Nat Med | Multi-omický prístup k mapovaniu integrovaného nádoru

Nat Med | Multi-omický prístup k mapovaniu integrovanej nádorovej, imunitnej a mikrobiálnej krajiny kolorektálneho karcinómu odhaľuje interakciu mikrobiómu s imunitným systémom
Hoci sa biomarkery primárneho karcinómu hrubého čreva v posledných rokoch rozsiahlo skúmali, súčasné klinické smernice sa pri určovaní odporúčaní liečby spoliehajú iba na štádium nádoru, lymfatických uzlín a metastáz a detekciu defektov opravy nesúladu DNA (MMR) alebo mikrosatelitovej instability (MSI) (okrem štandardného patologického testovania). Výskumníci zaznamenali nedostatok súvislosti medzi imunitnými odpoveďami založenými na génovej expresii, mikrobiálnymi profilmi a nádorovou strómou v kohorte kolorektálneho karcinómu v rámci štúdie Cancer Genome Atlas (TCGA) a prežitím pacientov.

S pokrokom výskumu sa uvádza, že kvantitatívne charakteristiky primárneho kolorektálneho karcinómu, vrátane bunkovej, imunitnej, stromálnej alebo mikrobiálnej povahy rakoviny, významne korelujú s klinickými výsledkami, ale stále existuje len obmedzené pochopenie toho, ako ich interakcie ovplyvňujú výsledky liečby pacientov.
Aby sa rozobral vzťah medzi fenotypovou komplexnosťou a výsledkom, tím výskumníkov z Sidra Institute of Medical Research v Katare nedávno vyvinul a validoval integrované skóre (mICRoScore), ktoré identifikuje skupinu pacientov s dobrou mierou prežitia kombináciou charakteristík mikrobiómu a konštánt imunitného odmietnutia (ICR). Tím vykonal komplexnú genomickú analýzu čerstvo zmrazených vzoriek od 348 pacientov s primárnym kolorektálnym karcinómom, vrátane sekvenovania RNA nádorov a zodpovedajúceho zdravého kolorektálneho tkaniva, sekvenovania celého exómu, sekvenovania hlbokého T-bunkového receptora a génu 16S bakteriálnej rRNA, doplneného sekvenovaním celého nádorového genómu s cieľom ďalej charakterizovať mikrobióm. Štúdia bola publikovaná v časopise Nature Medicine pod názvom „Integrovaný nádorový, imunitný a mikrobiómový atlas rakoviny hrubého čreva“.

Článok publikovaný v časopise Nature Medicine

Prehľad AC-ICAM

Výskumníci použili ortogonálnu genomickú platformu na analýzu čerstvých zmrazených vzoriek nádorov a porovnateľných susediacich zdravých tkanív hrubého čreva (páry nádor-normálny stav) od pacientov s histologickou diagnózou rakoviny hrubého čreva bez systémovej terapie. Na základe sekvenovania celého exómu (WES), kontroly kvality údajov RNA-seq a skríningu podľa kritérií zaradenia boli genomické údaje od 348 pacientov uchovávané a použité na následnú analýzu s mediánom sledovania 4,6 roka. Výskumný tím pomenoval tento zdroj Sidra-LUMC AC-ICAM: Mapa a sprievodca interakciami imunitného systému, rakoviny a mikrobiómu (obrázok 1).

Molekulárna klasifikácia pomocou ICR

Výskumný tím optimalizoval modulárny súbor imunitných genetických markerov pre kontinuálny imunologický dohľad nad rakovinou, nazývaný imunitná konštanta odmietnutia (ICR), a zhrnul ho do 20-génového panelu pokrývajúceho rôzne typy rakoviny vrátane melanómu, rakoviny močového mechúra a rakoviny prsníka. ICR sa tiež spája s imunoterapeutickou odpoveďou pri rôznych typoch rakoviny vrátane rakoviny prsníka.

Najprv výskumníci overili podpis ICR kohorty AC-ICAM pomocou prístupu spoločnej klasifikácie založeného na génoch ICR na klasifikáciu kohorty do troch klastrov/imunitných podtypov: vysoký ICR (horúce nádory), stredný ICR a nízky ICR (studené nádory) (obrázok 1b). Výskumníci charakterizovali imunitný sklon spojený s konsenzuálnymi molekulárnymi podtypmi (CMS), čo je klasifikácia rakoviny hrubého čreva založená na transkriptómoch. Kategórie CMS zahŕňali CMS1/imunitný, CMS2/kanonický, CMS3/metabolický a CMS4/mezenchymálny. Analýza ukázala, že skóre ICR negatívne korelovalo s určitými dráhami rakovinových buniek vo všetkých podtypoch CMS a pozitívne korelácie s imunosupresívnymi a stromálnymi dráhami boli pozorované iba v nádoroch CMS4.

Vo všetkých CMS bola hojnosť podskupín prirodzených zabíjačských (NK) buniek a T buniek najvyššia u vysokoimunitných podtypov ICR s väčšou variabilitou v ostatných podskupinách leukocytov (obrázok 1c). Imunitné podtypy ICR mali rôzne OS a PFS s progresívnym nárastom ICR od nízkej po vysokú (obrázok 1d), čo potvrdzuje prognostickú úlohu ICR pri kolorektálnom karcinóme.

