Nat Med | En multi-omics-tilnærming for å kartlegge den integrerte svulsten

Nat Med | En multi-omics-tilnærming for å kartlegge det integrerte svulst-, immun- og mikrobielle landskapet til kolorektal kreft avslører interaksjonen mellom mikrobiomet og immunsystemet
Selv om biomarkører for primær tykktarmskreft har blitt studert mye de siste årene, er gjeldende kliniske retningslinjer kun avhengig av stadieinndeling av tumor-lymfeknute-metastase og påvisning av DNA mismatch repair (MMR)-defekter eller mikrosatellitt-instabilitet (MSI) (i tillegg til standard patologitesting) for å bestemme behandlingsanbefalinger. Forskere har notert en mangel på assosiasjon mellom genuttrykk-baserte immunresponser, mikrobielle profiler og tumorstroma i Cancer Genome Atlas (TCGA) kolorektal kreftkohort og pasientoverlevelse.

Etter hvert som forskningen har utviklet seg, har kvantitative egenskaper ved primær tykktarmskreft, inkludert kreftcellulær, immun, stromal eller mikrobiell karakter av kreften, blitt rapportert å korrelere signifikant med kliniske utfall, men det er fortsatt begrenset forståelse for hvordan deres interaksjoner påvirker pasientresultatene.
For å dissekere forholdet mellom fenotypisk kompleksitet og utfall, utviklet og validerte et team av forskere fra Sidra Institute of Medical Research i Qatar nylig en integrert skåre (mICRoScore) som identifiserer en gruppe pasienter med gode overlevelsesrater ved å kombinere mikrobiomkarakteristikker og immunavvisningskonstanter (ICR). Teamet utførte en omfattende genomisk analyse av ferske frosne prøver fra 348 pasienter med primær kolorektal kreft, inkludert RNA-sekvensering av svulster og matchet sunt kolorektalt vev, helt eksomsekvensering, dyp T-cellereseptor og 16S bakteriell rRNA-gensekvensering, supplert med hele tumorgenomsekvensen for ytterligere å karakterisere mikrobiogenomsekvensen. Studien ble publisert i Nature Medicine som "En integrert svulst-, immun- og mikrobiomatlas for tykktarmskreft".

Artikkel publisert i Nature Medicine

AC-ICAM Oversikt

Forskere brukte en ortogonal genomisk plattform for å analysere ferske frosne tumorprøver og matchet tilstøtende sunt tykktarmsvev (tumornormale par) fra pasienter med en histologisk diagnose av tykktarmskreft uten systemisk terapi. Basert på hel-eksom-sekvensering (WES), kvalitetskontroll av RNA-seq-data og screening av inklusjonskriterier, ble genomiske data fra 348 pasienter beholdt og brukt til nedstrømsanalyse med en median oppfølging på 4,6 år. Forskerteamet ga denne ressursen navnet Sidra-LUMC AC-ICAM: A map and guide to immune-cancer-microbiome interactions (Figur 1).

Molekylær klassifisering ved hjelp av ICR

Ved å fange et modulært sett med immungenetiske markører for kontinuerlig kreftimmunovervåking, kalt immunkonstanten for avvisning (ICR), optimaliserte forskerteamet ICR ved å kondensere det til et 20-geners panel som dekker forskjellige krefttyper, inkludert melanom, blærekreft og brystkreft. ICR har også vært assosiert med immunterapirespons i en rekke krefttyper, inkludert brystkreft.

Først validerte forskerne ICR-signaturen til AC-ICAM-kohorten, ved å bruke en ICR-genbasert samklassifiseringstilnærming for å klassifisere kohorten i tre klynger/immunsubtyper: høy ICR (varme svulster), middels ICR og lav ICR (kalde svulster) (Figur 1b). Forskere karakteriserte immuntilbøyeligheten assosiert med konsensusmolekylære subtyper (CMS), en transkriptombasert klassifisering av tykktarmskreft. CMS-kategoriene inkluderte CMS1/immun, CMS2/kanonisk, CMS3/metabolsk og CMS4/mesenkymal. Analyse viste at ICR-score var negativt korrelert med visse kreftcelleveier i alle CMS-subtyper, og positive korrelasjoner med immunsuppressive og stromal-relaterte veier ble kun observert i CMS4-svulster.

I alle CMS var forekomsten av naturlige dreperceller (NK) og T-celleundergrupper høyest i ICR høye immunsubtyper, med større variasjon i andre leukocyttundergrupper (Figur 1c). ICR-immunundertyper hadde forskjellige OS og PFS, med en progressiv økning i ICR fra lav til høy (Figur 1d), som validerte den prognostiske kreftrollen til ICR.

