Nat Med | En multiomikmetod för att kartlägga den integrerade tumören

Nat Med | En multiomisk metod för att kartlägga det integrerade tumör-, immun- och mikrobiella landskapet vid kolorektal cancer avslöjar mikrobiomets interaktion med immunsystemet
Även om biomarkörer för primär koloncancer har studerats ingående under senare år, förlitar sig nuvarande kliniska riktlinjer endast på stadieindelning av tumör-lymfkörtel-metastaser och detektion av DNA-mismatch-reparationsdefekter (MMR) eller mikrosatellitinstabilitet (MSI) (utöver standardpatologitestning) för att fastställa behandlingsrekommendationer. Forskare har noterat en brist på samband mellan genuttrycksbaserade immunsvar, mikrobiella profiler och tumörstroma i Cancer Genome Atlas (TCGA) kolorektal cancerkohorten och patientöverlevnad.

I takt med att forskningen har fortskridit har kvantitativa egenskaper hos primär kolorektal cancer, inklusive cancercellulär, immunologisk, stromal eller mikrobiell natur, rapporterats korrelera signifikant med kliniska resultat, men det finns fortfarande begränsad förståelse för hur deras interaktioner påverkar patientresultaten.
För att dissekera sambandet mellan fenotypisk komplexitet och utfall har ett forskarteam från Sidra Institute of Medical Research i Qatar nyligen utvecklat och validerat en integrerad poäng (mICRoScore) som identifierar en grupp patienter med god överlevnad genom att kombinera mikrobiomets egenskaper och immunavstötningskonstanter (ICR). Teamet utförde en omfattande genomisk analys av färskfrysta prover från 348 patienter med primär kolorektal cancer, inklusive RNA-sekvensering av tumörer och matchad frisk kolorektal vävnad, hel exomsekvensering, djup T-cellsreceptor- och 16S-bakteriell rRNA-gensekvensering, kompletterat med hel tumörgenomsekvensering för att ytterligare karakterisera mikrobiomet. Studien publicerades i Nature Medicine som "En integrerad tumör-, immun- och mikrobiomatlas av koloncancer".

Artikel publicerad i Nature Medicine

AC-ICAM Översikt

Forskare använde en ortogonal genomisk plattform för att analysera färskfrysta tumörprover och matchade intilliggande frisk kolonvävnad (tumörnormala par) från patienter med en histologisk diagnos av koloncancer utan systemisk behandling. Baserat på hel-exomsekvensering (WES), kvalitetskontroll av RNA-sekvenseringsdata och screening enligt inklusionskriterier behölls genomiska data från 348 patienter och användes för nedströmsanalys med en median uppföljningstid på 4,6 år. Forskargruppen döpte denna resurs till Sidra-LUMC AC-ICAM: En karta och guide till immun-cancer-mikrobiominteraktioner (Figur 1).

Molekylklassificering med hjälp av ICR

Genom att samla in en modulär uppsättning immungenetiska markörer för kontinuerlig immunövervakning av cancer, kallad immunavstötningskonstanten (ICR), optimerade forskargruppen ICR genom att kondensera den till en panel med 20 genen som täcker olika cancertyper, inklusive melanom, blåscancer och bröstcancer. ICR har också associerats med immunterapisvar i en mängd olika cancertyper, inklusive bröstcancer.

Först validerade forskarna ICR-signaturen hos AC-ICAM-kohorten med hjälp av en ICR-genbaserad samklassificeringsmetod för att klassificera kohorten i tre kluster/immunsubtyper: hög ICR (heta tumörer), medelhög ICR och låg ICR (kalla tumörer) (Figur 1b). Forskarna karakteriserade immunbenägenheten associerad med konsensusmolekylära subtyper (CMS), en transkriptombaserad klassificering av koloncancer. CMS-kategorierna inkluderade CMS1/immun, CMS2/kanonisk, CMS3/metabolisk och CMS4/mesenkymal. Analysen visade att ICR-poäng var negativt korrelerade med vissa cancercellsvägar i alla CMS-subtyper, och positiva korrelationer med immunsuppressiva och stromalrelaterade vägar observerades endast i CMS4-tumörer.

I alla CMS var förekomsten av naturliga mördarceller (NK) och T-cellsundergrupper högst i ICR-högimmuna undergrupper, med större variation i andra leukocytundergrupper (Figur 1c). ICR-immunsundertyper hade olika OS och PFS, med en progressiv ökning av ICR från låg till hög (Figur 1d), vilket validerar ICR:s prognostiska roll vid kolorektal cancer.

