Nat Med | Мульти-омический подход к картированию интегрированной опухоли

Nat Med | Мульти-омический подход к картированию интегрированного опухолевого, иммунного и микробного ландшафта колоректального рака раскрывает взаимодействие микробиома с иммунной системой
Хотя биомаркеры первичного рака толстой кишки были широко изучены в последние годы, текущие клинические руководства полагаются только на стадирование опухоль-лимфатический узел-метастаз и обнаружение дефектов репарации несоответствий ДНК (MMR) или микросателлитной нестабильности (MSI) (в дополнение к стандартному патологическому тестированию) для определения рекомендаций по лечению. Исследователи отметили отсутствие связи между иммунными реакциями на основе экспрессии генов, микробными профилями и опухолевой стромой в когорте колоректального рака Cancer Genome Atlas (TCGA) и выживаемостью пациентов.

По мере развития исследований было выявлено, что количественные характеристики первичного колоректального рака, включая клеточную, иммунную, стромальную или микробную природу рака, в значительной степени коррелируют с клиническими результатами, но по-прежнему существует ограниченное понимание того, как их взаимодействие влияет на результаты лечения пациентов.
Чтобы проанализировать связь между фенотипической сложностью и результатом, группа исследователей из Института медицинских исследований Сидры в Катаре недавно разработала и проверила интегрированную оценку (mICRoScore), которая идентифицирует группу пациентов с хорошими показателями выживаемости путем объединения характеристик микробиома и констант иммунного отторжения (ICR). Группа провела комплексный геномный анализ свежезамороженных образцов от 348 пациентов с первичным колоректальным раком, включая секвенирование РНК опухолей и соответствующей здоровой колоректальной ткани, секвенирование всего экзома, глубокое секвенирование гена рецептора Т-клеток и бактериальной рРНК 16S, дополненное секвенированием всего опухолевого генома для дальнейшей характеристики микробиома. Исследование было опубликовано в Nature Medicine под названием «Интегрированный атлас опухолей, иммунитета и микробиома рака толстой кишки».

Статья опубликована в Nature Medicine

Обзор AC-ICAM

Исследователи использовали ортогональную геномную платформу для анализа свежезамороженных образцов опухолей и сопоставления прилегающей здоровой ткани толстой кишки (пары опухоль-норма) у пациентов с гистологическим диагнозом рака толстой кишки без системной терапии. На основе секвенирования всего экзома (WES), контроля качества данных РНК-секвенирования и скрининга критериев включения геномные данные 348 пациентов были сохранены и использованы для последующего анализа со средним периодом наблюдения 4,6 года. Исследовательская группа назвала этот ресурс Sidra-LUMC AC-ICAM: карта и руководство по взаимодействию иммунной системы, рака и микробиома (рисунок 1).

Молекулярная классификация с использованием ИЦР

Используя модульный набор иммунных генетических маркеров для непрерывного иммунологической диагностики рака, называемый иммунной константой отторжения (ICR), исследовательская группа оптимизировала ICR, сжав его в панель из 20 генов, охватывающую различные типы рака, включая меланому, рак мочевого пузыря и рак молочной железы. ICR также был связан с ответом на иммунотерапию при различных типах рака, включая рак молочной железы.

Во-первых, исследователи подтвердили сигнатуру ICR когорты AC-ICAM, используя подход совместной классификации на основе гена ICR, чтобы классифицировать когорту на три кластера/иммунных подтипа: высокий ICR (горячие опухоли), средний ICR и низкий ICR (холодные опухоли) (рисунок 1b). Исследователи охарактеризовали иммунную предрасположенность, связанную с консенсусными молекулярными подтипами (CMS), основанной на транскриптоме классификацией рака толстой кишки. Категории CMS включали CMS1/иммунный, CMS2/канонический, CMS3/метаболический и CMS4/мезенхимальный. Анализ показал, что баллы ICR отрицательно коррелировали с определенными путями раковых клеток во всех подтипах CMS, а положительные корреляции с иммуносупрессивными и стромальными путями наблюдались только в опухолях CMS4.

Во всех случаях CMS обилие естественных клеток-киллеров (NK) и субпопуляций Т-клеток было самым высоким в подтипах с высоким иммунитетом ICR, с большей вариабельностью в других подтипах лейкоцитов (рисунок 1c). Подтипы с иммунитетом ICR имели разные показатели общей выживаемости и бессобытийной выживаемости с прогрессивным увеличением ICR от низкого до высокого (рисунок 1d), что подтверждает прогностическую роль ICR при колоректальном раке.

