แนท เมด | วิธีการแบบหลายโอมิกส์ในการทำแผนที่เนื้องอกแบบรวม

แนท เมด | วิธีการแบบพหุโอมิกส์ในการทำแผนที่เนื้องอกแบบบูรณาการ ภูมิคุ้มกัน และภูมิทัศน์ของจุลินทรีย์ของมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนัก เผยปฏิสัมพันธ์ของไมโครไบโอมกับระบบภูมิคุ้มกัน
แม้ว่าตัวชี้วัดทางชีวภาพสำหรับมะเร็งลำไส้ใหญ่ระยะปฐมภูมิได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่แนวปฏิบัติทางคลินิกในปัจจุบันอาศัยเฉพาะระยะของเนื้องอก-ต่อมน้ำเหลือง และการแพร่กระจายของเนื้อร้าย และการตรวจหาข้อบกพร่องของการซ่อมแซม DNA ที่ไม่ตรงกัน (MMR) หรือความไม่เสถียรของไมโครแซทเทลไลท์ (MSI) เท่านั้น (นอกเหนือจากการทดสอบทางพยาธิวิทยามาตรฐาน ) เพื่อกำหนดข้อแนะนำการรักษา นักวิจัยสังเกตเห็นการขาดความสัมพันธ์ระหว่างการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันโดยอาศัยการแสดงออกของยีน โปรไฟล์ของจุลินทรีย์ และสโตรมาของเนื้องอกในกลุ่มมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักใน Cancer Genome Atlas (TCGA) กับการอยู่รอดของผู้ป่วย

ในขณะที่การวิจัยก้าวหน้าไป คุณลักษณะเชิงปริมาณของมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักปฐมภูมิ รวมถึงลักษณะของเซลล์มะเร็ง ภูมิคุ้มกัน สโตรมัล หรือจุลินทรีย์ของมะเร็ง ได้รับการรายงานว่ามีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับผลลัพธ์ทางคลินิก แต่ยังคงมีความเข้าใจที่จำกัดว่าปฏิสัมพันธ์ของพวกมันส่งผลต่อผลลัพธ์ของผู้ป่วยอย่างไร .
เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความซับซ้อนทางฟีโนไทป์และผลลัพธ์ ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิจัยทางการแพทย์ Sidra ในกาตาร์ได้พัฒนาและตรวจสอบคะแนนแบบบูรณาการ (mICRoScore) ที่ระบุกลุ่มผู้ป่วยที่มีอัตราการรอดชีวิตที่ดี โดยการผสมผสานคุณลักษณะของไมโครไบโอมและการปฏิเสธภูมิคุ้มกัน ค่าคงที่ (ICR) ทีมงานทำการวิเคราะห์จีโนมอย่างครอบคลุมของตัวอย่างสดแช่แข็งจากผู้ป่วย 348 รายที่เป็นมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนัก ซึ่งรวมถึงการจัดลำดับ RNA ของเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีที่ตรงกัน การจัดลำดับเอ็กโซมทั้งหมด ตัวรับทีเซลล์ระดับลึก และการจัดลำดับยีน rRNA ของแบคทีเรีย 16S เสริมด้วยเนื้องอกทั้งหมด การจัดลำดับจีโนมเพื่อระบุลักษณะเฉพาะของไมโครไบโอมเพิ่มเติม การศึกษานี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Medicine ในชื่อ "เนื้องอกแบบบูรณาการ ภูมิคุ้มกัน และแผนที่จุลชีพของมะเร็งลำไส้ใหญ่"

