Nat Med | Một phương pháp tiếp cận đa ô-míc để lập bản đồ khối u tích hợp

Nat Med | Một phương pháp tiếp cận đa ô-míc để lập bản đồ khối u tích hợp, miễn dịch và cảnh quan vi khuẩn của ung thư đại trực tràng cho thấy sự tương tác của hệ vi sinh vật với hệ thống miễn dịch
Mặc dù các dấu ấn sinh học của ung thư đại tràng nguyên phát đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây, các hướng dẫn lâm sàng hiện tại chỉ dựa vào phân giai đoạn di căn khối u-hạch bạch huyết và phát hiện khiếm khuyết sửa chữa sai khớp DNA (MMR) hoặc mất ổn định vi vệ tinh (MSI) (ngoài xét nghiệm bệnh lý tiêu chuẩn) để xác định khuyến nghị điều trị. Các nhà nghiên cứu đã ghi nhận sự thiếu liên quan giữa đáp ứng miễn dịch dựa trên biểu hiện gen, cấu hình vi khuẩn và mô đệm khối u trong nhóm ung thư đại tràng của Cancer Genome Atlas (TCGA) và tỷ lệ sống sót của bệnh nhân.

Khi nghiên cứu tiến triển, các đặc điểm định lượng của ung thư đại trực tràng nguyên phát, bao gồm bản chất tế bào ung thư, miễn dịch, mô đệm hoặc vi khuẩn của ung thư, đã được báo cáo là có mối tương quan đáng kể với kết quả lâm sàng, nhưng vẫn còn hiểu biết hạn chế về cách tương tác của chúng ảnh hưởng đến kết quả của bệnh nhân.
Để phân tích mối quan hệ giữa độ phức tạp kiểu hình và kết quả, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Y khoa Sidra ở Qatar gần đây đã phát triển và xác nhận một điểm số tích hợp (mICRoScore) giúp xác định nhóm bệnh nhân có tỷ lệ sống sót tốt bằng cách kết hợp các đặc điểm của hệ vi sinh vật đường ruột và hằng số đào thải miễn dịch (ICR). Nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích bộ gen toàn diện các mẫu đông lạnh tươi từ 348 bệnh nhân ung thư đại trực tràng nguyên phát, bao gồm giải trình tự RNA của khối u và mô đại trực tràng khỏe mạnh tương ứng, giải trình tự toàn bộ exome, giải trình tự gen rRNA vi khuẩn 16S và thụ thể tế bào T sâu, bổ sung bằng giải trình tự toàn bộ bộ gen khối u để mô tả chi tiết hơn về hệ vi sinh vật đường ruột. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Medicine với tựa đề "Bản đồ tích hợp khối u, miễn dịch và hệ vi sinh vật đường ruột của ung thư đại tràng".

Bài viết được đăng trên tạp chí Nature Medicine

Tổng quan về AC-ICAM

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nền tảng giải trình tự gen trực giao để phân tích các mẫu khối u tươi đông lạnh và ghép mô đại tràng khỏe mạnh liền kề (cặp khối u-bình thường) từ những bệnh nhân được chẩn đoán mô học ung thư đại tràng mà không cần điều trị toàn thân. Dựa trên giải trình tự toàn bộ exome (WES), kiểm soát chất lượng dữ liệu RNA-seq và sàng lọc tiêu chí đưa vào, dữ liệu gen từ 348 bệnh nhân đã được lưu giữ và sử dụng cho phân tích tiếp theo với thời gian theo dõi trung bình là 4,6 năm. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho nguồn tài liệu này là Sidra-LUMC AC-ICAM: Bản đồ và hướng dẫn về tương tác miễn dịch-ung thư-hệ vi sinh vật (Hình 1).

