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

Nat Med |Một cách tiếp cận đa omics để lập bản đồ khối u tích hợp, bối cảnh miễn dịch và 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 đối với ung thư ruột kết nguyên phát đã được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây, các hướng dẫn lâm sàng hiện tại chỉ dựa vào giai đoạn di căn hạch-khối u và phát hiện các khiếm khuyết sửa chữa không khớp DNA (MMR) hoặc mất ổn định vi vệ tinh (MSI) (ngoài xét nghiệm bệnh lý tiêu chuẩn ) để xác định các khuyến nghị điều trị.Các nhà nghiên cứu đã ghi nhận sự thiếu liên quan giữa các phản ứng miễn dịch dựa trên biểu hiện gen, hồ sơ vi khuẩn và chất nền khối u trong đoàn hệ ung thư đại trực tràng trong Bản đồ bộ gen ung thư (TCGA) và sự 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 sinh vật của ung thư, đã được báo cáo là có tương quan đáng kể với kết quả lâm sàng, nhưng vẫn còn hạn chế hiểu biết về cách thức tương tác của chúng ảnh hưởng đến kết quả điều trị của bệnh nhân. .
Để phân tích mối quan hệ giữa độ phức tạp của 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 tích hợp (mICRoScore) xác định một nhóm bệnh nhân có tỷ lệ sống sót tốt bằng cách kết hợp các đặc điểm của hệ vi sinh vật và sự đào thải miễn dịch. hằng số (ICR).Nhóm đã thực hiện phân tích bộ gen toàn diện các mẫu tươi đông lạnh 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 phù hợp, giải trình tự toàn bộ bộ gen, thụ thể tế bào T sâu và giải trình tự gen rRNA của vi khuẩn 16S, được bổ sung bởi toàn bộ khối u giải trình tự bộ gen để mô tả thêm đặc điểm của microbiome.Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Medicine với tên gọi “Bản đồ tổng hợp về khối u, miễn dịch và hệ vi sinh vật của bệnh ung thư ruột kết”.

Bài báo đăng trên tạp chí Nature Medicine

Tổng quan về AC-ICAM

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

Phân loại phân tử bằng ICR

Nắm bắt một tập hợp mô-đun các dấu hiệu di truyền miễn dịch để giám sát miễn dịch ung thư liên tục, được gọi là hằng số đào thải miễn dịch (ICR), nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa ICR bằng cách cô đặc 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 liệu pháp miễn dịch ở nhiều loại ung thư, bao gồm cả ung thư vú.

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu xác nhận chữ ký ICR của đoàn hệ AC-ICAM, sử dụng phương pháp đồng phân loại dựa trên gen ICR để phân loại đoàn hệ thành ba cụm/phân nhóm miễn dịch: ICR cao (khối u nóng), ICR trung bình và ICR thấp (lạnh khối u) (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 ruột kết dựa trên phiên mã.các danh mục CMS bao gồm CMS1/miễn dịch, CMS2/chính tắc, CMS3/chuyển hóa và CMS4/trung mô.Phân tích cho thấy điểm số ICR có tương quan nghịch với một số con đường tế bào ung thư nhất định trong tất cả các phân nhóm CMS và mối tương quan tích cực với các con đường liên quan đến ức chế miễn dịch và ức chế miễn dịch chỉ được quan sát thấy trong các khối u CMS4.

