Chinese stijl
Nat Med | Een multi-omics-benadering voor het in kaart brengen van het geïntegreerde tumor-, immuun- en microbiële landschap van colorectale kanker onthult de interactie van het microbioom met het immuunsysteem
Hoewel biomarkers voor primaire colonkanker de afgelopen jaren uitgebreid zijn bestudeerd, baseren de huidige klinische richtlijnen zich alleen op tumor-lymfeklier-metastasestadiëring en detectie van DNA mismatch repair (MMR)-defecten of microsatellietinstabiliteit (MSI) (naast standaard pathologische testen) om behandelaanbevelingen te bepalen. Onderzoekers hebben een gebrek aan verband opgemerkt tussen op genexpressie gebaseerde immuunreacties, microbiële profielen en tumorstroma in het colorectale kankercohort van de Cancer Genome Atlas (TCGA) en patiëntoverleving.
Naarmate het onderzoek vorderde, bleken kwantitatieve kenmerken van primaire colorectale kanker, waaronder de cellulaire, immuun-, stromale of microbiële aard van de kanker, significant te correleren met klinische uitkomsten. Toch is er nog steeds beperkt inzicht in hoe deze interacties de patiëntresultaten beïnvloeden.
Om de relatie tussen fenotypische complexiteit en uitkomst te analyseren, heeft een team van onderzoekers van het Sidra Institute of Medical Research in Qatar onlangs een geïntegreerde score (mICRoScore) ontwikkeld en gevalideerd. Deze score identificeert een groep patiënten met een goede overlevingskans door microbioomkenmerken en immuunafstotingsconstanten (ICR) te combineren. Het team voerde een uitgebreide genomische analyse uit van vers ingevroren monsters van 348 patiënten met primaire colorectale kanker, inclusief RNA-sequencing van tumoren en gematcht gezond colorectaal weefsel, whole-exome sequencing, deep T-cell receptor en 16S bacteriële rRNA-gensequencing, aangevuld met whole-tumor genoomsequencing om het microbioom verder te karakteriseren. De studie werd gepubliceerd in Nature Medicine als "An integrated tumor, immunity and microbiome atlas of colon cancer".
Artikel gepubliceerd in Nature Medicine
AC-ICAM Overzicht
Onderzoekers gebruikten een orthogonaal genomisch platform om verse ingevroren tumormonsters en aangrenzend gezond colonweefsel (tumor-normaal paren) te analyseren van patiënten met een histologische diagnose colonkanker zonder systemische therapie. Op basis van whole-exome sequencing (WES), kwaliteitscontrole van RNA-seq-data en screening op basis van inclusiecriteria werden genomische gegevens van 348 patiënten bewaard en gebruikt voor downstream-analyse met een mediane follow-up van 4,6 jaar. Het onderzoeksteam noemde deze bron Sidra-LUMC AC-ICAM: A map and guide to immuno-cancer-microbiome interactions (Figuur 1).
Moleculaire classificatie met behulp van ICR
Door een modulaire set immuungenetische markers vast te leggen voor continue kankerimmunosurveillance, de zogenaamde immuunconstante van afstoting (ICR), optimaliseerde het onderzoeksteam de ICR door deze te condenseren tot een panel van 20 genen dat verschillende soorten kanker omvat, waaronder melanoom, blaaskanker en borstkanker. ICR is ook in verband gebracht met de respons op immunotherapie bij verschillende soorten kanker, waaronder borstkanker.
Ten eerste valideerden de onderzoekers de ICR-signatuur van het AC-ICAM-cohort met behulp van een op ICR-genen gebaseerde co-classificatiebenadering om het cohort te classificeren in drie clusters/immuunsubtypen: hoge ICR (warme tumoren), gemiddelde ICR en lage ICR (koude tumoren) (Figuur 1b). Onderzoekers karakteriseerden de immuunneiging geassocieerd met consensus moleculaire subtypen (CMS), een transcriptoomgebaseerde classificatie van colonkanker. De CMS-categorieën omvatten CMS1/immuun, CMS2/canoniek, CMS3/metabool en CMS4/mesenchymaal. Analyse toonde aan dat ICR-scores negatief gecorreleerd waren met bepaalde kankercelroutes in alle CMS-subtypen, en positieve correlaties met immunosuppressieve en stromagerelateerde routes werden alleen waargenomen in CMS4-tumoren.
In alle CMS was de hoeveelheid natural killer (NK)-cellen en T-cel-subsets het hoogst bij ICR-hoge immuunsubtypes, met een grotere variabiliteit in andere leukocyten-subsets (Figuur 1c). ICR-immuunsubtypes hadden verschillende OS en PFS, met een progressieve toename van ICR van laag naar hoog (Figuur 1d), wat de prognostische rol van ICR bij colorectale kanker valideert.
Figuur 1. AC-ICAM-studieopzet, immuungerelateerde gensignatuur, immuun- en moleculaire subtypes en overleving.