Obrázok 1. Návrh štúdie AC-ICAM, imunitne podmienený génový podpis, imunitné a molekulárne podtypy a prežitie.
ICR zachytáva nádorom obohatené, klonálne amplifikované T bunky
Len menšina T buniek infiltrujúcich nádorové tkanivo bola hlásená ako špecifická pre nádorové antigény (menej ako 10 %). Preto sa väčšina intratumorálnych T buniek označuje ako priame T bunky (bystander T bunky). Najsilnejšia korelácia s počtom konvenčných T buniek s produktívnymi TCR bola pozorovaná v subpopuláciách stromálnych buniek a leukocytov (detegovaných pomocou RNA-seq), čo možno použiť na odhad subpopulácií T buniek (obrázok 2a). V zhlukoch ICR (celková a CMS klasifikácia) bola najvyššia klonalita imunitných SEQ TCR pozorovaná v skupinách ICR-high a CMS subtypu CMS1/imunitné skupiny (obrázok 2c) s najvyšším podielom nádorov s ICR-high. Použitím celého transkriptómu (18 270 génov) patrilo šesť génov ICR (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA a CXCL10) medzi desať najpozitívnejšie asociovaných s klonalitou imunitných SEQ TCR (obrázok 2d). Klonalita TCR imunoSEQ korelovala silnejšie s väčšinou génov ICR ako korelácie pozorované s použitím markerov CD8+ reagujúcich na nádor (obrázok 2f a 2g). Záverom možno povedať, že vyššie uvedená analýza naznačuje, že podpis ICR zachytáva prítomnosť nádorom obohatených, klonálne amplifikovaných T buniek a môže vysvetľovať jeho prognostické dôsledky.

Obrázok 2. Metriky TCR a korelácia s imunitne súvisiacimi génmi, imunitnými a molekulárnymi podtypmi.
Zloženie mikrobiómu v zdravých tkanivách a tkanivách hrubého čreva s rakovinou
Výskumníci vykonali sekvenovanie 16S rRNA s použitím DNA extrahovanej zo zhodného nádoru a zdravého tkaniva hrubého čreva od 246 pacientov (obrázok 3a). Na validáciu výskumníci dodatočne analyzovali údaje o sekvenovaní génu 16S rRNA z ďalších 42 vzoriek nádorov, ktoré nemali k dispozícii zhodnú normálnu DNA na analýzu. Najprv výskumníci porovnali relatívnu abundanciu flóry medzi zhodnými nádormi a zdravým tkanivom hrubého čreva. Clostridium perfringens bolo v nádoroch signifikantne zvýšené v porovnaní so zdravými vzorkami (obrázky 3a-3d). Nebol zistený žiadny významný rozdiel v alfa diverzite (diverzita a početnosť druhov v jednej vzorke) medzi nádorom a zdravými vzorkami a v nádoroch s vysokým ICR v porovnaní s nádormi s nízkym ICR sa pozorovalo mierne zníženie mikrobiálnej diverzity.
Na zistenie klinicky relevantných súvislostí medzi mikrobiálnymi profilmi a klinickými výsledkami sa výskumníci zamerali na použitie údajov zo sekvenovania génov 16S rRNA na identifikáciu znakov mikrobiómu, ktoré predpovedajú prežitie. V štúdii AC-ICAM246 výskumníci spustili regresný model OS Cox, ktorý vybral 41 znakov s nenulovými koeficientmi (spojenými s rozdielnym rizikom úmrtnosti), nazývanými klasifikátory MBR (obrázok 3f).
V tejto tréningovej kohorte (ICAM246) bolo nízke skóre MBR (MBR < 0, nízke MBR) spojené s významne nižším rizikom úmrtia (85 %). Výskumníci potvrdili súvislosť medzi nízkym MBR (rizikom) a predĺženým OS v dvoch nezávisle validovaných kohortách (ICAM42 a TCGA-COAD). (Obrázok 3) Štúdia preukázala silnú koreláciu medzi endogastrickými kokmi a skóre MBR, ktoré boli podobné v nádorovom a zdravom tkanive hrubého čreva.

Obrázok 3. Mikrobióm v nádore a zdravých tkanivách a vzťah medzi ICR a prežívaním pacientov.
Záver
Multi-omický prístup použitý v tejto štúdii umožňuje dôkladnú detekciu a analýzu molekulárneho podpisu imunitnej odpovede pri kolorektálnom karcinóme a odhaľuje interakciu medzi mikrobiómom a imunitným systémom. Hlboké sekvenovanie TCR nádorových a zdravých tkanív ukázalo, že prognostický účinok ICR môže byť spôsobený jeho schopnosťou zachytiť klony T buniek obohatené o nádor a pravdepodobne aj špecifické pre nádorový antigén.

Analýzou zloženia nádorového mikrobiómu pomocou sekvenovania génu 16S rRNA vo vzorkách AC-ICAM tím identifikoval podpis mikrobiómu (skóre rizika MBR) so silnou prognostickou hodnotou. Hoci tento podpis bol odvodený zo vzoriek nádoru, existovala silná korelácia medzi zdravým kolorektom a skóre rizika MBR nádoru, čo naznačuje, že tento podpis môže zachytiť zloženie črevného mikrobiómu pacientov. Kombináciou skóre ICR a MBR bolo možné identifikovať a validovať multiomický študentský biomarker, ktorý predpovedá prežitie u pacientov s rakovinou hrubého čreva. Multiomický súbor údajov štúdie poskytuje zdroj pre lepšie pochopenie biológie rakoviny hrubého čreva a pomáha objavovať personalizované terapeutické prístupy.

Referencia:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI a kol. Integrovaný nádorový, imunitný a mikrobiálny atlas rakoviny hrubého čreva. Nat Med 29, 1273-1286 (2023).