Nat Med | Multi-omikas pieeja integrētā audzēja kartēšanai

Nat Med | Multi-omikas pieeja kolorektālā vēža integrētās audzēja, imūnsistēmas un mikrobu ainavas kartēšanai atklāj mikrobioma mijiedarbību ar imūnsistēmu.
Lai gan pēdējos gados primārā resnās zarnas vēža biomarķieri ir plaši pētīti, pašreizējās klīniskās vadlīnijas ārstēšanas ieteikumu noteikšanai balstās tikai uz audzēja-limfmezglu-metastāžu stadijas noteikšanu un DNS nesakritības labošanas (MMR) defektu vai mikrosatelītu nestabilitātes (MSI) noteikšanu (papildus standarta patoloģiskajiem testiem). Pētnieki ir atzīmējuši saistības trūkumu starp gēnu ekspresijas imūnreakcijām, mikrobu profiliem un audzēja stromu vēža genoma atlanta (TCGA) kolorektālā vēža kohortā un pacientu izdzīvošanu.

Pētījumiem attīstoties, ir ziņots, ka primārā kolorektālā vēža kvantitatīvās īpašības, tostarp vēža šūnu, imūnsistēmas, stromas vai mikrobiālais raksturs, būtiski korelē ar klīniskajiem iznākumiem, taču joprojām ir ierobežota izpratne par to, kā to mijiedarbība ietekmē pacientu iznākumu.
Lai analizētu fenotipiskās sarežģītības un iznākuma saistību, Kataras Sidras Medicīnas pētījumu institūta pētnieku komanda nesen izstrādāja un apstiprināja integrētu punktu skaitu (mICRoScore), kas identificē pacientu grupu ar labiem izdzīvošanas rādītājiem, apvienojot mikrobioma raksturlielumus un imūnās atgrūšanas konstantes (ICR). Komanda veica visaptverošu 348 pacientu ar primāru kolorektālo vēzi svaigi saldētu paraugu genomisko analīzi, tostarp audzēju un atbilstošu veselo kolorektālo audu RNS sekvencēšanu, visa eksoma sekvencēšanu, dziļo T-šūnu receptoru un 16S baktēriju rRNS gēnu sekvencēšanu, ko papildināja visa audzēja genoma sekvencēšana, lai vēl vairāk raksturotu mikrobiomu. Pētījums tika publicēts žurnālā Nature Medicine ar nosaukumu “Integrēts audzēja, imūnsistēmas un mikrobioma atlants resnās zarnas vēža gadījumā”.

Raksts publicēts žurnālā Nature Medicine

AC-ICAM pārskats

Pētnieki izmantoja ortogonālu genomikas platformu, lai analizētu svaigi saldētus audzēja paraugus un salīdzinātu blakus esošos veselos resnās zarnas audus (audzēja-normālā audu pārus) no pacientiem ar histoloģisku resnās zarnas vēža diagnozi bez sistēmiskas terapijas. Pamatojoties uz pilna eksoma sekvencēšanu (WES), RNS sekvencēšanas datu kvalitātes kontroli un iekļaušanas kritēriju skrīningu, tika saglabāti 348 pacientu genomikas dati un izmantoti tālākai analīzei ar vidējo novērošanas periodu 4,6 gadi. Pētnieku komanda šo resursu nosauca par Sidra-LUMC AC-ICAM: Karte un ceļvedis imūnsistēmas, vēža un mikrobioma mijiedarbībai (1. attēls).

Molekulārā klasifikācija, izmantojot ICR

Pētnieku komanda, apkopojot modulāru imūnģenētisko marķieru kopumu nepārtrauktai vēža imūnuzraudzībai, ko sauc par imūno atgrūšanas konstanti (ICR), optimizēja ICR, apvienojot to 20 gēnu panelī, kas aptver dažādus vēža veidus, tostarp melanomu, urīnpūšļa vēzi un krūts vēzi. ICR ir saistīta arī ar imunoterapijas reakciju dažādu vēža veidu, tostarp krūts vēža, gadījumā.