Figur 1. AC-ICAM-studiedesign, immunrelaterad gensignatur, immun- och molekylära subtyper och överlevnad.
ICR fångar tumörberikade, klonalt amplifierade T-celler
Endast en minoritet av T-celler som infiltrerar tumörvävnad har rapporterats vara specifika för tumörantigener (mindre än 10%). Därför kallas majoriteten av intratumör-T-celler för bystander-T-celler (bystander-T-celler). Den starkaste korrelationen med antalet konventionella T-celler med produktiva TCR observerades i stromala cell- och leukocyt-subpopulationer (detekterade med RNA-sekvensering), vilket kan användas för att uppskatta T-cells-subpopulationer (Figur 2a). I ICR-klustren (övergripande och CMS-klassificering) observerades den högsta klonaliteten av immuna SEQ TCR i ICR-höga och CMS-subtyp CMS1/immungrupperna (Figur 2c), med den högsta andelen ICR-höga tumörer. Med hjälp av hela transkriptomet (18 270 gener) var sex ICR-gener (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA och CXCL10) bland de tio generna som var positivt associerade med TCR-immun SEQ-klonalitet (Figur 2d). ImmunoSEQ TCR-klonalitet korrelerade starkare med de flesta ICR-gener än de korrelationer som observerades med tumörresponsiva CD8+-markörer (Figur 2f och 2g). Sammanfattningsvis tyder ovanstående analys på att ICR-signaturen fångar närvaron av tumörberikade, klonalt amplifierade T-celler och kan förklara dess prognostiska implikationer.

Figur 2. TCR-mått och korrelation med immunrelaterade gener, immun- och molekylära subtyper.
Mikrobiomsammansättning i friska vävnader och vävnader med koloncancer
Forskarna utförde 16S rRNA-sekvensering med hjälp av DNA extraherat från matchad tumörvävnad och frisk kolonvävnad från 246 patienter (Figur 3a). För validering analyserade forskarna dessutom 16S rRNA-gensekvenseringsdata från ytterligare 42 tumörprover som inte hade matchat normalt DNA tillgängligt för analys. Först jämförde forskarna den relativa förekomsten av flora mellan matchade tumörer och frisk kolonvävnad. Clostridium perfringens var signifikant förhöjd i tumörerna jämfört med de friska proverna (Figur 3a-3d). Det fanns ingen signifikant skillnad i alfadiversitet (mångfald och förekomst av arter i ett enda prov) mellan tumörprover och friska prover, och en blygsam minskning av mikrobiell mångfald observerades i tumörer med hög ICR i förhållande till tumörer med låg ICR.
För att upptäcka kliniskt relevanta samband mellan mikrobiella profiler och kliniska utfall, siktade forskarna på att använda 16S rRNA-gensekvenseringsdata för att identifiera mikrobiomegenskaper som förutsäger överlevnad. Vid AC-ICAM246 körde forskarna en OS Cox-regressionsmodell som valde ut 41 egenskaper med koefficienter som inte var noll (associerade med differentiell dödlighetsrisk), kallade MBR-klassificerare (Figur 3f).
I denna träningskohort (ICAM246) var ett lågt MBR-värde (MBR<0, lågt MBR) associerat med en signifikant lägre risk för död (85%). Forskarna bekräftade sambandet mellan lågt MBR (risk) och förlängd total överlevnad i två oberoende validerade kohorter (ICAM42 och TCGA-COAD). (Figur 3) Studien visade en stark korrelation mellan endogastriska kocker och MBR-värden, vilka var likartade i tumör- och frisk kolonvävnad.

Figur 3. Mikrobiom i tumör- och frisk vävnad och sambandet med ICR och patientöverlevnad.
Slutsats
Den multiomiska metod som används i denna studie möjliggör grundlig detektion och analys av den molekylära signaturen hos immunsvaret vid kolorektal cancer och avslöjar interaktionen mellan mikrobiomet och immunsystemet. Djup TCR-sekvensering av tumör- och friska vävnader visade att den prognostiska effekten av ICR kan bero på dess förmåga att fånga tumörberikade och eventuellt tumörantigenspecifika T-cellskloner.

Genom att analysera tumörmikrobiomsammansättningen med hjälp av 16S rRNA-gensekvensering i AC-ICAM-prover identifierade teamet en mikrobiomsignatur (MBR-riskpoäng) med starkt prognostiskt värde. Även om denna signatur härleddes från tumörprover, fanns det en stark korrelation mellan frisk kolorektal och tumör-MBR-riskpoäng, vilket tyder på att denna signatur kan fånga patienternas tarmmikrobiomsammansättning. Genom att kombinera ICR- och MBR-poängen var det möjligt att identifiera och validera en multiomisk studentbiomarkör som förutsäger överlevnad hos patienter med tjocktarmscancer. Studiens multiomiska dataset ger en resurs för att bättre förstå tjocktarmscancerbiologi och hjälpa till att upptäcka personliga terapeutiska metoder.

Hänvisning:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI et al. En integrerad tumör-, immun- och mikrobiomatlas över tjocktarmscancer. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).