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

Nat Med | En metod med flera omics för att kartlägga den integrerade tumören, immun och mikrobiellt landskap av kolorektal cancer avslöjar interaktionen mellan mikrobiomet och immunsystemet
Även om biomarkörer för primär koloncancer har studerats omfattande under de senaste åren, förlitar de nuvarande kliniska riktlinjerna endast på tumör-lymf-nod-metastas-iscensättning och detektion av DNA-felanpassningsreparation (MMR) -defekter eller mikrosatellitinstabilitet (MSI) (förutom standardpatologtestning) för att bestämma behandlingsreparation. Forskare har noterat en brist på samband mellan genuttrycksbaserade immunsvar, mikrobiella profiler och tumörstroma i cancergenomatlas (TCGA) kolorektal cancerkohort och patientöverlevnad.

När forskningen har utvecklats 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 patientens resultat.
För att dissekera förhållandet mellan fenotypisk komplexitet och resultat utvecklade och validerade ett team av forskare från Sidra Institute of Medical Research i Qatar nyligen en integrerad poäng (mikroskop) som identifierar en grupp patienter med goda överlevnadshastigheter genom att kombinera mikrobiomegenskaper och immunavstötskonstanter (ICR). Teamet utförde en omfattande genomisk analys av färska frysta prover från 348 patienter med primär kolorektal cancer, inklusive RNA-sekvensering av tumörer och matchade frisk kolorektal vävnad, hela exome-sekvensering, djup T-cellreceptor och 16S bakteriell RRNA-gen-sekvensering, kompletterad av hela tumörgenomsekvensering för att ytterligare karakterisera mikrobiom. 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 färska frysta tumörprover och matchade angränsande frisk kolonvävnad (tumörnormala par) från patienter med en histologisk diagnos av koloncancer utan systemterapi. Baserat på hela exome-sekvensering (WES), RNA-seq datakvalitetskontroll och screening av inkluderingskriterier, behölls genomiska data från 348 patienter och användes för nedströmsanalys med en median uppföljning av 4,6 år. Forskningsteamet kallade denna resurs Sidra-Lumc AC-ICAM: en karta och guide till immuncancer-mikrobiominteraktioner (figur 1).

Molekylär klassificering med ICR

Att fånga en modulär uppsättning immungenetiska markörer för kontinuerlig cancerimmunsurveillance, kallad immunkonstanten av avstötning (ICR), optimerade forskarteamet ICR genom att kondensera den till en 20-genpanel som täcker olika cancertyper, inklusive melanom, urinblåsan och bröstcancer. ICR har också associerats med immunterapinsvar i en mängd olika cancertyper, inklusive bröstcancer.

Först validerade forskarna ICR-signaturen för AC-ICAM-kohorten, med användning av en ICR-genbaserad samklassificeringsmetod för att klassificera kohorten i tre kluster/immunundertyper: höga ICR (heta tumörer), medium ICR och låg ICR (kalla tumörer) (figur 1B). Forskare karakteriserade immunbenägenheten förknippad med konsensusmolekylära subtyper (CMS), en transkriptombaserad klassificering av koloncancer. CMS -kategorierna inkluderade CMS1/immun, CMS2/Canonical, CMS3/Metabolic och CMS4/Mesenchymal. Analys visade att ICR-poäng var negativt korrelerade med vissa cancercellvägar i alla CMS-subtyper, och positiva korrelationer med immunsuppressiva och stromalrelaterade vägar observerades endast i CMS4-tumörer.

I alla CM: er var överflödet av naturliga mördare (NK) cell- och T -cellundersättningar högst i ICR -höga immunsubtyper, med större variation i andra leukocytundersättningar (figur 1C) .icr immunsubtyper hade olika operativsystem och en progressiv ökning av ICR från låg till hög (figur 1D), giltig giltighet av de olika OS och PFF: er, med en progressiv ökning av ICR från låg till hög (figur 1D), giltig giltighet av de olika OS och PFF: er, med en progressiv ökning av ICR från låg till hög (figur 1D), giltig giltighetsintresse i färgektionen.

