Nat Med | En multi-omics tilgang til kortlægning af den integrerede tumor

Nat Med | En multi-omics tilgang til kortlægning af det integrerede tumor-, immun- og mikrobielle landskab af kolorektal cancer afslører mikrobiomets interaktion med immunsystemet
Selvom biomarkører for primær tyktarmskræft er blevet undersøgt indgående i de senere år, er de nuværende kliniske retningslinjer kun afhængige af tumor-lymfeknude-metastase-stadieinddeling og påvisning af DNA-mismatch repair (MMR)-defekter eller mikrosatellitinstabilitet (MSI) (ud over standard patologitestning) for at bestemme behandlingsanbefalinger. Forskere har bemærket en mangel på sammenhæng mellem genekspressionsbaserede immunresponser, mikrobielle profiler og tumorstroma i Cancer Genome Atlas (TCGA) kolorektal cancer-kohorte og patientoverlevelse.

Efterhånden som forskningen er skredet frem, er kvantitative karakteristika ved primær kolorektal cancer, herunder cancercellulær, immun, stromal eller mikrobiel karakter af canceren, blevet rapporteret at korrelere signifikant med kliniske resultater, men der er stadig begrænset forståelse af, hvordan deres interaktioner påvirker patientresultater.
For at dissekere forholdet mellem fænotypisk kompleksitet og udfald har et team af forskere fra Sidra Institute of Medical Research i Qatar for nylig udviklet og valideret en integreret score (mICRoScore), der identificerer en gruppe patienter med gode overlevelsesrater ved at kombinere mikrobiom-karakteristika og immunafstødningskonstanter (ICR). Holdet udførte en omfattende genomisk analyse af friske frosne prøver fra 348 patienter med primær kolorektal cancer, inklusive RNA-sekventering af tumorer og matchende sundt kolorektalt væv, hel exom-sekventering, dyb T-celle-receptor og 16S bakteriel rRNA-gensekventering, suppleret med hel-tumorgenom-sekvensering for yderligere at karakterisere det mikrobiotiske genom-sekvensering. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Medicine som "En integreret tumor-, immun- og mikrobiomatlas over tyktarmskræft".

Artikel offentliggjort i Nature Medicine

AC-ICAM Oversigt

Forskere brugte en ortogonal genomisk platform til at analysere friske frosne tumorprøver og matchede tilstødende sundt tyktarmsvæv (tumor-normale par) fra patienter med en histologisk diagnose af tyktarmskræft uden systemisk terapi. Baseret på hel-eksom-sekventering (WES), RNA-seq-datakvalitetskontrol og screening af inklusionskriterier, blev genomiske data fra 348 patienter bevaret og brugt til downstream-analyse med en medianopfølgning på 4,6 år. Forskerholdet navngav denne ressource Sidra-LUMC AC-ICAM: A map and guide to immune-cancer-microbiom interactions (figur 1).

Molekylær klassificering ved hjælp af ICR

Ved at fange et modulært sæt af immun-genetiske markører til kontinuerlig cancerimmunovervågning, kaldet immunkonstanten for afstødning (ICR), optimerede forskerholdet ICR ved at kondensere det til et 20-gener panel, der dækker forskellige kræfttyper, herunder melanom, blærekræft og brystkræft. ICR er også blevet forbundet med immunterapirespons i en række forskellige cancertyper, herunder brystkræft.

Først validerede forskerne ICR-signaturen for AC-ICAM-kohorten ved at bruge en ICR-genbaseret co-klassificeringstilgang til at klassificere kohorten i tre klynger/immunsubtyper: høj ICR (varme tumorer), medium ICR og lav ICR (kolde tumorer) (Figur 1b). Forskere karakteriserede immuntilbøjeligheden forbundet med konsensus molekylære subtyper (CMS), en transkriptom-baseret klassificering af tyktarmskræft. CMS-kategorierne omfattede CMS1/immun, CMS2/kanonisk, CMS3/metabolisk og CMS4/mesenchymal. Analyse viste, at ICR-score var negativt korreleret med visse cancercelleveje i alle CMS-subtyper, og positive korrelationer med immunsuppressive og stromalrelaterede veje blev kun observeret i CMS4-tumorer.

I alle CMS var overfloden af ​​naturlige dræberceller (NK) og T-celle-undergrupper højest i ICR-høje immunundertyper, med større variabilitet i andre leukocytundergrupper (figur 1c).ICR-immunundertyper havde forskellige OS og PFS, med en progressiv stigning i ICR fra lav til høj (figur 1d), hvilket validerede den prognostiske kræftrolle i ICR.

