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

Nat Med | En multi-omik-tilgang til kortlægning af den integrerede tumor, immun- og mikrobielle landskab af kolorektal kræft afslører interaktionen mellem mikrobiomet med immunsystemet
Selvom biomarkører for primær tyktarmskræft er blevet undersøgt i vid udstrækning i de senere år, er de nuværende kliniske retningslinjer kun afhængige af tumor-lymph node-metastase iscenesættelse og påvisning af DNA-mismatch-reparation (MMR) defekter eller mikrosatellit-ustabilitet (MSI) (ud over standardpatologitest) til at bestemme behandlingsanbefalinger. Forskere har bemærket en mangel på sammenhæng mellem genekspressionsbaserede immunresponser, mikrobielle profiler og tumorstroma i kræftgenomatlas (TCGA) kolorektal kræftkohort og patientoverlevelse.

Efterhånden som forskningen er kommet frem, er det rapporteret, at kvantitative egenskaber ved primær kolorektal kræft, herunder kræftcellulær, immun, stromal eller mikrobiel karakter af kræft, signifikant korrelerer med kliniske resultater, men der er stadig begrænset forståelse af, hvordan deres interaktioner påvirker patientens resultater.
For at dissekere forholdet mellem fænotypisk kompleksitet og resultat udviklede et team af forskere fra SIDRA Institute of Medical Research i Qatar for nylig og validerede en integreret score (mikroskore), der identificerer en gruppe patienter med gode overlevelsesrater ved at kombinere mikrobiomegenskaber og immunafvisningskonstanter (ICR). Holdet udførte en omfattende genomisk analyse af friske frosne prøver fra 348 patienter med primær kolorektal kræft, herunder RNA-sekventering af tumorer og matchede sundt kolorektalt væv, hel exom-sekventering, dyb T-celle receptor og 16S bakterielt rRNA-gen-sekventering, tildelt ved hel tumorgenom sekventering for yderligere at karakterisere mikrobiomet. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Medicine som ”en integreret tumor, immun- og mikrobiomatlas af tyktarmskræft”.

Artikel offentliggjort i Nature Medicine

AC-ICAM Oversigt

Forskere brugte en ortogonal genomisk platform til at analysere frosne tumorprøver og matchede tilstødende sundt kolonvæv (tumor-normale par) fra patienter med en histologisk diagnose af tyktarmskræft uden systemisk terapi. Baseret på hel-exome-sekventering (WES), RNA-SEQ-datakvalitetskontrol og screening af inkluderingskriterier blev genomiske data fra 348 patienter bevaret og anvendt til nedstrøms analyse med en median opfølgning på 4,6 år. Forskningsteamet udnævnte denne ressource SIDRA-LUMC AC-ICAM: Et kort og guide til immunkræftmikrobiominteraktioner (figur 1).

Molekylær klassificering ved hjælp af ICR

Opfangning af et modulært sæt immungenetiske markører for kontinuerlig kræftimmunourveillance, kaldet immunkonstanten for afvisning (ICR), optimerede forskerteamet ICR ved at kondensere det til et 20-genpanel, der dækker forskellige kræftformer, herunder melanom, blærekræft og brystkræft. ICR har også været forbundet med immunterapi -respons i en række kræftformer, herunder brystkræft.

Først validerede forskerne ICR-signaturen af ​​AC-ICAM-kohorten ved anvendelse af en ICR-genbaseret co-klassificeringsmetode til at klassificere kohorten i tre klynger/immunundertyper: høje ICR (varme tumorer), medium ICR og lav ICR (kolde tumorer) (figur 1B). Forskere karakteriserede den immunproduktion forbundet med konsensusmolekylære undertyper (CMS), en transkriptombaseret klassificering af tyktarmskræft. CMS -kategorierne inkluderede CMS1/Immune, CMS2/Canonical, CMS3/Metabolic og CMS4/Mesenchymal. Analyse viste, at ICR-scoringer var negativt korreleret med visse kræftcelleveje i alle CMS-undertyper, og positive korrelationer med immunsuppressive og stromalrelaterede veje blev kun observeret i CMS4-tumorer.

I alle CM'er var forekomsten af ​​naturlige dræber (NK) celle- og T -celleundersæt højest i ICR -høje immunundertyper, med større variation i andre leukocytundersæt (figur 1C) .ICR immunundertyper havde forskellige OS og PF'er med en progressiv stigning i ICR fra lav til høj (figur 1D), der validerede Procnostic -rollen i Colorectal kræft.

