nízké ICR (studené tumory) (obrázek 1b). Výzkumníci charakterizovali náchylnost k imunitě spojenou s konsenzuálními molekulárními podtypy (CMS), klasifikací rakoviny tlustého střeva založenou na transkriptomu. kategorie CMS zahrnovaly CMS1/imunní, CMS2/kanonický, CMS3/metabolický a CMS4/mezenchymální. Analýza ukázala, že skóre ICR negativně korelovalo s určitými dráhami rakovinných buněk u všech podtypů CMS a pozitivní korelace s imunosupresivními a stromálními dráhami byly pozorovány pouze u nádorů CMS4.

Ve všech CMS byla hojnost přirozených zabíječů (NK) buněk a podskupin T buněk nejvyšší u podtypů ICR s vysokou imunitou, s větší variabilitou u jiných podskupin leukocytů (obrázek 1c). Imunitní podtypy ICR měly různé OS a PFS, s progresivním zvýšením ICR z nízké na vysokou (obrázek 1d), což potvrzuje prognostickou roli ICR u kolorektálního karcinomu.

Obrázek 1. Návrh studie AC-ICAM, signatura genu souvisejícího s imunitou, imunitní a molekulární podtypy a přežití.
ICR zachycuje nádorem obohacené, klonálně amplifikované T buňky
Pouze menšina T buněk infiltrujících nádorovou tkáň byla popsána jako specifická pro nádorové antigeny (méně než 10 %). Proto je většina intratumorových T buněk označována jako přihlížející T buňky (přihlížející T buňky). Nejsilnější korelace s počtem konvenčních T buněk s produktivními TCR byla pozorována u subpopulací stromálních buněk a leukocytů (detekováno pomocí RNA-seq), které lze použít k odhadu subpopulací T buněk (obrázek 2a). V ICR klastrech (celková a CMS klasifikace) byla nejvyšší klonalita imunitních SEQ TCR pozorována ve skupinách s vysokým ICR a CMS podtypem CMS1/imunní (obrázek 2c), s nejvyšším podílem nádorů s vysokým ICR. Při použití celého transkriptomu (18 270 genů) bylo šest ICR genů (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA a CXCL10) mezi prvními deseti geny pozitivně asociovanými s TCR imunitní SEQ klonalitou (obrázek 2d). ImmunoSEQ TCR klonalita korelovala silněji s většinou ICR genů než korelace pozorované s použitím tumor-responzivních CD8+ markerů (obrázek 2f a 2g). Závěrem, výše uvedená analýza naznačuje, že signatura ICR zachycuje přítomnost nádorem obohacených, klonálně amplifikovaných T buněk a může vysvětlovat její prognostické důsledky.

Obrázek 2. Metriky TCR a korelace s geny souvisejícími s imunitou, imunitními a molekulárními podtypy.
Složení mikrobiomu ve zdravých tkáních a tkáních rakoviny tlustého střeva
Vědci provedli sekvenování 16S rRNA pomocí DNA extrahované ze shodného nádoru a zdravé tkáně tlustého střeva od 246 pacientů (obrázek 3a). Pro validaci výzkumníci dodatečně analyzovali data sekvenování genu 16S rRNA z dalších 42 vzorků nádorů, které neměly odpovídající normální DNA dostupnou pro analýzu. Nejprve výzkumníci porovnali relativní množství flóry mezi odpovídajícími nádory a zdravou tkání tlustého střeva. Clostridium perfringens bylo významně zvýšeno v nádorech ve srovnání se zdravými vzorky (obrázek 3a-3d). Nebyl žádný významný rozdíl v alfa diverzitě (diverzita a početnost druhů v jediném vzorku) mezi nádorovými a zdravými vzorky a mírné snížení mikrobiální diverzity bylo pozorováno u nádorů s vysokým ICR ve srovnání s nádory s nízkým ICR.
K detekci klinicky relevantních souvislostí mezi mikrobiálními profily a klinickými výsledky se výzkumníci zaměřili na použití dat sekvenování genu 16S rRNA k identifikaci rysů mikrobiomu, které předpovídají přežití. Na AC-ICAM246 výzkumníci spustili regresní model OS Cox, který vybral 41 prvků s nenulovými koeficienty (spojenými s diferenciálním rizikem úmrtnosti), nazývaných klasifikátory MBR (obrázek 3f).
V této tréninkové kohortě (ICAM246) bylo nízké skóre MBR (MBR<0, nízké MBR) spojeno s významně nižším rizikem úmrtí (85 %). Výzkumníci potvrdili souvislost mezi nízkým MBR (rizikem) a prodlouženým OS ve dvou nezávisle validovaných kohortách (ICAM42 a TCGA-COAD). (Obrázek 3) Studie ukázala silnou korelaci mezi endogastrickými koky a skóre MBR, které byly podobné v nádorové a zdravé tkáni tlustého střeva.

Obrázek 3. Mikrobiom v nádorových a zdravých tkáních a vztah k ICR a přežití pacientů.
Závěr
Multi-omický přístup použitý v této studii umožňuje důkladnou detekci a analýzu molekulárního podpisu imunitní odpovědi u kolorektálního karcinomu a odhaluje interakci mezi mikrobiomem a imunitním systémem. Hluboké sekvenování TCR nádorových a zdravých tkání odhalilo, že prognostický účinek ICR může být způsoben jeho schopností zachytit klony T buněk obohacené o nádor a možná i specifické pro nádorový antigen.

Analýzou složení nádorového mikrobiomu pomocí sekvenování genu 16S rRNA ve vzorcích AC-ICAM tým identifikoval podpis mikrobiomu (skóre rizika MBR) se silnou prognostickou hodnotou. Ačkoli tento podpis byl odvozen ze vzorků nádoru, existovala silná korelace mezi zdravým kolorektem a skóre rizika MBR nádoru, což naznačuje, že tento podpis může zachytit složení střevního mikrobiomu pacientů. Kombinací ICR a MBR skóre bylo možné identifikovat a ověřit multiomický studentský biomarker, který předpovídá přežití u pacientů s rakovinou tlustého střeva. Multi-omický datový soubor studie poskytuje zdroj pro lepší pochopení biologie rakoviny tlustého střeva a pomáhá objevovat personalizované terapeutické přístupy.

Odkaz:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI a kol. Integrovaný nádorový, imunitní a mikrobiomový atlas rakoviny tlustého střeva. Nat Med 29, 1273-1286 (2023).