Nat Med | En multi-omics-metod för att kartlägga den integrerade tumören

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

Allt eftersom forskningen har fortskridit har kvantitativa egenskaper hos primär kolorektal cancer, inklusive cancercellulär, immun, stromal eller mikrobiell karaktär av cancer, rapporterats signifikant korrelera med kliniska resultat, men det finns fortfarande begränsad förståelse för hur deras interaktioner påverkar patientresultaten.
För att dissekera sambandet mellan fenotypisk komplexitet och utfall utvecklade och validerade ett team av forskare från Sidra Institute of Medical Research i Qatar nyligen en integrerad poäng (mICRoScore) som identifierar en grupp patienter med god överlevnadsgrad genom att kombinera mikrobiomegenskaper 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 hela tumörgenomets sekvensering för att ytterligare karakterisera sekvenseringen av mikrobiomet. Studien publicerades i Nature Medicine som "En integrerad tumör-, immun- och mikrobiomatlas över tjocktarmscancer".

Artikel publicerad i Nature Medicine

AC-ICAM Översikt

Forskare använde en ortogonal genomisk plattform för att analysera färska frysta tumörprover och matchade intilliggande frisk kolonvävnad (tumörnormala par) från patienter med en histologisk diagnos av tjocktarmscancer utan systemisk terapi. Baserat på helexomsekvensering (WES), kvalitetskontroll av RNA-seq-data och screening av inklusionskriterier, behölls genomiska data från 348 patienter och användes för nedströmsanalys med en medianuppföljning på 4,6 år. Forskargruppen döpte denna resurs till Sidra-LUMC AC-ICAM: A map and guide to immune-cancer-microbiome interactions (Figur 1).

Molekylär klassificering med ICR

Genom att fånga en moduluppsättning av genetiska immunmarkörer för kontinuerlig cancerimmunövervakning, kallad immunkonstanten för avstötning (ICR), optimerade forskargruppen ICR genom att kondensera den till en 20-generspanel 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 för AC-ICAM-kohorten, med hjälp av en ICR-genbaserad samklassificeringsmetod för att klassificera kohorten i tre kluster/immunsubtyper: hög ICR (heta tumörer), medium ICR och låg ICR (kalla tumörer) (Figur 1b). Forskare karakteriserade immunbenägenheten associerad med konsensusmolekylära subtyper (CMS), en transkriptombaserad klassificering av tjocktarmscancer. CMS-kategorierna inkluderade CMS1/immun, CMS2/kanonisk, CMS3/metabolisk och CMS4/mesenkymal. Analys visade att ICR-poäng var negativt korrelerade med vissa cancercellsvägar i alla CMS-subtyper, och positiva korrelationer med immunsuppressiva och stromarelaterade vägar observerades endast i CMS4-tumörer.

I alla CMS var överflödet av naturliga mördarceller (NK) och T-cellsundergrupper högst i ICR-höga immunsubtyper, med större variabilitet i andra leukocytundergrupper (Figur 1c). ICR-immunsubtyper hade olika OS och PFS, med en progressiv ökning av ICR från låg till hög (Figur 1d), vilket validerade den prognostiska cancerrollen för ICR.

Figur 1. AC-ICAM studiedesign, immunrelaterad gensignatur, immuna 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 hänvisas majoriteten av intratumör-T-celler till som bystander-T-celler (bystander-T-celler). Den starkaste korrelationen med antalet konventionella T-celler med produktiva TCR observerades i subpopulationer av stromaceller och leukocyter (upptäckt av RNA-seq), som kan användas för att uppskatta T-cellssubpopulationer (Figur 2a). I ICR-klustren (övergripande och CMS-klassificering) observerades den högsta klonaliteten av immun-SEQ-TCR i ICR-höga och CMS-subtyp CMS1/immungrupper (Figur 2c), med den högsta andelen ICR-höga tumörer. Genom att använda hela transkriptomet (18 270 gener) var sex ICR-gener (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA och CXCL10) bland de tio översta 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 användning av tumörkänsliga CD8+-markörer (Figur 2f och 2g). Sammanfattningsvis antyder analysen ovan 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, immuna och molekylära subtyper.
Mikrobiomsammansättning i friska vävnader och tjocktarmscancervävnader
Forskarna utförde 16S rRNA-sekvensering med hjälp av DNA extraherat från matchad tumör 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 det relativa överflöd av flora mellan matchade tumörer och frisk kolonvävnad. Clostridium perfringens ökade signifikant i tumörerna jämfört med de friska proverna (Figur 3a-3d). Det fanns ingen signifikant skillnad i alfa-diversitet (mångfald och förekomst av arter i ett enda prov) mellan tumör och friska prover, och en måttlig minskning av mikrobiell mångfald observerades i ICR-höga tumörer i förhållande till ICR-låga tumörer.
För att upptäcka kliniskt relevanta samband mellan mikrobiella profiler och kliniska resultat, syftade forskarna till att använda 16S rRNA-gensekvenseringsdata för att identifiera mikrobiomfunktioner som förutsäger överlevnad. Vid AC-ICAM246 körde forskarna en OS Cox-regressionsmodell som valde ut 41 funktioner med koefficienter som inte är noll (associerade med differentiell dödlighetsrisk), kallade MBR-klassificerare (Figur 3f).
I denna träningskohort (ICAM246) var en låg MBR-poäng (MBR<0, låg MBR) associerad med en signifikant lägre risk för dödsfall (85%). Forskare bekräftade sambandet mellan låg MBR (risk) och förlängd OS i två oberoende validerade kohorter (ICAM42 och TCGA-COAD). (Figur 3) Studien visade en stark korrelation mellan endogastriska kocker och MBR-poäng, som var likartade i tumör och frisk kolonvävnad.

Figur 3. Mikrobiom i tumör och friska vävnader och sambandet med ICR och patientöverlevnad.
Slutsats
Multi-omics-metoden som används i denna studie möjliggör grundlig upptäckt och analys av den molekylära signaturen av immunsvaret vid kolorektal cancer och avslöjar interaktionen mellan mikrobiomet och immunsystemet. Djup TCR-sekvensering av tumörer och friska vävnader visade att den prognostiska effekten av ICR kan bero på dess förmåga att fånga tumörberikade och möjligen tumörantigenspecifika T-cellkloner.

Genom att analysera tumörmikrobiomsammansättning med hjälp av 16S rRNA-gensekvensering i AC-ICAM-prover, identifierade teamet en mikrobiomsignatur (MBR-riskpoäng) med starkt prognostiskt värde. Även om denna signatur härrörde från tumörprover, fanns det en stark korrelation mellan friskt kolorektum och tumör-MBR-riskpoäng, vilket tyder på att denna signatur kan fånga tarmmikrobiomets sammansättning hos patienter. 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 datauppsättning ger en resurs för att bättre förstå koloncancerbiologin och hjälpa till att upptäcka personliga terapeutiska tillvägagångssätt.

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