Nat Med | Một cách tiếp cận đaomics để lập bản đồ khối u tích hợp

Nat Med | Một phương pháp tiếp cận đaomics để lập bản đồ toàn diện về khối u, hệ miễn dịch và vi sinh vật trong ung thư đại trực tràng hé lộ sự tương tác giữa hệ vi sinh vật và hệ miễn dịch.
Mặc dù các dấu ấn sinh học cho ung thư đại tràng nguyên phát đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây, nhưng các hướng dẫn lâm sàng hiện hành chỉ dựa vào phân loại giai đoạn khối u-hạch bạch huyết-di căn và phát hiện các khiếm khuyết sửa chữa sai lệch DNA (MMR) hoặc mất ổn định vi vệ tinh (MSI) (ngoài các xét nghiệm bệnh lý tiêu chuẩn) để đưa ra khuyến nghị điều trị. Các nhà nghiên cứu đã ghi nhận sự thiếu liên kết giữa phản ứng miễn dịch dựa trên biểu hiện gen, cấu hình vi sinh vật và mô đệm khối u trong nhóm bệnh nhân ung thư đại trực tràng của Dự án Bản đồ Gen Ung thư (TCGA) với 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, miễn dịch, mô đệm hoặc vi sinh vật của ung thư, được báo cáo là có mối tương quan đáng kể với kết quả lâm sàng, nhưng sự hiểu biết về cách tương tác của chúng ảnh hưởng đến kết quả điều trị của bệnh nhân vẫn còn hạn chế.
Để phân tích mối quan hệ giữa độ phức tạp kiểu hình và kết quả điều trị, 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 cao bằng cách kết hợp các đặc điểm hệ vi sinh vật và hằng số đào thải miễn dịch (ICR). Nhóm nghiên cứu đã thực hiện phân tích bộ gen toàn diện trên các mẫu đông lạnh tươi từ 348 bệnh nhân mắc 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 16S của thụ thể tế bào T và vi khuẩn, được bổ sung bằng giải trình tự toàn bộ bộ gen khối u để mô tả chi tiết hơn về hệ vi sinh vật. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Medicine với tiêu đề “Một bản đồ tích hợp về khối u, miễn dịch và hệ vi sinh vật của ung thư đại tràng”.

Bài báo được đăng trên tạp chí Nature Medicine.

Tổng quan về AC-ICAM

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một nền tảng gen học trực giao để phân tích các mẫu khối u đông lạnh tươi và mô ruột kết khỏe mạnh liền kề tương ứng (cặp khối u-bình thường) từ các bệnh nhân được chẩn đoán mô học mắc ung thư ruột kết mà không 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 lựa chọn, dữ liệu gen từ 348 bệnh nhân đã được giữ lại và sử dụng cho phân tích tiếp theo với thời gian theo dõi trung bình là 4,6 năm. Nhóm nghiên cứu đã đặt tên cho nguồn tài nguyên này là Sidra-LUMC AC-ICAM: Bản đồ và hướng dẫn về tương tác giữa hệ miễn dịch, ung thư và hệ vi sinh vật (Hình 1).

Phân loại phân tử bằng ICR

Bằng cách thu thập một tập hợp các dấu ấn di truyền miễn dịch theo 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 gồm 20 gen bao gồm các loại ung thư khác nhau, bao gồm u hắc tố, ung thư bàng quang và ung thư vú. ICR cũng có liên quan đến đáp ứng điều trị miễn dịch trong nhiều loại ung thư, bao gồm cả ung thư vú.

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

Trong tất cả các CMS, số lượng tế bào tiêu diệt tự nhiên (NK) và các phân nhóm tế bào T cao nhất ở các phân nhóm miễn dịch ICR cao, với sự biến 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 ICR từ thấp đến cao (Hình 1d), chứng minh vai trò tiên lượng của ICR trong ung thư đại trực tràng.