Phân loại phân tử sử dụng ICR

Thu thập một tập hợp các dấu hiệu di truyền miễn dịch dạng mô-đun để giám sát miễn dịch ung thư liên tục, được gọi là hằng số miễn dịch đào thải (ICR), nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa ICR bằng cách cô đọng nó thành một bảng 20 gen bao gồm các loại ung thư khác nhau, bao gồm ung thư hắc tố, ung thư bàng quang và ung thư vú. ICR cũng có liên quan đến đáp ứng miễn dịch trị liệu ở nhiều loại ung thư, bao gồm ung thư vú.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã xác nhận chữ ký ICR của nhóm AC-ICAM, sử dụng phương pháp phân loại đồng thời dựa trên gen ICR để phân loại nhóm thành ba nhóm/phân nhóm miễn dịch: ICR cao (u nóng), ICR trung bình và ICR thấp (u lạnh) (Hình 1b). Các nhà nghiên cứu đã mô tả xu hướng miễn dịch liên quan đến các phân nhóm phân tử đồng thuận (CMS), một phân loại ung thư đại tràng dựa trên phiên mã. Các loại CMS bao gồm CMS1/miễn dịch, CMS2/chuẩn, CMS3/chuyển hóa và CMS4/trung mô. Phân tích cho thấy điểm ICR có tương quan âm với một số con đường tế bào ung thư trong tất cả các phân nhóm CMS và tương quan dương với các con đường ức chế miễn dịch và liên quan đến mô đệm chỉ được quan sát thấy trong các khối u CMS4.

Trong tất cả các CMS, sự phong phú của các phân nhóm tế bào sát thủ tự nhiên (NK) và tế bào T cao nhất ở các phân nhóm miễn dịch ICR cao, với sự thay đổi lớn hơn ở các phân nhóm bạch cầu khác (Hình 1c). Các phân nhóm miễn dịch ICR có OS và PFS khác nhau, với sự gia tăng dần dần của ICR từ thấp đến cao (Hình 1d), xác nhận vai trò tiên lượng của ICR trong ung thư đại trực tràng.

Hình 1. Thiết kế nghiên cứu AC-ICAM, dấu hiệu gen liên quan đến miễn dịch, phân nhóm miễn dịch và phân tử và khả năng sống sót.
ICR thu thập các tế bào T được nhân bản vô tính, giàu khối u
Chỉ một số ít tế bào T xâm nhập vào mô khối u được báo cáo là đặc hiệu với các kháng nguyên khối u (ít hơn 10%). Do đó, phần lớn các tế bào T trong khối u được gọi là tế bào T đứng ngoài (tế bào T đứng ngoài). Mối tương quan mạnh nhất với số lượng tế bào T thông thường có TCR sản xuất được quan sát thấy trong các phân nhóm tế bào mô đệm và bạch cầu (được phát hiện bằng RNA-seq), có thể được sử dụng để ước tính các phân nhóm tế bào T (Hình 2a). Trong các cụm ICR (phân loại tổng thể và CMS), tính chất dòng tế bào TCR SEQ miễn dịch cao nhất được quan sát thấy ở nhóm ICR cao và nhóm CMS1/miễn dịch (Hình 2c), với tỷ lệ khối u ICR cao nhất. Sử dụng toàn bộ bản phiên mã (18.270 gen), sáu gen ICR (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA và CXCL10) nằm trong số mười gen hàng đầu có liên quan tích cực với tính chất dòng tế bào TCR SEQ miễn dịch (Hình 2d). Dòng tế bào TCR của ImmunoSEQ có mối tương quan mạnh hơn với hầu hết các gen ICR so với mối tương quan được quan sát bằng cách sử dụng các dấu ấn CD8+ đáp ứng với khối u (Hình 2f và 2g). Tóm lại, phân tích trên cho thấy dấu hiệu ICR nắm bắt được sự hiện diện của tế bào T được nhân bản vô tính giàu khối u và có thể giải thích ý nghĩa tiên lượng của nó.