Vispirms pētnieki validēja AC-ICAM kohortas ICR parakstu, izmantojot uz ICR gēnu balstītu kopklasifikācijas pieeju, lai klasificētu kohortu trīs klasteros/imūnsistēmas apakštipos: augsts ICR (karstie audzēji), vidējs ICR un zems ICR (aukstie audzēji) (1.b attēls). Pētnieki raksturoja imūnsistēmas noslieci, kas saistīta ar konsensa molekulārajiem apakštipiem (CMS), kas ir uz transkriptomu balstīta resnās zarnas vēža klasifikācija. CMS kategorijas ietvēra CMS1/imūnsistēmas, CMS2/kanoniskās, CMS3/metaboliskās un CMS4/mezenhimālās sistēmas. Analīze parādīja, ka ICR rādītāji bija negatīvi korelēti ar noteiktiem vēža šūnu ceļiem visos CMS apakštipos, un pozitīva korelācija ar imūnsupresīviem un ar stromu saistītiem ceļiem tika novērota tikai CMS4 audzējos.

Visās CMS dabisko galētājšūnu (NK) un T šūnu apakškopu pārpilnība bija visaugstākā ICR augsta imūnsistēmas apakštipos, ar lielāku mainību citās leikocītu apakškopās (1.c attēls). ICR imūnsistēmas apakštipiem bija atšķirīga kopējā dzīvildze (OS) un dzīvildze bez slimības progresēšanas (PFS), ICR pakāpeniski palielinoties no zema līdz augstam (1.d attēls), kas apstiprina ICR prognostisko lomu kolorektālā vēža gadījumā.

1. attēls. AC-ICAM pētījuma dizains, ar imunitāti saistītais gēnu paraksts, imūnsistēmas un molekulārie apakštipi un izdzīvošana.
ICR uztver ar audzēju bagātinātas, klonāli amplificētas T šūnas
Ir ziņots, ka tikai neliela daļa T šūnu, kas infiltrējas audzēja audos, ir specifiskas audzēja antigēniem (mazāk nekā 10%). Tāpēc lielāko daļu audzēja iekšējo T šūnu sauc par blakus esošajām T šūnām (bystander T šūnām). Vislielākā korelācija ar parasto T šūnu skaitu ar produktīviem TCR tika novērota stromas šūnu un leikocītu apakšpopulācijās (noteiktas ar RNS sekvencēšanu), ko var izmantot, lai novērtētu T šūnu apakšpopulācijas (2.a attēls). ICR klasteros (kopējā un CMS klasifikācijā) visaugstākā imūno SEQ TCR klonalitāte tika novērota ICR augsta un CMS apakštipa CMS1/imūnās grupās (2.c attēls), ar vislielāko ICR augsta audzēju īpatsvaru. Izmantojot visu transkriptomu (18 270 gēni), seši ICR gēni (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA un CXCL10) bija starp desmit galvenajiem gēniem, kas pozitīvi saistīti ar TCR imūno SEQ klonalitāti (2.d attēls). ImmunoSEQ TCR klonalitāte spēcīgāk korelēja ar lielāko daļu ICR gēnu nekā korelācijas, kas novērotas, izmantojot audzējam reaģējošus CD8+ marķierus (2.f un 2.g attēls). Noslēgumā jāsaka, ka iepriekš minētā analīze liecina, ka ICR paraksts atspoguļo ar audzēju bagātinātu, klonāli amplificētu T šūnu klātbūtni un var izskaidrot tā prognostiskās sekas.