Trong tất cả các CMS, sự phong phú của các tập hợp tế bào giết người tự nhiên (NK) và tế bào T là cao nhất trong các phân nhóm miễn dịch cao ICR, với sự thay đổi lớn hơn trong các tập hợp con bạch cầu khác (Hình 1c). Các phân nhóm miễn dịch ICR có hệ điều hành và PFS khác nhau, với sự gia tăng dần dần trong 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, chữ ký gen liên quan đến miễn dịch, phân nhóm miễn dịch và phân tử và sự sống sót.
ICR chụp các tế bào T được khuếch đại vô tính, làm giàu khối u
Chỉ một số ít tế bào T thâm nhiễm mô khối u được báo cáo là đặc hiệu với các kháng nguyên khối u (dưới 10%).Do đó, phần lớn các tế bào T bên trong khối u được gọi là tế bào T ngoài cuộc (bystander T cells).Mối tương quan mạnh nhất với số lượng tế bào T thông thường với TCR sản xuất đã được quan sát thấy trong các quần thể tế bào cơ và tế bào bạch cầu (được phát hiện bởi 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 vô tính cao nhất của SEQ TCR miễn dịch đã được quan sát thấy trong các nhóm miễn dịch CMS1 / phân nhóm CMS cao và CMS (Hình 2c), với tỷ lệ khối u cao 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 dòng vô tính SEQ miễn dịch TCR (Hình 2d).Dòng vô tính của ImmunoSEQ TCR tương quan mạnh hơn với hầu hết các gen ICR so với các mối tương quan được quan sát bằng cách sử dụng các dấu hiệu CD8+ đáp ứng khối u (Hình 2f và 2g).Tóm lại, phân tích trên cho thấy rằng chữ ký ICR nắm bắt sự hiện diện của các tế bào T được khuếch đại vô tính, được làm 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 microbiome trong các mô ung thư ruột kết và khỏe mạnh
Các nhà nghiên cứu đã thực hiện giải trình tự 16S rRNA bằng cách sử dụng DNA chiết xuất từ ​​khối u phù hợp và mô ruột kết khỏe mạnh từ 246 bệnh nhân (Hình 3a).Để xác thực, các nhà nghiên cứu đã phân tích thêm dữ liệu giải trình tự gen 16S rRNA từ 42 mẫu khối u bổ sung không khớp với DNA bình thường có sẵn để phân tích.Đầu tiên, các nhà nghiên cứu so sánh sự phong phú tương đối của hệ thực vật giữa các khối u phù hợp và mô ruột kết 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 (sự đa dạng và phong phú của các loài trong một mẫu) giữa các mẫu khối u và khỏe mạnh, và sự giảm nhẹ về tính đa dạng của vi sinh vật 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 liên quan về mặt lâm sàng giữa hồ sơ vi khuẩn và kết quả lâm sàng, các nhà nghiên cứu nhằm mục đích 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 41 tính năng có hệ số khác 0 (liên quan đến rủi ro tử vong khác nhau), được gọi là phân loại MBR (Hình 3f).
Trong đoàn hệ 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 hệ giữa MBR thấp (rủi ro) và hệ điều hành kéo dài trong hai nhóm thuần tập được xác thực độc lập (ICAM42 và TCGA-COAD).(Hình 3) Nghiên cứu cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa cầu khuẩn nội dạ dày và điểm số MBR, tương tự nhau ở khối u và mô ruột kết khỏe mạnh.

Hình 3. Hệ vi sinh vật trong khối u và các mô khỏe mạnh và mối quan hệ với ICR và sự sống sót của bệnh nhân.
Phần kết luận
Phương pháp đa omics được sử dụng trong nghiên cứu này cho phép phát hiện và phân tích kỹ lưỡng dấu hiệu phân tử của phản ứng miễn dịch trong ung thư đại trực tràng và cho thấy sự tương tác giữa hệ vi sinh vật và hệ thống miễn dịch.Trình tự TCR sâu của khối u và các mô khỏe mạnh tiết lộ rằng tác dụng tiên lượng của ICR có thể là do khả năng bắt giữ các dòng tế bào T đặc hiệu của khối u và có thể là khối u.

Bằng cách phân tích thành phần hệ vi sinh vật khối u bằng cách sử dụng trình tự gen 16S rRNA trong các mẫu AC-ICAM, nhóm đã xác định được dấu hiệu của hệ vi sinh vật (điểm rủi ro MBR) có giá trị tiên lượng mạnh.Mặc dù chữ ký này được lấy từ các mẫu khối u, nhưng có mối tương quan chặt chẽ giữa điểm rủi ro MBR của khối u và đại trực tràng khỏe mạnh, cho thấy rằng chữ ký này có thể nắm bắt được thành phần hệ vi sinh vật đường ruột của bệnh nhân.Bằng cách kết hợp điểm số ICR và MBR, có thể xác định và xác nhận dấu ấn sinh học sinh viên đa omic dự đoán khả năng sống sót ở bệnh nhân ung thư ruột kết.Bộ dữ liệu đa omic của nghiên cứu cung cấp một nguồn tài nguyên để hiểu rõ hơn về sinh học ung thư ruột kết 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, tập bản đồ miễn dịch và microbiome của ung thư ruột kết.Nat Med 29, 1273–1286 (2023).