Hình 2. Số liệu TCR và mối tương quan với các gen liên quan đến miễn dịch, các phân nhóm miễn dịch và phân tử.
Thành phần vi sinh vật trong mô khỏe mạnh và mô ung thư ruột kết
Các nhà nghiên cứu đã tiến hành giải trình tự 16S rRNA bằng cách sử dụng DNA chiết xuất từ ​​khối u và mô đại tràng khỏe mạnh phù hợp từ 246 bệnh nhân (Hình 3a). Để xác nhận, các nhà nghiên cứu đã phân tích thêm dữ liệu giải trình tự gen 16S rRNA từ 42 mẫu khối u khác không có DNA bình thường phù hợp để phân tích. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã so sánh sự phong phú tương đối của hệ vi khuẩn giữa các khối u phù hợp và mô đại tràng khỏe mạnh. Clostridium perfringens tăng đáng kể trong các khối u so với các mẫu khỏe mạnh (Hình 3a-3d). Không có sự khác biệt đáng kể về tính đa dạng alpha (tính đa dạng và số lượng loài trong một mẫu) giữa các mẫu khối u và mẫu khỏe mạnh, và sự giảm nhẹ về tính đa dạng vi khuẩn đã được quan sát thấy ở các khối u có ICR cao so với các khối u có ICR thấp.
Để phát hiện mối liên hệ có ý nghĩa lâm sàng giữa đặc điểm vi khuẩn và kết quả lâm sàng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu giải trình tự gen 16S rRNA để xác định các đặc điểm của hệ vi sinh vật dự đoán khả năng sống sót. Tại AC-ICAM246, các nhà nghiên cứu đã chạy mô hình hồi quy OS Cox, chọn ra 41 đặc điểm có hệ số khác không (liên quan đến nguy cơ tử vong khác biệt), được gọi là bộ phân loại MBR (Hình 3f).
Trong nhóm nghiên cứu đào tạo này (ICAM246), điểm MBR thấp (MBR < 0, MBR thấp) có liên quan đến nguy cơ tử vong thấp hơn đáng kể (85%). Các nhà nghiên cứu đã xác nhận mối liên quan giữa MBR thấp (nguy cơ) và thời gian sống thêm toàn bộ kéo dài trong hai nhóm nghiên cứu được xác nhận độc lập (ICAM42 và TCGA-COAD). (Hình 3) Nghiên cứu cho thấy mối tương quan mạnh mẽ giữa cầu khuẩn nội dạ dày và điểm MBR, tương tự nhau ở mô khối u và mô đại tràng khỏe mạnh.

Hình 3. Hệ vi sinh vật trong khối u và mô khỏe mạnh và mối quan hệ với ICR và sự sống còn của bệnh nhân.
Phần kết luận
Phương pháp đa ô-míc được sử dụng trong nghiên cứu này cho phép phát hiện và phân tích kỹ lưỡng dấu hiệu phân tử của đáp ứng miễn dịch trong ung thư đại trực tràng và làm sáng tỏ sự tương tác giữa hệ vi sinh vật và hệ miễn dịch. Giải trình tự TCR sâu của mô khối u và mô khỏe mạnh cho thấy hiệu quả tiên lượng của ICR có thể là do khả năng bắt giữ các dòng tế bào T giàu tế bào khối u và có thể là đặc hiệu với kháng nguyên khối u.

Bằng cách phân tích thành phần hệ vi sinh vật đường ruột khối u bằng giải trình tự gen 16S rRNA trong các mẫu AC-ICAM, nhóm nghiên cứu đã xác định được một dấu hiệu hệ vi sinh vật đường ruột (điểm nguy cơ MBR) có giá trị tiên lượng mạnh. Mặc dù dấu hiệu này được lấy từ các mẫu khối u, nhưng có mối tương quan mạnh giữa đại tràng khỏe mạnh và điểm nguy cơ MBR khối u, cho thấy dấu hiệu này có thể nắm bắt được thành phần hệ vi sinh vật đường ruột của bệnh nhân. Bằng cách kết hợp điểm ICR và MBR, nhóm nghiên cứu đã có thể xác định và xác nhận một dấu ấn sinh học đa ô-mi (multi-omic student marker) có khả năng dự đoán tỷ lệ sống sót ở bệnh nhân ung thư đại tràng. Bộ dữ liệu đa ô-mi của nghiên cứu cung cấp một nguồn tài nguyên để hiểu rõ hơn về sinh học ung thư đại tràng và giúp khám phá các phương pháp điều trị cá nhân hóa.

Thẩm quyền giải quyết:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI và cộng sự. Một khối u tích hợp, bản đồ miễn dịch và hệ vi sinh vật của ung thư ruột kết. Nat Med 29, 1273–1286 (2023).