Nat Med | Multi-omski pristup mapiranju integriranog tumora

Nat Med | Multi-omski pristup mapiranju integriranog tumorskog, imunološkog i mikrobnog pejzaža kolorektalnog karcinoma otkriva interakciju mikrobioma s imunološkim sistemom
Iako su biomarkeri za primarni rak debelog crijeva opsežno proučavani posljednjih godina, trenutne kliničke smjernice se oslanjaju samo na stadij tumora, limfnih čvorova i metastaza i detekciju defekata popravka neusklađenosti DNK (MMR) ili mikrosatelitske nestabilnosti (MSI) (pored standardnog patološkog testiranja) kako bi se odredile preporuke za liječenje. Istraživači su primijetili nedostatak povezanosti između imunoloških odgovora zasnovanih na ekspresiji gena, mikrobnih profila i tumorske strome u kohorti kolorektalnog karcinoma Atlasa genoma raka (TCGA) i preživljavanja pacijenata.

Kako su istraživanja napredovala, zabilježeno je da kvantitativne karakteristike primarnog kolorektalnog karcinoma, uključujući ćelijsku, imunu, stromalnu ili mikrobnu prirodu karcinoma, 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 iz Sidra Instituta za medicinska istraživanja u Kataru nedavno je razvio i validirao integrirani skor (mICRoScore) koji identificira grupu pacijenata s dobrim stopama preživljavanja kombinirajući karakteristike mikrobioma i konstante imunološkog odbacivanja (ICR). Tim je proveo sveobuhvatnu genomsku analizu svježe smrznutih uzoraka od 348 pacijenata s primarnim kolorektalnim karcinomom, uključujući sekvenciranje RNK tumora i uparenog zdravog kolorektalnog tkiva, sekvenciranje cijelog egzoma, sekvenciranje gena dubokog T-ćelijskog receptora i 16S bakterijske rRNA, dopunjeno sekvenciranjem cijelog tumorskog genoma kako bi se dalje okarakterizirao mikrobiom. Studija je objavljena u časopisu Nature Medicine pod nazivom „Integrirani atlas tumora, imunološkog i mikrobioma raka debelog crijeva“.

Članak objavljen u časopisu Nature Medicine

Pregled AC-ICAM-a

Istraživači su koristili ortogonalnu genomsku platformu za analizu svježe smrznutih uzoraka tumora i uparenog susjednog zdravog tkiva debelog crijeva (parovi tumor-normalno tkivo) od pacijenata s histološkom dijagnozom raka debelog crijeva bez sistemske terapije. Na osnovu sekvenciranja cijelog egzoma (WES), kontrole kvalitete RNA-sekvenciranja podataka i skrininga kriterija za uključivanje, genomski podaci od 348 pacijenata su sačuvani i korišteni za daljnju analizu sa srednjim vremenom praćenja od 4,6 godina. Istraživački tim je ovaj resurs nazvao Sidra-LUMC AC-ICAM: Mapa i vodič za interakcije imuniteta, raka i mikrobioma (Slika 1).

Molekularna klasifikacija korištenjem ICR-a

Istraživački tim je optimizirao modularni skup imunoloških genetskih markera za kontinuirani imunološki nadzor raka, nazvan imunološka konstanta odbacivanja (ICR), sažimajući ga u panel od 20 gena koji pokriva različite vrste raka, uključujući melanom, rak mokraćne bešike i rak dojke. ICR je također povezan s imunoterapijskim odgovorom kod različitih vrsta raka, uključujući rak dojke.

Prvo, istraživači su validirali ICR potpis AC-ICAM kohorte, koristeći pristup ko-klasifikacije zasnovan na ICR genima kako bi klasificirali kohortu u tri klastera/imunoloških podtipa: visoki ICR (vrući tumori), srednji ICR i nizak ICR (hladni tumori) (Slika 1b). Istraživači su okarakterizirali imunološku sklonost povezanu sa konsenzusnim molekularnim podtipovima (CMS), klasifikacijom raka debelog crijeva zasnovanom na transkriptomima. CMS kategorije su uključivale CMS1/imunološki, CMS2/kanonski, CMS3/metabolički i CMS4/mezenhimalni. Analiza je pokazala da su ICR rezultati negativno korelirali sa određenim putevima ćelija raka u svim CMS podtipovima, a pozitivne korelacije sa imunosupresivnim i stromalno povezanim putevima uočene su samo kod CMS4 tumora.

U svim CMS-ima, brojnost podskupina prirodnih ćelija ubica (NK) i T ćelija bila je najveća kod ICR podtipova visokog imuniteta, s većom varijabilnosti kod drugih podskupina leukocita (Slika 1c). ICR imunološki podtipovi imali su različito ukupno preživljavanje (OS) i preživljavanje bez progresije (PFS), s progresivnim povećanjem ICR-a od niskog do visokog (Slika 1d), što potvrđuje prognostičku ulogu ICR-a kod kolorektalnog karcinoma.