บทความที่ตีพิมพ์ใน เวชศาสตร์ธรรมชาติ

ภาพรวม AC-ICAM

นักวิจัยใช้แพลตฟอร์มจีโนมมุมฉากเพื่อวิเคราะห์ตัวอย่างเนื้องอกสดแช่แข็ง และจับคู่เนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีที่อยู่ติดกัน (คู่ของเนื้องอก-ปกติ) จากผู้ป่วยที่มีการวินิจฉัยทางจุลพยาธิวิทยาของมะเร็งลำไส้ใหญ่โดยไม่ต้องได้รับการรักษาแบบเป็นระบบ จากการหาลำดับจากภายนอกทั้งหมด (WES) การควบคุมคุณภาพข้อมูล RNA-seq และการคัดกรองเกณฑ์การรวม ข้อมูลจีโนมจากผู้ป่วย 348 รายจะถูกเก็บรักษาไว้และใช้สำหรับการวิเคราะห์ขั้นปลายโดยมีค่ามัธยฐานการติดตามผลที่ 4.6 ปี ทีมวิจัยตั้งชื่อแหล่งข้อมูลนี้ว่า Sidra-LUMC AC-ICAM: แผนที่และคำแนะนำเกี่ยวกับการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างภูมิคุ้มกัน มะเร็ง และไมโครไบโอม (รูปที่ 1)

การจำแนกประเภทโมเลกุลโดยใช้ ICR

ทีมวิจัยได้จับภาพชุดเครื่องหมายทางพันธุกรรมภูมิคุ้มกันแบบโมดูลาร์สำหรับการเฝ้าระวังมะเร็งอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่าค่าคงตัวของการปฏิเสธ (ICR) โดยย่อ ICR ให้เป็นแผง 20 ยีนที่ครอบคลุมมะเร็งประเภทต่างๆ รวมถึงมะเร็งผิวหนัง มะเร็งกระเพาะปัสสาวะ และ มะเร็งเต้านม ICR ยังเกี่ยวข้องกับการตอบสนองของการบำบัดด้วยภูมิคุ้มกันในมะเร็งหลายประเภท รวมถึงมะเร็งเต้านม

ขั้นแรก นักวิจัยได้ตรวจสอบความถูกต้องของลายเซ็น ICR ของกลุ่ม AC-ICAM โดยใช้วิธีจำแนกประเภทร่วมโดยใช้ยีน ICR เพื่อจำแนกกลุ่มตามรุ่นออกเป็นสามกลุ่ม/ชนิดย่อยภูมิคุ้มกัน ได้แก่ ICR สูง (เนื้องอกร้อน) ICR ปานกลาง และ ICR ต่ำ (เย็น เนื้องอก) (รูปที่ 1b) นักวิจัยได้ระบุลักษณะนิสัยชอบทางภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องกับชนิดย่อยของโมเลกุลที่เป็นเอกฉันท์ (CMS) ซึ่งเป็นการจำแนกประเภทตามการถอดเสียงของมะเร็งลำไส้ใหญ่ หมวดหมู่ CMS ได้แก่ CMS1 / ภูมิคุ้มกัน, CMS2 / canonical, CMS3 / เมตาบอลิซึม และ CMS4 / mesenchymal การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าคะแนน ICR มีความสัมพันธ์เชิงลบกับวิถีเซลล์มะเร็งบางชนิดในชนิดย่อย CMS ทั้งหมด และความสัมพันธ์เชิงบวกกับวิถีทางภูมิคุ้มกันและที่เกี่ยวข้องกับสโตรมัลถูกพบในเนื้องอก CMS4 เท่านั้น

ใน CMS ทั้งหมด ความอุดมสมบูรณ์ของเซลล์นักฆ่าตามธรรมชาติ (NK) และชุดย่อยของ T เซลล์สูงที่สุดในชนิดย่อยภูมิคุ้มกันสูงของ ICR โดยมีความแปรปรวนมากขึ้นในชุดย่อยของเม็ดเลือดขาวอื่น ๆ (รูปที่ 1c) ชนิดย่อยภูมิคุ้มกันของ ICR มี OS และ PFS ที่แตกต่างกัน โดยมีการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ใน ICR จากต่ำไปสูง (รูปที่ 1d) ตรวจสอบบทบาทการพยากรณ์โรคของ ICR ในมะเร็งลำไส้ใหญ่