Figur 1. AC-ICAM-studiedesign, immunrelaterad gensignatur, immun- och molekylära subtyper och överlevnad.
ICR fångar tumöranrikade, klonalt förstärkta T-celler
Endast en minoritet av T -celler som infiltrerar tumörvävnad har rapporterats vara specifik för tumörantigener (mindre än 10%). Därför benämns majoriteten av intra-tumör-T-celler som åskådare T-celler (åskådare T-celler). Den starkaste korrelationen med antalet konventionella T-celler med produktiva TCR: er observerades i stromalcell- och leukocytunderpopulationer (detekterade av RNA-seq), som kan användas för att uppskatta T-cellunderpopulationer (figur 2A). I ICR-kluster (total och CMS-klassificering) observerades den högsta klonaliteten hos immunseger i ICR-höga och CMS-subtyp CMS1/immungrupper (figur 2C), med den högsta andelen ICR-höga tumörer. Med användning av hela transkriptomet (18 270 gener) var sex ICR -gener (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA och CXCL10) bland de tio bästa generna positivt associerade med TCR -immuns -seq -klonalitet (figur 2D). Immunoseq TCR-klonalitet korrelerade starkare med de flesta ICR-gener än de korrelationer som observerades med användning av tumörresponsiva CD8+ -markörer (figur 2F och 2G). Sammanfattningsvis antyder ovanstående analys att ICR-signaturen fångar närvaron av tumöranrikade, klonalt förstärkta T-celler och kan förklara dess prognostiska konsekvenser.

Figur 2. TCR-mätvärden och korrelation med immunrelaterade gener, immun- och molekylära subtyper.
Mikrobiomkomposition i friska och koloncancervävnader
Forskarna utförde 16S rRNA -sekvensering med användning av DNA extraherad från matchad tumör och frisk kolvävnad 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 överflödet av flora mellan matchade tumörer och frisk kolonvävnad. Clostridium perfringens ökades signifikant i tumörerna jämfört med de friska proverna (figur 3A-3D). Det fanns ingen signifikant skillnad i alfa-mångfald (mångfald och överflöd av arter i ett enda prov) mellan tumör och friska prover, och en blygsam minskning av mikrobiell mångfald observerades i ICR-höga tumörer relativt ICR-låga tumörer.
För att upptäcka kliniskt relevanta samband mellan mikrobiella profiler och kliniska resultat syftade forskarna att använda 16S rRNA -gensekvenseringsdata för att identifiera mikrobiomegenskaper som förutsäger överlevnad. Vid AC-ICAM246 drev forskarna en OS Cox-regressionsmodell som valde 41 funktioner med icke-nollkoefficienter (associerade med differentiell dödlighetsrisk), kallad 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 långvarigt operativsystem i två oberoende validerade kohorter (ICAM42 och TCGA-Coad). (Figur 3) Studien visade en stark korrelation mellan endogastriska cocci- och MBR -poäng, som var liknande i tumör och frisk kolonvävnad.

Figur 3. Mikrobiom i tumör och friska vävnader och förhållandet till ICR och patientöverlevnad.
Slutsats
Multi-omics-metoden som användes i denna studie möjliggör grundlig detektion och analys av molekylsignaturen av immunsvaret vid kolorektal cancer och avslöjar interaktionen mellan mikrobiomet och immunsystemet. Djup TCR-sekvensering av tumör och friska vävnader avslöjade att den prognostiska effekten av ICR kan bero på dess förmåga att fånga tumöranrikade och eventuellt tumörantigenspecifika T-cellkloner.

Genom att analysera tumörmikrobiomkomposition med användning av 16S rRNA-gensekvensering i AC-ICAM-prover identifierade teamet en mikrobiomsignatur (MBR-riskpoäng) med starkt prognostiskt värde. Även om denna signatur härstammar från tumörprover fanns det en stark korrelation mellan friskt Colorectum och tumör MBR -riskpoäng, vilket tyder på att denna signatur kan fånga tarmmikrobiomkompositionen hos patienter. Genom att kombinera ICR- och MBR-poäng var det möjligt att identifiera och validera en multi-omisk studentbiomarkör som förutsäger överlevnad hos patienter med koloncancer. Studiens multi-omiska datasätt ger en resurs för att bättre förstå koloncancerbiologi och hjälpa till att upptäcka personliga terapeutiska tillvägagångssätt.

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