Figur 1. AC-ICAM undersøgelsesdesign, immunrelateret gensignatur, immune og molekylære undertyper og overlevelse.
ICR fanger tumorberigede, klonalt amplificerede T-celler
Kun et mindretal af T-celler, der infiltrerer tumorvæv, er blevet rapporteret at være specifikke for tumorantigener (mindre end 10%). Derfor omtales størstedelen af ​​intratumor-T-celler som bystander-T-celler (bystander-T-celler). Den stærkeste korrelation med antallet af konventionelle T-celler med produktive TCR'er blev observeret i stromacelle- og leukocytsubpopulationer (påvist ved RNA-seq), som kan bruges til at estimere T-cellesubpopulationer (figur 2a). I ICR-klyngerne (overordnet og CMS-klassificering) blev den højeste klonalitet af immun-SEQ-TCR'er observeret i ICR-høj- og CMS-subtype CMS1/immungrupper (figur 2c), med den højeste andel af ICR-høje tumorer. Ved at bruge hele transkriptomet (18.270 gener) var seks ICR-gener (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA og CXCL10) blandt de ti bedste gener, der var positivt forbundet med TCR-immun SEQ-klonalitet (figur 2d). ImmunoSEQ TCR-klonalitet korrelerede stærkere med de fleste ICR-gener end korrelationerne observeret ved brug af tumor-responsive CD8+-markører (figur 2f og 2g). Som konklusion antyder ovenstående analyse, at ICR-signaturen fanger tilstedeværelsen af ​​tumorberigede, klonalt amplificerede T-celler og kan forklare dens prognostiske implikationer.

Figur 2. TCR-metrikker og korrelation med immunrelaterede gener, immune og molekylære undertyper.
Mikrobiomsammensætning i sundt væv og tyktarmskræftvæv
Forskerne udførte 16S rRNA-sekventering ved hjælp af DNA ekstraheret fra matchet tumor og sundt tyktarmsvæv fra 246 patienter (figur 3a). Til validering analyserede forskerne desuden 16S rRNA-gensekventeringsdata fra yderligere 42 tumorprøver, der ikke matchede normalt DNA tilgængeligt til analyse. Først sammenlignede forskerne den relative overflod af flora mellem matchede tumorer og sundt tyktarmsvæv. Clostridium perfringens var signifikant forøget i tumorerne sammenlignet med de raske prøver (figur 3a-3d). Der var ingen signifikant forskel i alfa-diversitet (diversitet og overflod af arter i en enkelt prøve) mellem tumor og raske prøver, og en beskeden reduktion i mikrobiel diversitet blev observeret i ICR-høje tumorer i forhold til ICR-lave tumorer.
For at påvise klinisk relevante sammenhænge mellem mikrobielle profiler og kliniske resultater, sigtede forskerne på at bruge 16S rRNA-gensekvenseringsdata til at identificere mikrobiomfunktioner, der forudsiger overlevelse. På AC-ICAM246 kørte forskerne en OS Cox-regressionsmodel, der udvalgte 41 funktioner med ikke-nul-koefficienter (associeret med differentiel dødelighedsrisiko), kaldet MBR-klassifikatorer (figur 3f).
I denne træningskohorte (ICAM246) var en lav MBR-score (MBR<0, lav MBR) forbundet med en signifikant lavere risiko for død (85%). Forskere bekræftede sammenhængen mellem lav MBR (risiko) og forlænget OS i to uafhængigt validerede kohorter (ICAM42 og TCGA-COAD). (Figur 3) Undersøgelsen viste en stærk sammenhæng mellem endogastriske kokker og MBR-score, som var ens i tumor- og sundt tyktarmsvæv.

Figur 3. Mikrobiom i tumor og sundt væv og forholdet til ICR og patientoverlevelse.
Konklusion
Den multi-omics-tilgang, der anvendes i denne undersøgelse, muliggør grundig detektion og analyse af den molekylære signatur af immunresponset i tyktarmskræft og afslører interaktionen mellem mikrobiomet og immunsystemet. Dyb TCR-sekventering af tumor og sundt væv afslørede, at den prognostiske effekt af ICR kan skyldes dets evne til at fange tumorberigede og muligvis tumorantigenspecifikke T-cellekloner.

Ved at analysere tumormikrobiomsammensætning ved hjælp af 16S rRNA-gensekventering i AC-ICAM-prøver identificerede holdet en mikrobiomsignatur (MBR-risikoscore) med stærk prognostisk værdi. Selvom denne signatur blev afledt af tumorprøver, var der en stærk korrelation mellem sundt kolorektum og tumor MBR-risikoscore, hvilket tyder på, at denne signatur kan fange sammensætningen af ​​tarmmikrobiom hos patienter. Ved at kombinere ICR- og MBR-scorerne var det muligt at identificere og validere en multiomisk elevbiomarkør, der forudsiger overlevelse hos patienter med tyktarmskræft. Undersøgelsens multi-omiske datasæt giver en ressource til bedre at forstå tyktarmskræftbiologi og hjælpe med at opdage personlige terapeutiske tilgange.

Reference:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI et al. Et integreret tumor-, immun- og mikrobiomatlas over tyktarmskræft. Nat Med 29, 1273-1286 (2023).