Figur 1. AC-ICAM-undersøgelsesdesign, immunrelateret gensignatur, immun- og molekylære undertyper og overlevelse.
ICR fanger tumorberiget, klonalt amplificerede T-celler
Kun et mindretal af T -celler, der infiltrerer tumorvæv, er rapporteret at være specifikt for tumorantigener (mindre end 10%). Derfor omtales størstedelen af ​​intra-tumor-T-celler som tilskuer T-celler (tilskuer T-celler). Den stærkeste korrelation med antallet af konventionelle T-celler med produktive TCR'er blev observeret i stromalcelle- og leukocytunderpopulationer (detekteret af RNA-seq), som kan bruges til at estimere T-celle-underpopulationer (figur 2A). I ICR-klyngerne (samlet og CMS-klassificering) blev den højeste klonalitet af immun SEQ TCR'er observeret i ICR-høje og CMS-subtype CMS1/immungrupper (figur 2C) med den højeste andel af ICR-høje tumorer. Ved anvendelse af hele transkriptomet (18.270 gener) var seks ICR -gener (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA og CXCL10) blandt de top ti gener positivt forbundet med TCR -immunsekonalitet (figur 2D). Immunoseq TCR-klonalitet korrelerede stærkere med de fleste ICR-gener end de korrelationer, der blev observeret under anvendelse af tumor-responsive CD8+ -markører (figur 2F og 2G). Afslutningsvis antyder ovennævnte analyse, at ICR-signaturen fanger tilstedeværelsen af ​​tumorberiget, klonalt amplificerede T-celler og muligvis kan forklare dens prognostiske implikationer.

Figur 2. TCR-metrics og korrelation med immunrelaterede gener, immun- og molekylære undertyper.
Mikrobiomsammensætning i sundt og tyktarmskræftvæv
Forskerne udførte 16S rRNA -sekventering under anvendelse af DNA ekstraheret fra matchet tumor og sundt kolonvæv fra 246 patienter (figur 3A). Til validering analyserede forskerne desuden 16S rRNA -gens sekventeringsdata fra yderligere 42 tumorprøver, der ikke havde matchet normalt DNA til rådighed til analyse. For det første sammenlignede forskerne den relative overflod af flora mellem matchede tumorer og sundt kolonvæv. Clostridium perfringens blev signifikant forøget i tumorer sammenlignet med de sunde prøver (figur 3A-3D). Der var ingen signifikant forskel i alfa-mangfoldighed (mangfoldighed og overflod af arter i en enkelt prøve) mellem tumor og sunde prøver, og en beskeden reduktion i mikrobiel mangfoldighed blev observeret i ICR-høje tumorer i forhold til ICR-lave tumorer.
For at detektere klinisk relevante sammenhænge mellem mikrobielle profiler og kliniske resultater havde forskerne til formål at bruge 16S rRNA -gensekventeringsdata til at identificere mikrobiomefunktioner, der forudsiger overlevelse. Hos AC-ICAM246 kørte forskerne en OS COX-regressionsmodel, der valgte 41 funktioner med ikke-nul-koefficienter (forbundet med differentiel dødelighedsrisiko), kaldet MBR-klassifikatorer (figur 3F).
I denne træningskohort (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 langvarig OS i to uafhængigt validerede kohorter (ICAM42 og TCGA-COAD). (Figur 3) Undersøgelsen viste en stærk sammenhæng mellem endogastriske cocci- og MBR -scoringer, som var ens i tumor og sundt tyktarmvæv.

Figur 3. Mikrobiom i tumor og sundt væv og forholdet til ICR og patientoverlevelse.
Konklusion
Multi-Omics-fremgangsmåden anvendt i denne undersøgelse muliggør grundig påvisning og analyse af den molekylære signatur af immunresponset i kolorektal kræft og afslører interaktionen mellem mikrobiomet og immunsystemet. Dyb TCR-sekventering af tumor og sundt væv afslørede, at den prognostiske virkning af ICR kan skyldes dens evne til at fange tumorberiget og muligvis tumorantigenspecifikke T-cellekloner.

Ved at analysere tumormikrobiomsammensætning ved anvendelse af 16S rRNA-gen-sekventering i AC-ICAM-prøver identificerede teamet en mikrobiomsignatur (MBR-risikoscore) med stærk prognostisk værdi. Selvom denne signatur var afledt af tumorprøver, var der en stærk sammenhæng mellem sund kolorektum og tumor MBR -risikoscore, hvilket antyder, at denne signatur kan fange tarmmikrobiomesammensætningen af ​​patienter. Ved at kombinere ICR- og MBR-score var det muligt at identificere og validere en multi-omisk studerende biomarkør, der forudsiger overlevelse hos patienter med tyktarmskræft. Undersøgelsens multi-omiske datasæt giver en ressource til bedre at forstå kolonkræftbiologi og hjælpe med at opdage personaliserede terapeutiske tilgange.

Reference:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, Ei et al. En integreret tumor, immun- og mikrobiomatlas af tyktarmskræft. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).