Nat Med | Мультиомічний підхід до картографування інтегрованої пухлини

Nat Med | Мультиомічний підхід до картографування інтегрованого пухлинного, імунного та мікробного ландшафту колоректального раку розкриває взаємодію мікробіому з імунною системою
Незважаючи на те, що біомаркери первинного раку товстої кишки були широко вивчені останніми роками, поточні клінічні рекомендації покладаються лише на визначення стадії метастазів пухлини та лімфатичних вузлів і виявлення дефектів репарації невідповідності ДНК (MMR) або мікросателітної нестабільності (MSI) (на додаток до стандартного тестування патології) для визначення рекомендацій щодо лікування. Дослідники відзначили відсутність зв’язку між імунною реакцією, заснованою на експресії генів, мікробними профілями та стромою пухлини в групі колоректального раку Атласу геному раку (TCGA) і виживанням пацієнтів.

У ході досліджень було виявлено, що кількісні характеристики первинного колоректального раку, включаючи клітинну, імунну, стромальну або мікробну природу раку, суттєво корелюють з клінічними результатами, але все ще є обмежене розуміння того, як їх взаємодія впливає на результати пацієнтів.
Щоб розібрати зв’язок між фенотиповою складністю та результатом, група дослідників з Інституту медичних досліджень Сідра в Катарі нещодавно розробила та перевірила інтегровану оцінку (mICRoScore), яка визначає групу пацієнтів із хорошими показниками виживання шляхом поєднання характеристик мікробіому та констант імунного відторгнення (ICR). Команда провела всебічний геномний аналіз свіжозаморожених зразків від 348 пацієнтів з первинним колоректальним раком, включаючи секвенування РНК пухлин і відповідної здорової колоректальної тканини, секвенування цілого екзома, глибокого Т-клітинного рецептора та секвенування гена бактеріальної рРНК 16S, доповнене секвенуванням генома цілої пухлини для подальшої характеристики мікробіому. Дослідження було опубліковано в журналі Nature Medicine як «Інтегрований атлас пухлин, імунної та мікробіоми раку товстої кишки».

Стаття опублікована в Nature Medicine

Огляд AC-ICAM

Дослідники використовували ортогональну геномну платформу для аналізу свіжозаморожених зразків пухлини та зіставлення суміжної здорової тканини товстої кишки (пари нормальних пухлин) від пацієнтів із гістологічним діагнозом рак товстої кишки без системної терапії. На основі секвенування цілого екзома (WES), контролю якості даних RNA-seq і перевірки критеріїв включення геномні дані 348 пацієнтів були збережені та використані для подальшого аналізу із середнім періодом спостереження 4,6 року. Дослідницька група назвала цей ресурс Sidra-LUMC AC-ICAM: карта та посібник із взаємодій між імунною системою, раком і мікробіомом (рис. 1).

Молекулярна класифікація за допомогою ICR

Взявши модульний набір імунних генетичних маркерів для безперервного імунологічного нагляду за раком, який називається імунною константою відторгнення (ICR), дослідницька група оптимізувала ICR, конденсуючи його в 20-генну панель, що охоплює різні типи раку, включаючи меланому, рак сечового міхура та рак грудей. ICR також асоціюється з імунотерапевтичною відповіддю на різні типи раку, включаючи рак молочної залози.

По-перше, дослідники підтвердили сигнатуру ICR когорти AC-ICAM, використовуючи підхід спільної класифікації на основі генів ICR, щоб класифікувати когорту на три кластери/імунні підтипи: високий ICR (гарячі пухлини), середній ICR і низький ICR (холодні пухлини) (рис. 1b). Дослідники охарактеризували імунну схильність, пов’язану з консенсусними молекулярними підтипами (CMS), класифікацією раку товстої кишки на основі транскриптому. категорії CMS включали CMS1/імунний, CMS2/канонічний, CMS3/метаболічний і CMS4/мезенхімальний. Аналіз показав, що показники ICR негативно корелювали з певними шляхами ракових клітин у всіх підтипах CMS, а позитивні кореляції з імуносупресивними та стромальними шляхами спостерігалися лише в пухлинах CMS4.

У всіх CMS велика кількість підгруп клітин природних кілерів (NK) і Т-клітин була найвищою в підтипах ICR з високим імунітетом, з більшою варіабельністю в інших підгрупах лейкоцитів (рис. 1c). Імунні підтипи ICR мали різну ОВ і ВБП із прогресивним збільшенням ICR від низького до високого (рис. 1d), що підтверджує прогностичну роль ICR у колоректальному раку.