ICR vangt tumorverrijkte, klonaal versterkte T-cellen op
Slechts een minderheid van de T-cellen die tumorweefsel infiltreren, is specifiek voor tumorantigenen (minder dan 10%). Daarom wordt de meerderheid van de intra-tumor T-cellen aangeduid als bystander T-cellen (T-cellen). De sterkste correlatie met het aantal conventionele T-cellen met productieve TCR's werd waargenomen in subpopulaties van stromacellen en leukocyten (gedetecteerd met RNA-seq), wat kan worden gebruikt om T-celsubpopulaties te schatten (Figuur 2a). In de ICR-clusters (algemene en CMS-classificatie) werd de hoogste klonaliteit van immuun-SEQ-TCR's waargenomen in de ICR-hoge en CMS-subtype CMS1/immuungroepen (Figuur 2c), met het hoogste percentage ICR-hoge tumoren. Met behulp van het volledige transcriptoom (18.270 genen) behoorden zes ICR-genen (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA en CXCL10) tot de top tien genen die positief geassocieerd waren met TCR-immuun-SEQ-klonaliteit (Figuur 2d). ImmunoSEQ-TCR-klonaliteit correleerde sterker met de meeste ICR-genen dan de correlaties die werden waargenomen met tumorresponsieve CD8+-markers (Figuur 2f en 2g). Concluderend suggereert bovenstaande analyse dat de ICR-signatuur de aanwezigheid van tumorverrijkte, klonaal versterkte T-cellen vastlegt en mogelijk de prognostische implicaties ervan verklaart.
Figuur 2. TCR-metriek en correlatie met immuungerelateerde genen, immuun- en moleculaire subtypen.
Microbioomsamenstelling in gezond en darmkankerweefsel
De onderzoekers voerden 16S rRNA-sequencing uit met behulp van DNA geëxtraheerd uit gematcht tumorweefsel en gezond darmweefsel van 246 patiënten (Figuur 3a). Ter validatie analyseerden de onderzoekers bovendien 16S rRNA-gensequentiegegevens van 42 extra tumormonsters waarvoor geen gematcht normaal DNA beschikbaar was voor analyse. Eerst vergeleken de onderzoekers de relatieve overvloed aan flora tussen gematchte tumoren en gezond darmweefsel. Clostridium perfringens was significant toegenomen in de tumoren in vergelijking met de gezonde monsters (Figuur 3a-3d). Er was geen significant verschil in alfadiversiteit (diversiteit en overvloed van soorten in één monster) tussen tumor- en gezonde monsters, en er werd een lichte afname van de microbiële diversiteit waargenomen in tumoren met een hoge ICR ten opzichte van tumoren met een lage ICR.
Om klinisch relevante verbanden tussen microbiële profielen en klinische uitkomsten te detecteren, wilden de onderzoekers 16S rRNA-gensequentiedata gebruiken om microbioomkenmerken te identificeren die overleving voorspellen. Bij AC-ICAM246 voerden de onderzoekers een OS Cox-regressiemodel uit dat 41 kenmerken selecteerde met coëfficiënten die niet nul waren (geassocieerd met een differentieel sterfterisico), zogenaamde MBR-classificatoren (Figuur 3f).
In dit trainingscohort (ICAM246) werd een lage MBR-score (MBR < 0, lage MBR) geassocieerd met een significant lager risico op overlijden (85%). Onderzoekers bevestigden het verband tussen een lage MBR (risico) en een verlengde overleving in twee onafhankelijk gevalideerde cohorten (ICAM42 en TCGA-COAD). (Figuur 3) De studie toonde een sterke correlatie aan tussen endogastrische kokken en MBR-scores, die vergelijkbaar waren in tumor- en gezond colonweefsel.
Figuur 3. Microbioom in tumor- en gezond weefsel en de relatie met ICR en patiëntoverleving.
Conclusie
De multi-omics-aanpak die in deze studie is gebruikt, maakt grondige detectie en analyse van de moleculaire signatuur van de immuunrespons bij colorectale kanker mogelijk en onthult de interactie tussen het microbioom en het immuunsysteem. Diepgaande TCR-sequencing van tumorweefsel en gezond weefsel toonde aan dat het prognostische effect van ICR mogelijk te danken is aan het vermogen om tumorverrijkte en mogelijk tumorantigeenspecifieke T-celklonen te vangen.
Door de samenstelling van het tumormicrobioom te analyseren met behulp van 16S rRNA-gensequencing in AC-ICAM-monsters, identificeerde het team een microbioomsignatuur (MBR-risicoscore) met een sterke prognostische waarde. Hoewel deze signatuur afkomstig was van tumormonsters, was er een sterke correlatie tussen gezond colorectum en de MBR-risicoscore van de tumor. Dit suggereert dat deze signatuur mogelijk de samenstelling van het darmmicrobioom van patiënten weergeeft. Door de ICR- en MBR-scores te combineren, was het mogelijk een multi-omische biomarker voor studenten te identificeren en valideren die de overleving van patiënten met darmkanker voorspelt. De multi-omische dataset van de studie biedt een hulpmiddel om de biologie van darmkanker beter te begrijpen en gepersonaliseerde therapeutische benaderingen te ontdekken.
Plaatsingstijd: 15 juni 2023
Privacy-instellingen