Рисунок 1. Дизайн исследования AC-ICAM, сигнатура генов, связанных с иммунитетом, иммунные и молекулярные подтипы и выживаемость.
ICR захватывает обогащенные опухолью, клонально амплифицированные Т-клетки
Только меньшинство Т-клеток, инфильтрирующих опухолевую ткань, были зарегистрированы как специфичные для опухолевых антигенов (менее 10%). Поэтому большинство внутриопухолевых Т-клеток называют Т-клетками-свидетелями (T-клетки-свидетели). Самая сильная корреляция с числом обычных Т-клеток с продуктивными TCR наблюдалась в субпопуляциях стромальных клеток и лейкоцитов (обнаруженных с помощью РНК-секвенирования), что может быть использовано для оценки субпопуляций Т-клеток (рисунок 2a). В кластерах ICR (общая и классификация CMS) самая высокая клональность иммунных SEQ TCR наблюдалась в группах ICR-high и CMS подтипа CMS1/иммунных (рисунок 2c) с самой высокой долей опухолей ICR-high. Используя весь транскриптом (18 270 генов), шесть генов ICR (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA и CXCL10) вошли в первую десятку генов, положительно связанных с клональностью TCR immunity SEQ (рисунок 2d). Клональность ImmunoSEQ TCR коррелировала сильнее с большинством генов ICR, чем корреляции, наблюдаемые с использованием маркеров CD8+, реагирующих на опухоль (рисунки 2f и 2g). В заключение, приведенный выше анализ предполагает, что сигнатура ICR фиксирует наличие обогащенных опухолью, клонально амплифицированных Т-клеток и может объяснить ее прогностические последствия.

Рисунок 2. Показатели TCR и корреляция с генами, связанными с иммунитетом, иммунными и молекулярными подтипами.
Состав микробиома в здоровых тканях и тканях при раке толстой кишки
Исследователи провели секвенирование 16S рРНК с использованием ДНК, выделенной из соответствующей опухоли и здоровой ткани толстой кишки у 246 пациентов (рисунок 3a). Для проверки исследователи дополнительно проанализировали данные секвенирования гена 16S рРНК из дополнительных 42 образцов опухолей, у которых не было соответствующей нормальной ДНК, доступной для анализа. Во-первых, исследователи сравнили относительное обилие флоры между соответствующими опухолями и здоровой тканью толстой кишки. Clostridium perfringens был значительно увеличен в опухолях по сравнению со здоровыми образцами (рисунок 3a-3d). Не было никакой значительной разницы в альфа-разнообразии (разнообразии и обилии видов в одном образце) между опухолевыми и здоровыми образцами, и умеренное снижение микробного разнообразия наблюдалось в опухолях с высоким ICR по сравнению с опухолями с низким ICR.
Для выявления клинически значимых ассоциаций между микробными профилями и клиническими результатами исследователи стремились использовать данные секвенирования гена 16S рРНК для определения особенностей микробиома, которые предсказывают выживаемость. На AC-ICAM246 исследователи запустили регрессионную модель OS Cox, которая выбрала 41 особенность с ненулевыми коэффициентами (связанными с дифференциальным риском смертности), называемыми классификаторами MBR (рисунок 3f).
В этой обучающей когорте (ICAM246) низкий показатель MBR (MBR<0, низкий MBR) был связан со значительно более низким риском смерти (85%). Исследователи подтвердили связь между низким MBR (риском) и длительной общей выживаемостью в двух независимо проверенных когортах (ICAM42 и TCGA-COAD). (Рисунок 3) Исследование показало сильную корреляцию между эндогастральными кокками и показателями MBR, которые были схожи в опухолевой и здоровой ткани толстой кишки.

Рисунок 3. Микробиом в опухолевых и здоровых тканях и его связь с ИЦР и выживаемостью пациентов.
Заключение
Мультиомный подход, использованный в этом исследовании, позволяет тщательно выявлять и анализировать молекулярную сигнатуру иммунного ответа при колоректальном раке и раскрывает взаимодействие между микробиомом и иммунной системой. Глубокое секвенирование TCR опухолевых и здоровых тканей показало, что прогностический эффект ICR может быть обусловлен его способностью захватывать клоны Т-клеток, обогащенные опухолью и, возможно, специфичные для опухолевого антигена.

Анализируя состав микробиома опухоли с использованием секвенирования гена 16S рРНК в образцах AC-ICAM, команда определила сигнатуру микробиома (оценка риска MBR) с сильным прогностическим значением. Хотя эта сигнатура была получена из образцов опухоли, наблюдалась сильная корреляция между здоровым колоректомом и оценкой риска MBR опухоли, что позволяет предположить, что эта сигнатура может отражать состав микробиома кишечника пациентов. Объединив оценки ICR и MBR, удалось идентифицировать и подтвердить мультиомный студенческий биомаркер, который предсказывает выживаемость у пациентов с раком толстой кишки. Мультиомный набор данных исследования предоставляет ресурс для лучшего понимания биологии рака толстой кишки и помогает найти персонализированные терапевтические подходы.

Ссылка:
Руландс Дж., Куппен П.Дж.К., Ахмед Э.И. и др. Интегрированный атлас опухолей, иммунитета и микробиома рака толстой кишки. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).