2. attēls. TCR metrikas un korelācija ar ar imunitāti saistītiem gēniem, imūnsistēmas un molekulārajiem apakštipiem.
Mikrobioma sastāvs veselos un resnās zarnas vēža audos
Pētnieki veica 16S rRNS sekvencēšanu, izmantojot DNS, kas ekstrahēta no saskaņotiem audzēja un veseliem resnās zarnas audiem no 246 pacientiem (3.a attēls). Validācijai pētnieki papildus analizēja 16S rRNS gēnu sekvencēšanas datus no vēl 42 audzēja paraugiem, kuriem nebija pieejama atbilstoša normāla DNS analīzei. Vispirms pētnieki salīdzināja floras relatīvo pārpilnību starp saskaņotajiem audzējiem un veseliem resnās zarnas audiem. Clostridium perfringens bija ievērojami palielināts audzējos, salīdzinot ar veseliem paraugiem (3.a–3.d attēls). Nebija būtiskas atšķirības alfa daudzveidībā (sugu daudzveidība un pārpilnība vienā paraugā) starp audzēja un veseliem paraugiem, un neliels mikrobu daudzveidības samazinājums tika novērots audzējos ar augstu ICR līmeni salīdzinājumā ar audzējiem ar zemu ICR līmeni.
Lai atklātu klīniski nozīmīgas saistības starp mikrobu profiliem un klīniskajiem rezultātiem, pētnieku mērķis bija izmantot 16S rRNS gēnu sekvencēšanas datus, lai identificētu mikrobioma pazīmes, kas paredz izdzīvošanu. AC-ICAM246 pētījumā pētnieki veica OS Cox regresijas modeli, kas atlasīja 41 pazīmi ar koeficientiem, kas nav nulle (saistīti ar atšķirīgu mirstības risku), ko sauc par MBR klasifikatoriem (3.f attēls).
Šajā apmācību kohortā (ICAM246) zems MBR rādītājs (MBR<0, zems MBR) bija saistīts ar ievērojami zemāku nāves risku (85%). Pētnieki apstiprināja saistību starp zemu MBR (risku) un ilgstošu kopējo izdzīvošanu divās neatkarīgi validētās kohortās (ICAM42 un TCGA-COAD). (3. attēls) Pētījums uzrādīja spēcīgu korelāciju starp endogastriskajiem kokiem un MBR rādītājiem, kas bija līdzīgi audzēja un veselos resnās zarnas audos.

3. attēls. Mikrobioms audzēja un veselos audos un saistība ar ICR un pacienta izdzīvošanu.
Secinājums
Šajā pētījumā izmantotā multi-omikas pieeja ļauj rūpīgi noteikt un analizēt imūnās atbildes molekulāro parakstu kolorektālā vēža gadījumā un atklāj mijiedarbību starp mikrobiomu un imūnsistēmu. Dziļa audzēja un veselo audu TCR sekvencēšana atklāja, ka ICR prognostiskā ietekme var būt saistīta ar tās spēju uztvert ar audzēju bagātinātus un, iespējams, audzēja antigēniem specifiskus T šūnu klonus.

Analizējot audzēja mikrobioma sastāvu, izmantojot 16S rRNS gēnu sekvencēšanu AC-ICAM paraugos, komanda identificēja mikrobioma parakstu (MBR riska rādītāju) ar spēcīgu prognostisku vērtību. Lai gan šis paraksts tika iegūts no audzēja paraugiem, pastāvēja spēcīga korelācija starp veselīgu kolo zarnu un audzēja MBR riska rādītāju, kas liecina, ka šis paraksts varētu atspoguļot pacientu zarnu mikrobioma sastāvu. Apvienojot ICR un MBR rādītājus, bija iespējams identificēt un apstiprināt multi-omisku studentu biomarķieri, kas prognozē izdzīvošanu pacientiem ar resnās zarnas vēzi. Pētījuma multi-omisks datu kopums sniedz resursus, lai labāk izprastu resnās zarnas vēža bioloģiju un palīdzētu atklāt personalizētas terapeitiskās pieejas.

Atsauce:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI et al. Integrēts resnās zarnas vēža audzējs, imūnsistēmas un mikrobiomu atlants. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).