Nat Med | En multiomisk tilnærming til kartlegging av den integrerte svulsten

Nat Med | En multiomisk tilnærming til kartlegging av det integrerte tumor-, immun- og mikrobielle landskapet ved kolorektal kreft avslører samspillet mellom mikrobiomet og immunsystemet
Selv om biomarkører for primær tykktarmskreft har blitt grundig studert de siste årene, er nåværende kliniske retningslinjer kun avhengige av stadieinndeling av tumor-lymfeknute-metastase og deteksjon av DNA-mismatch-reparasjonsdefekter (MMR) eller mikrosatellittinstabilitet (MSI) (i tillegg til standard patologitesting) for å bestemme behandlingsanbefalinger. Forskere har bemerket en mangel på sammenheng mellom genekspresjonsbaserte immunresponser, mikrobielle profiler og tumorstroma i Cancer Genome Atlas (TCGA) kolorektal kreft-kohorten og pasientoverlevelse.

Etter hvert som forskningen har kommet frem, har kvantitative kjennetegn ved primær kolorektal kreft, inkludert kreftens cellulære, immunologiske, stromale eller mikrobielle natur, blitt rapportert å korrelere signifikant med kliniske utfall, men det er fortsatt begrenset forståelse av hvordan interaksjonene deres påvirker pasientutfall.
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 god overlevelsesrate ved å kombinere mikrobiomets egenskaper og immunavstøtningskonstanter (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, hel eksomsekvensering, dyp T-cellereseptor og 16S bakteriell rRNA-gensekvensering, supplert med hel tumorgenomsekvensering for å karakterisere mikrobiomet ytterligere. Studien ble publisert i Nature Medicine som «Et integrert tumor-, immun- og mikrobiomatlas av kolonkreft».

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 (tumor-normale par) fra pasienter med en histologisk diagnose av tykktarmskreft uten systemisk behandling. Basert på hel-eksomsekvensering (WES), kvalitetskontroll av RNA-sekvenseringsdata og screening av inklusjonskriterier, ble genomiske data fra 348 pasienter beholdt og brukt til nedstrømsanalyse med en median oppfølgingstid på 4,6 år. Forskningsteamet kalte denne ressursen Sidra-LUMC AC-ICAM: Et kart og en veiledning til interaksjoner mellom immun-kreft-mikrobiom (figur 1).

Molekylær klassifisering ved bruk av ICR

Ved å fange opp et modulært sett med immungenetiske markører for kontinuerlig immunovervåking av kreft, kalt immunavstøtningskonstanten (ICR), optimaliserte forskerteamet ICR ved å kondensere den til et panel med 20 gener 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 koklassifiseringsmetode for å klassifisere kohorten i tre klynger/immunsubtyper: høy ICR (varme svulster), middels ICR og lav ICR (kalde svulster) (figur 1b). Forskerne karakteriserte immuntilbøyeligheten assosiert med konsensus molekylære subtyper (CMS), en transkriptombasert klassifisering av tykktarmskreft. CMS-kategoriene inkluderte CMS1/immun, CMS2/kanonisk, CMS3/metabolsk og CMS4/mesenkymal. Analysen viste at ICR-score var negativt korrelert med visse kreftcelleveier i alle CMS-subtyper, og positive korrelasjoner med immunsuppressive og stromale relaterte veier ble bare observert i CMS4-svulster.

I alle CMS var forekomsten av naturlige dreperceller (NK-celler) og T-celle-undergrupper høyest i ICR-høyimmune undergrupper, med større variasjon i andre leukocytt-undergrupper (figur 1c). ICR-immune undertyper hadde ulik OS og PFS, med en progressiv økning i ICR fra lav til høy (figur 1d), noe som validerer den prognostiske rollen til ICR ved kolorektal kreft.