รูปที่ 1 การออกแบบการศึกษา AC-ICAM ลายเซ็นของยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน ชนิดย่อยของภูมิคุ้มกันและโมเลกุล และการอยู่รอด
ICR จับทีเซลล์ที่มีการขยายตัวแบบโคลนที่เสริมด้วยเนื้องอก
มีรายงานว่ามีเพียงส่วนน้อยของทีเซลล์ที่แทรกซึมเข้าไปในเนื้อเยื่อเนื้องอกเท่านั้นที่มีความจำเพาะต่อแอนติเจนของเนื้องอก (น้อยกว่า 10%) ดังนั้นทีเซลล์ในเนื้องอกส่วนใหญ่จึงเรียกว่าทีเซลล์ข้างเคียง (ทีเซลล์ข้างเคียง) ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่สุดกับจำนวนของเซลล์ T ทั่วไปที่มี TCR ที่มีประสิทธิผลถูกพบในเซลล์ stromal และประชากรย่อยของเม็ดเลือดขาว (ตรวจพบโดย RNA-seq) ซึ่งสามารถใช้เพื่อประมาณจำนวนประชากรย่อยของ T เซลล์ (รูปที่ 2a) ในกลุ่ม ICR (การจำแนกโดยรวมและ CMS) พบว่ามีการโคลนนิ่งสูงสุดของ SEQ TCR ภูมิคุ้มกันในกลุ่ม ICR-high และ CMS ชนิดย่อย CMS1/กลุ่มภูมิคุ้มกัน (รูปที่ 2c) โดยมีสัดส่วนสูงสุดของเนื้องอก ICR สูง การใช้ทรานสคริปต์โตมทั้งหมด (18, 270 ยีน) ยีน ICR หกยีน (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA และ CXCL10) เป็นหนึ่งในสิบยีนอันดับต้น ๆ ที่เกี่ยวข้องเชิงบวกกับ TCR ภูมิคุ้มกัน SEQ clonality (รูปที่ 2d) ImmunoSEQ TCR clonality มีความสัมพันธ์อย่างมากกับยีน ICR ส่วนใหญ่มากกว่าความสัมพันธ์ที่สังเกตได้โดยใช้เครื่องหมาย CD8 + ที่ตอบสนองต่อเนื้องอก (รูปที่ 2f และ 2g) โดยสรุป การวิเคราะห์ข้างต้นเสนอแนะว่าลายเซ็น ICR จับการมีอยู่ของ T เซลล์ที่เสริมด้วยเนื้องอกและขยายขนาดตามโคลน และอาจอธิบายความหมายเชิงพยากรณ์ของมัน

รูปที่ 2 ตัวชี้วัด TCR และความสัมพันธ์กับยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน ชนิดย่อยของภูมิคุ้มกันและโมเลกุล
องค์ประกอบของไมโครไบโอมในเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีและมะเร็งลำไส้ใหญ่
นักวิจัยดำเนินการจัดลำดับ 16S rRNA โดยใช้ DNA ที่สกัดจากเนื้องอกที่ตรงกันและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีจากผู้ป่วย 246 ราย (รูปที่ 3a) เพื่อการตรวจสอบความถูกต้อง นักวิจัยได้วิเคราะห์ข้อมูลลำดับยีน 16S rRNA เพิ่มเติมจากตัวอย่างเนื้องอกอีก 42 ตัวอย่างที่ไม่ตรงกับ DNA ปกติที่สามารถวิเคราะห์ได้ ขั้นแรก นักวิจัยได้เปรียบเทียบความอุดมสมบูรณ์ของพืชระหว่างเนื้องอกที่เข้ากันกับเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี คลอสตริเดียม เพอร์ฟรินเจนส์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเนื้องอกเมื่อเปรียบเทียบกับตัวอย่างที่มีสุขภาพดี (รูปที่ 3a-3d) ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความหลากหลายของอัลฟา (ความหลากหลายและความอุดมสมบูรณ์ของสปีชีส์ในตัวอย่างเดียว) ระหว่างเนื้องอกและตัวอย่างที่มีสุขภาพดี และการลดลงเล็กน้อยของความหลากหลายของจุลินทรีย์ถูกพบในเนื้องอกที่มี ICR สูง เมื่อเทียบกับเนื้องอกที่มี ICR ต่ำ
เพื่อตรวจหาความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องทางคลินิกระหว่างโปรไฟล์ของจุลินทรีย์และผลลัพธ์ทางคลินิก นักวิจัยตั้งเป้าที่จะใช้ข้อมูลการจัดลำดับยีน 16S rRNA เพื่อระบุคุณลักษณะของไมโครไบโอมที่ทำนายการอยู่รอด ที่ AC-ICAM246 นักวิจัยได้รันแบบจำลองการถดถอยของ OS Cox โดยเลือกคุณลักษณะ 41 รายการที่มีค่าสัมประสิทธิ์ที่ไม่เป็นศูนย์ (เกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อการเสียชีวิตที่แตกต่างกัน) ที่เรียกว่าตัวแยกประเภท MBR (รูปที่ 3f)
ในกลุ่มการฝึกอบรมนี้ (ICAM246) คะแนน MBR ต่ำ (MBR<0, MBR ต่ำ) มีความสัมพันธ์กับความเสี่ยงต่อการเสียชีวิตที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (85%) นักวิจัยยืนยันความสัมพันธ์ระหว่าง MBR ต่ำ (ความเสี่ยง) และระบบปฏิบัติการที่ยืดเยื้อในกลุ่มประชากรที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องโดยอิสระสองกลุ่ม (ICAM42 และ TCGA-COAD) (รูปที่ 3) การศึกษาแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่าง endogastric cocci และคะแนน MBR ซึ่งมีความคล้ายคลึงกันในเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี

รูปที่ 3 ไมโครไบโอมในเนื้องอกและเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดี และความสัมพันธ์กับ ICR และความอยู่รอดของผู้ป่วย
บทสรุป
วิธีการมัลติโอมิกส์ที่ใช้ในการศึกษานี้ช่วยให้สามารถตรวจจับและวิเคราะห์ลักษณะโมเลกุลของการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันในมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักได้อย่างละเอียด และเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างไมโครไบโอมกับระบบภูมิคุ้มกัน การจัดลำดับ TCR แบบลึกของเนื้องอกและเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีเผยให้เห็นว่าผลการพยากรณ์โรคของ ICR อาจเนื่องมาจากความสามารถในการจับโคลนทีเซลล์ที่จำเพาะต่อแอนติเจนที่เสริมด้วยเนื้องอกและอาจเป็นได้

ด้วยการวิเคราะห์องค์ประกอบของไมโครไบโอมของเนื้องอกโดยใช้การจัดลำดับยีน 16S rRNA ในตัวอย่าง AC-ICAM ทีมงานได้ระบุลายเซ็นของไมโครไบโอม (คะแนนความเสี่ยง MBR) ที่มีมูลค่าการพยากรณ์โรคสูง แม้ว่าลายเซ็นนี้ได้มาจากตัวอย่างเนื้องอก แต่ก็มีความสัมพันธ์กันอย่างมากระหว่างลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีและคะแนนความเสี่ยง MBR ของเนื้องอก ซึ่งบ่งชี้ว่าลายเซ็นนี้อาจจับองค์ประกอบไมโครไบโอมในลำไส้ของผู้ป่วย ด้วยการรวมคะแนน ICR และ MBR ทำให้สามารถระบุและตรวจสอบความถูกต้องของตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของนักเรียนแบบหลายโอมิกที่คาดการณ์การรอดชีวิตในผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้ ชุดข้อมูลพหุโอมิกของการศึกษานี้เป็นแหล่งข้อมูลในการทำความเข้าใจชีววิทยาของมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้ดีขึ้น และช่วยค้นพบแนวทางการรักษาเฉพาะบุคคล

อ้างอิง:
Roelands, J. , Kuppen, PJK, อาเหม็ด, EI และคณะ เนื้องอกแบบบูรณาการ ภูมิคุ้มกัน และไมโครไบโอมของมะเร็งลำไส้ใหญ่ แนท เมด 29, 1273–1286 (2023)