Hình 1. Thiết kế nghiên cứu AC-ICAM, dấu ấn gen liên quan đến miễn dịch, các phân nhóm miễn dịch và phân tử, và tỷ lệ sống sót.
ICR thu giữ các tế bào T được làm giàu khối u và khuếch đại theo kiểu nhân bản.
Chỉ một số ít tế bào T xâm nhập mô khối u được báo cáo là đặc hiệu với kháng nguyên khối u (dưới 10%). Do đó, phần lớn các tế bào T trong khối u được gọi là tế bào T không liên quan (bystander T cells). Mối tương quan mạnh nhất với số lượng tế bào T thông thường có TCR hoạt động được quan sát thấy ở các quần thể tế bào mô đệm và bạch cầu (được phát hiện bằng RNA-seq), có thể được sử dụng để ước tính các quần thể tế bào T (Hình 2a). Trong các cụm ICR (phân loại tổng thể và CMS), tính đơn dòng cao nhất của TCR SEQ miễn dịch được quan sát thấy ở các nhóm ICR-cao và phân nhóm CMS1/miễn dịch (Hình 2c), với tỷ lệ khối u ICR-cao cao nhất. Sử dụng toàn bộ hệ gen (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 đến tính đơn dòng TCR SEQ miễn dịch (Hình 2d). Tính chất đơn dòng của TCR theo ImmunoSEQ tương quan mạnh mẽ hơn với hầu hết các gen ICR so với các mối tương quan quan sát được khi sử dụng các dấu ấn CD8+ đáp ứng với khối u (Hình 2f và 2g). Tóm lại, phân tích trên cho thấy dấu ấn ICR nắm bắt được sự hiện diện của các tế bào T được làm giàu trong khối u và được khuếch đại theo dòng, và có thể giải thích ý nghĩa tiên lượng của nó.

Hình 2. Các chỉ số TCR và mối tương quan với các gen liên quan đến miễn dịch, các phân nhóm miễn dịch và phân tử.
Thành phần hệ vi sinh vật trong mô ruột kết khỏe mạnh và mô ung thư ruột kết
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện giải trình tự 16S rRNA bằng cách sử dụng DNA được chiết xuất từ ​​mô khối u và mô ruột kết khỏe mạnh tương ứng 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 tương ứng 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 tương ứng và mô ruột kết khỏe mạnh. Vi khuẩn 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 đa dạng alpha (đa dạng và số lượng loài trong một mẫu) giữa các mẫu khối u và mẫu khỏe mạnh, và quan sát thấy sự giảm nhẹ về đa dạng vi sinh vật ở các khối u có ICR cao so với các khối u có ICR thấp.
Để phát hiện các mối liên hệ có ý nghĩa lâm sàng giữa hồ sơ vi sinh vật và kết quả lâm sàng, các nhà nghiên cứu đã đặt mục tiêu sử dụng dữ liệu giải trình tự gen 16S rRNA để xác định các đặc điểm hệ vi sinh vật dự đoán khả năng sống sót. Tại AC-ICAM246, các nhà nghiên cứu đã chạy mô hình hồi quy Cox OS chọn ra 41 đặc điểm có hệ số khác 0 (liên quan đến nguy cơ tử vong khác nhau), được gọi là bộ phân loại MBR (Hình 3f).
Trong nhóm huấn luyện 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 hệ giữa MBR thấp (nguy cơ) và thời gian sống thêm kéo dài trong hai nhóm được xác thực 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 ruột kết khỏe mạnh.

Hình 3. Hệ vi sinh vật trong mô khối u và mô khỏe mạnh, và mối quan hệ với ICR và tỷ lệ sống sót của bệnh nhân.
Phần kết luận
Phương pháp đaomics được sử dụng trong nghiên cứu này cho phép phát hiện và phân tích kỹ lưỡng dấu ấn phân tử của phản 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. Phân tích trình tự TCR chuyên sâu của mô khối u và mô khỏe mạnh cho thấy tác dụng tiên lượng của ICR có thể là do khả năng thu nhận các dòng tế bào T đặc hiệu với kháng nguyên khối u và có thể là đặc hiệu với kháng nguyên khối u.

Bằng cách phân tích thành phần hệ vi sinh vật khối u bằng phương pháp giải trình tự gen 16S rRNA trong các mẫu AC-ICAM, nhóm nghiên cứu đã xác định được một dấu ấn hệ vi sinh vật (điểm nguy cơ MBR) có giá trị tiên lượng cao. Mặc dù dấu ấn này được lấy từ các mẫu khối u, nhưng có mối tương quan mạnh mẽ giữa đại tràng khỏe mạnh và điểm nguy cơ MBR của khối u, cho thấy dấu ấn này có thể phản ánh thành phần hệ vi sinh vật đường ruột của bệnh nhân. Bằng cách kết hợp điểm ICR và MBR, nhóm nghiên cứu đã xác định và kiểm chứng được một dấu ấn sinh học đaomics dự đoán khả năng sống sót ở bệnh nhân ung thư đại tràng. Bộ dữ liệu đaomics 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).