Figur 1. AC-ICAM-studiedesign, immunrelatert gensignatur, immun- og molekylære subtyper og overlevelse.
ICR fanger opp tumorberikede, klonalt amplifiserte T-celler
Bare et mindretall av T-celler som infiltrerer tumorvev har blitt rapportert å være spesifikke for tumorantigener (mindre enn 10 %). Derfor refereres majoriteten av intra-tumor T-celler til som bystander T-celler (bystander T-celler). Den sterkeste korrelasjonen med antall konvensjonelle T-celler med produktive TCR-er ble observert i stromale celle- og leukocyttsubpopulasjoner (detektert av RNA-sekvensering), som kan brukes til å estimere T-cellesubpopulasjoner (figur 2a). I ICR-klyngene (total og CMS-klassifisering) ble den høyeste klonaliteten av immune SEQ TCR-er observert i ICR-høye og CMS-subtype CMS1/immungrupper (figur 2c), med den høyeste andelen ICR-høye tumorer. 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 tumorresponsive CD8+-markører (figur 2f og 2g). Avslutningsvis antyder analysen ovenfor at ICR-signaturen fanger opp tilstedeværelsen av tumoranrikede, klonalt amplifiserte T-celler og kan forklare dens prognostiske implikasjoner.

Figur 2. TCR-målinger og korrelasjon med immunrelaterte gener, immun- og molekylære subtyper.
Mikrobiomsammensetning i friskt vev og vev med tykktarmskreft
Forskerne utførte 16S rRNA-sekvensering ved hjelp av DNA ekstrahert fra matchet tumorvev og friskt tykktarmsvev fra 246 pasienter (figur 3a). For validering analyserte forskerne i tillegg 16S rRNA-gensekvenseringsdata fra ytterligere 42 tumorprøver som ikke hadde matchet normalt DNA tilgjengelig for analyse. Først sammenlignet forskerne den relative forekomsten av flora mellom matchede tumorer og friskt tykktarmsvev. Clostridium perfringens var signifikant økt i tumorene sammenlignet med de friske prøvene (figur 3a-3d). Det var ingen signifikant forskjell i alfa-mangfold (mangfold og forekomst av arter i en enkelt prøve) mellom tumor- og friske prøver, og en beskjeden reduksjon i mikrobielt mangfold ble observert i tumorer med høy ICR i forhold til tumorer med lav ICR.
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 predikerer overlevelse. Ved AC-ICAM246 kjørte forskerne en OS Cox-regresjonsmodell som valgte 41 funksjoner med koeffisienter som ikke var null (assosiert med differensiell dødelighetsrisiko), kalt MBR-klassifikatorer (figur 3f).
I denne treningskohorten (ICAM246) var en lav MBR-skåre (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-skårer, som var like i tumorvev og friskt kolonvev.

Figur 3. Mikrobiom i tumor og friskt vev og forholdet mellom ICR og pasientoverlevelse.
Konklusjon
Multiomikk-tilnærmingen som ble brukt i denne studien muliggjør grundig deteksjon og analyse av den molekylære signaturen til immunresponsen ved kolorektal kreft og avslører samspillet mellom mikrobiomet og immunsystemet. Dyp TCR-sekvensering av tumorvev og friskt vev viste at den prognostiske effekten av ICR kan skyldes dens evne til å fange opp tumoranrikede og muligens tumorantigenspesifikke T-cellekloner.

Ved å analysere tumormikrobiomsammensetningen ved hjelp av 16S rRNA-gensekvensering i AC-ICAM-prøver, identifiserte teamet en mikrobiomsignatur (MBR-risikoscore) med sterk prognostisk verdi. Selv om denne signaturen var avledet fra tumorprøver, var det en sterk korrelasjon mellom frisk kolorektum og tumor-MBR-risikoscore, noe som tyder på at denne signaturen kan fange opp pasientenes tarmmikrobiomsammensetning. Ved å kombinere ICR- og MBR-scorene var det mulig å identifisere og validere en multiomisk studentbiomarkør som predikerer overlevelse hos pasienter med tykktarmskreft. Studiens multiomiske datasett gir en ressurs for å bedre forstå tykktarmskreftens biologi 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).