Figur 1. AC-ICAM studiedesign, immunrelatert gensignatur, immune og molekylære subtyper og overlevelse.
ICR fanger opp tumoranrikede, klonalt amplifiserte T-celler
Bare et mindretall av T-celler som infiltrerer tumorvev er rapportert å være spesifikke for tumorantigener (mindre enn 10%). Derfor blir flertallet av intra-tumor T-celler referert til som bystander T-celler (bystander T-celler). Den sterkeste korrelasjonen med antall konvensjonelle T-celler med produktive TCR-er ble observert i stromalcelle- og leukocyttsubpopulasjoner (påvist av RNA-seq), som kan brukes til å estimere T-cellesubpopulasjoner (figur 2a). I ICR-klyngene (totalt og CMS-klassifisering) ble den høyeste klonaliteten av immun-SEQ-TCR-er observert i ICR-høy- og CMS-subtype CMS1/immungruppene (Figur 2c), med den høyeste andelen ICR-høye svulster. Ved å bruke hele transkriptomet (18 270 gener), var seks ICR-gener (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA og CXCL10) blant de ti beste genene som var positivt assosiert med TCR-immun SEQ-klonalitet (Figur 2d). ImmunoSEQ TCR-klonalitet korrelerte sterkere med de fleste ICR-gener enn korrelasjonene observert ved bruk av tumor-responsive CD8+-markører (figur 2f og 2g). Som konklusjon antyder analysen ovenfor at ICR-signaturen fanger opp tilstedeværelsen av tumoranrikede, klonalt amplifiserte T-celler og kan forklare dens prognostiske implikasjoner.

Figur 2. TCR-metrikker og korrelasjon med immunrelaterte gener, immune og molekylære subtyper.
Mikrobiomsammensetning i sunt og tykktarmskreftvev
Forskerne utførte 16S rRNA-sekvensering ved bruk av DNA ekstrahert fra matchet tumor og sunt tykktarmsvev fra 246 pasienter (figur 3a). For validering analyserte forskerne i tillegg 16S rRNA-gensekvenseringsdata fra ytterligere 42 tumorprøver som ikke samsvarte med normal DNA tilgjengelig for analyse. Først sammenlignet forskerne den relative overfloden av flora mellom matchede svulster og sunt tykktarmsvev. Clostridium perfringens var signifikant økt i svulstene sammenlignet med de friske prøvene (Figur 3a-3d). Det var ingen signifikant forskjell i alfa-diversitet (mangfold og overflod av arter i en enkelt prøve) mellom tumor og friske prøver, og en beskjeden reduksjon i mikrobiell mangfold ble observert i ICR-høye svulster i forhold til ICR-lave svulster.
For å oppdage klinisk relevante assosiasjoner mellom mikrobielle profiler og kliniske utfall, hadde forskerne som mål å bruke 16S rRNA-gensekvenseringsdata for å identifisere mikrobiomfunksjoner som forutsier overlevelse. På AC-ICAM246 kjørte forskerne en OS Cox-regresjonsmodell som valgte 41 funksjoner med koeffisienter som ikke er null (assosiert med differensiell dødelighetsrisiko), kalt MBR-klassifikatoren (Figur 3f).
I denne treningskohorten (ICAM246) var en lav MBR-score (MBR<0, lav MBR) assosiert med en signifikant lavere risiko for død (85%). Forskere bekreftet sammenhengen mellom lav MBR (risiko) og forlenget OS i to uavhengig validerte kohorter (ICAM42 og TCGA-COAD). (Figur 3) Studien viste en sterk korrelasjon mellom endogastriske kokker og MBR-skåre, som var like i tumor og sunt tykktarmsvev.

Figur 3. Mikrobiom i tumor og friskt vev og forholdet til ICR og pasientoverlevelse.
Konklusjon
Multi-omics-tilnærmingen som brukes i denne studien muliggjør grundig deteksjon og analyse av den molekylære signaturen til immunresponsen ved tykktarmskreft og avslører interaksjonen mellom mikrobiomet og immunsystemet. Dyp TCR-sekvensering av tumor og sunt vev avslørte at den prognostiske effekten av ICR kan skyldes dens evne til å fange opp tumoranrikede og muligens tumorantigenspesifikke T-cellekloner.

Ved å analysere tumormikrobiomsammensetning ved bruk av 16S rRNA-gensekvensering i AC-ICAM-prøver, identifiserte teamet en mikrobiomsignatur (MBR-risikoscore) med sterk prognostisk verdi. Selv om denne signaturen ble avledet fra tumorprøver, var det en sterk korrelasjon mellom sunt kolorektum og tumor MBR-risikoscore, noe som tyder på at denne signaturen kan fange opp tarmmikrobiomets sammensetning til pasienter. Ved å kombinere ICR- og MBR-skårene var det mulig å identifisere og validere en multiomisk studentbiomarkør som forutsier overlevelse hos pasienter med tykktarmskreft. Studiens multi-omiske datasett gir en ressurs for å bedre forstå tykktarmskreftbiologien og bidra til å oppdage personlige terapeutiske tilnærminger.

Referanse:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI et al. Et integrert svulst-, immun- og mikrobiomatlas for tykktarmskreft. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).