Рисунок 1. Дизайн дослідження AC-ICAM, сигнатура імунозалежних генів, імунні та молекулярні підтипи та виживання.
ICR захоплює збагачені пухлиною клонально ампліфіковані Т-клітини
Повідомлялося, що лише невелика кількість Т-клітин, що інфільтрують пухлинну тканину, є специфічною для пухлинних антигенів (менше 10%). Тому більшість внутрішньопухлинних Т-клітин називають сторонніми Т-клітинами (спостерігаючими Т-клітинами). Найсильніша кореляція з кількістю звичайних Т-клітин з продуктивними TCR спостерігалася в субпопуляціях стромальних клітин і лейкоцитів (виявлених за допомогою RNA-seq), які можна використовувати для оцінки субпопуляцій Т-клітин (рис. 2а). У кластерах ICR (загальна класифікація та класифікація CMS) найвища клональність імунних SEQ TCR спостерігалася в групах підтипу CMS1/імунних груп з високим ICR і CMS (рис. 2c), з найвищою часткою пухлин з високим ICR. Використовуючи весь транскриптом (18 270 генів), шість генів ICR (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA та CXCL10) увійшли до першої десятки генів, позитивно пов’язаних із клонуванням TCR імунної SEQ (рис. 2d). Клональність ImmunoSEQ TCR сильніше корелювала з більшістю генів ICR, ніж кореляції, що спостерігалися з використанням маркерів CD8+, що реагують на пухлину (рис. 2f і 2g). На завершення вищенаведений аналіз свідчить про те, що сигнатура ICR фіксує наявність збагачених пухлиною клонально ампліфікованих Т-клітин і може пояснити його прогностичні наслідки.

Рисунок 2. Показники TCR і кореляція з імунозалежними генами, імунними та молекулярними підтипами.
Склад мікробіома в здорових тканинах і тканинах раку товстої кишки
Дослідники провели секвенування 16S рРНК, використовуючи ДНК, виділену з відповідної пухлини та здорової тканини товстої кишки 246 пацієнтів (рис. 3а). Для підтвердження дослідники додатково проаналізували дані секвенування гена 16S рРНК з додаткових 42 зразків пухлини, які не мали відповідної нормальної ДНК, доступної для аналізу. По-перше, дослідники порівняли відносну кількість флори між відповідними пухлинами та здоровою тканиною товстої кишки. Clostridium perfringens було значно збільшено в пухлинах порівняно зі здоровими зразками (рис. 3a-3d). Не було значної різниці в альфа-різноманітності (різноманітності та кількості видів в одному зразку) між пухлинними та здоровими зразками, і помірне зменшення мікробного різноманіття спостерігалося в пухлинах з високим ICR порівняно з пухлинами з низьким ICR.
Щоб виявити клінічно значущі зв’язки між мікробними профілями та клінічними результатами, дослідники мали на меті використати дані секвенування гена 16S рРНК для виявлення особливостей мікробіому, які передбачають виживання. На AC-ICAM246 дослідники запустили регресійну модель OS Cox, яка вибрала 41 ознаку з ненульовими коефіцієнтами (пов’язаними з диференціальним ризиком смертності), які називають класифікаторами MBR (рис. 3f).
У цій навчальній когорті (ICAM246) низький показник MBR (MBR<0, низький MBR) асоціювався зі значно нижчим ризиком смерті (85%). Дослідники підтвердили зв’язок між низьким MBR (ризиком) і тривалим OS у двох незалежно підтверджених когортах (ICAM42 і TCGA-COAD). (Малюнок 3) Дослідження показало сильну кореляцію між ендогастральними коками та балами MBR, які були подібними для пухлинної та здорової тканин товстої кишки.

Малюнок 3. Мікробіом пухлини та здорових тканин і зв’язок з ICR та виживаністю пацієнтів.
Висновок
Мультиомічний підхід, використаний у цьому дослідженні, дозволяє ретельно виявити та проаналізувати молекулярну сигнатуру імунної відповіді при колоректальному раку та виявити взаємодію між мікробіомом та імунною системою. Глибоке секвенування TCR пухлини та здорових тканин показало, що прогностичний ефект ICR може бути зумовлений його здатністю захоплювати збагачені пухлиною та, можливо, специфічні до пухлинного антигену клони Т-клітин.

Аналізуючи склад мікробіома пухлини за допомогою секвенування гена 16S рРНК у зразках AC-ICAM, команда визначила сигнатуру мікробіому (оцінка ризику MBR) із сильною прогностичною цінністю. Незважаючи на те, що цей сигнатурний ознака був отриманий із зразків пухлини, існувала сильна кореляція між показником ризику MBR здорової кишки та пухлини, що свідчить про те, що цей сигнатурний ознака може фіксувати мікробіомний склад кишечника пацієнтів. Об’єднавши показники ICR та MBR, вдалося ідентифікувати та перевірити мультиомічний студентський біомаркер, який передбачає виживання пацієнтів з раком товстої кишки. Набір мультиомічних даних дослідження надає ресурс для кращого розуміння біології раку товстої кишки та допомагає виявити персоналізовані терапевтичні підходи.

Посилання:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI та ін. Інтегрований пухлинний, імунний та мікробіомний атлас раку товстої кишки. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).