Slika 1. Dizajn AC-ICAM studije, imunološki povezani genski potpis, imunološki i molekularni podtipovi i preživljavanje.
ICR hvata tumorom obogaćene, klonalno amplificirane T ćelije
Samo manjina T ćelija koje infiltriraju tumorsko tkivo je specifična za tumorske antigene (manje od 10%). Stoga se većina intratumorskih T ćelija naziva promatračkim T ćelijama (bystander T ćelije). Najjača korelacija s brojem konvencionalnih T ćelija s produktivnim TCR-ima uočena je u subpopulacijama stromalnih ćelija i leukocita (detektovano RNA-sekvenciranjem), što se može koristiti za procjenu subpopulacija T ćelija (Slika 2a). U ICR klasterima (ukupna i CMS klasifikacija), najveća klonalnost imunih SEQ TCR-a uočena je u grupama CMS1/imuno podtip sa visokim ICR-om i CMS (Slika 2c), s najvećim udjelom tumora sa visokim ICR-om. Koristeći cijeli transkriptom (18.270 gena), šest ICR gena (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA i CXCL10) bilo je među deset gena pozitivno povezanih s klonalnošću imunih SEQ TCR-a (Slika 2d). Klonalnost ImmunoSEQ TCR gena je snažnije korelirala s većinom ICR gena nego korelacije uočene korištenjem tumor-responzivnih CD8+ markera (Slika 2f i 2g). Zaključno, gornja analiza sugerira da ICR potpis obuhvata prisustvo tumorom obogaćenih, klonalno amplifikovanih T ćelija i može objasniti njegove prognostičke implikacije.

Slika 2. TCR metrike i korelacija s imunološki povezanim genima, imunološkim i molekularnim podtipovima.
Sastav mikrobioma u zdravim i tkivima debelog crijeva s rakom
Istraživači su izvršili sekvenciranje 16S rRNA koristeći DNK ekstrahovanu iz podudarnog tumorskog i zdravog tkiva debelog crijeva od 246 pacijenata (Slika 3a). Radi validacije, istraživači su dodatno analizirali podatke sekvenciranja gena 16S rRNA iz dodatnih 42 uzorka tumora koji nisu imali podudarnu normalnu DNK dostupnu za analizu. Prvo, istraživači su uporedili relativnu zastupljenost flore između podudarnih tumora i zdravog tkiva debelog crijeva. Clostridium perfringens je bio značajno povećan u tumorima u poređenju sa zdravim uzorcima (Slika 3a-3d). Nije bilo značajne razlike u alfa raznolikosti (raznolikost i zastupljenost vrsta u jednom uzorku) između uzoraka tumora i zdravih uzoraka, a uočeno je umjereno smanjenje mikrobne raznolikosti kod tumora sa visokim ICR u odnosu na tumore sa niskim ICR.
Kako bi otkrili klinički relevantne veze između mikrobnih profila i kliničkih ishoda, istraživači su imali za cilj koristiti podatke sekvenciranja gena 16S rRNA za identifikaciju karakteristika mikrobioma koje predviđaju preživljavanje. Na AC-ICAM246, istraživači su proveli OS Cox regresijski model koji je odabrao 41 karakteristiku s koeficijentima različitim od nule (povezanim s diferencijalnim rizikom od smrtnosti), nazvanim MBR klasifikatori (Slika 3f).
U ovoj kohorti za obuku (ICAM246), nizak MBR rezultat (MBR<0, nizak MBR) bio je povezan sa značajno nižim rizikom od smrti (85%). Istraživači su potvrdili povezanost između niskog MBR-a (rizika) i produženog OS-a u dvije nezavisno validirane kohorte (ICAM42 i TCGA-COAD). (Slika 3) Studija je pokazala jaku korelaciju između endogastričnih koki i MBR rezultata, koji su bili slični u tumorskom i zdravom tkivu debelog crijeva.

Slika 3. Mikrobiom u tumoru i zdravim tkivima i odnos između ICR-a i preživljavanja pacijenata.
Zaključak
Multi-omski pristup korišten u ovoj studiji omogućava temeljitu detekciju i analizu molekularnog potpisa imunološkog odgovora kod kolorektalnog karcinoma i otkriva interakciju između mikrobioma i imunološkog sistema. Dubinsko sekvenciranje TCR-a tumorskog i zdravog tkiva otkrilo je da prognostički učinak ICR-a može biti posljedica njegove sposobnosti da uhvati tumorom obogaćene i moguće tumorski antigen-specifične klonove T ćelija.

Analizirajući sastav tumorskog mikrobioma korištenjem sekvenciranja gena 16S rRNA u AC-ICAM uzorcima, tim je identificirao mikrobiomski potpis (MBR rizik) sa snažnom prognostičkom vrijednošću. Iako je ovaj potpis izveden iz uzoraka tumora, postojala je jaka korelacija između zdravog kolorektuma i MBR rizika tumora, što sugerira da ovaj potpis može obuhvatiti sastav crijevnog mikrobioma pacijenata. Kombiniranjem ICR i MBR rezultata, bilo je moguće identificirati i validirati multi-omski studentski biomarker koji predviđa preživljavanje kod pacijenata s rakom debelog crijeva. Multi-omski skup podataka studije pruža resurs za bolje razumijevanje biologije raka debelog crijeva i pomaže u otkrivanju personaliziranih terapijskih pristupa.

Referenca:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI et al. Integrirani tumor, imunološki i mikrobiomski atlas raka debelog crijeva. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).