Nat Med | วิธีการหลายรูปแบบในการทำแผนที่เนื้องอกแบบบูรณาการ

Nat Med | วิธีการหลาย Omics ในการทำแผนที่เนื้องอกแบบบูรณาการภูมิทัศน์ภูมิคุ้มกันและจุลินทรีย์ของมะเร็งลำไส้ใหญ่เผยให้เห็นการทำงานร่วมกันของ microbiome กับระบบภูมิคุ้มกัน
แม้ว่า biomarkers สำหรับมะเร็งลำไส้ใหญ่ปฐมภูมิได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาแนวทางทางคลินิกในปัจจุบันนั้นขึ้นอยู่กับการติดตั้งโหนดโหนดเนื้องอกและการตรวจจับการซ่อมแซมดีเอ็นเอการซ่อมแซม (MMR) หรือการทดสอบความไม่แน่นอนของ microsatellite (MSI) (นอกเหนือจากการทดสอบทางพยาธิวิทยามาตรฐาน) นักวิจัยได้สังเกตเห็นว่าการขาดความสัมพันธ์ระหว่างการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันตามการแสดงออกของยีนโปรไฟล์จุลินทรีย์และเนื้องอก stroma ในแอตลาสมะเร็ง (TCGA) มะเร็งลำไส้ใหญ่และการอยู่รอดของผู้ป่วย

ในขณะที่การวิจัยมีความก้าวหน้าลักษณะเชิงปริมาณของมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักหลักรวมถึงเซลล์มะเร็ง, ภูมิคุ้มกัน, stromal หรือธรรมชาติของมะเร็งได้รับการรายงานว่ามีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับผลลัพธ์ทางคลินิก แต่ยังมีความเข้าใจที่ จำกัด ว่าการมีปฏิสัมพันธ์ของพวกเขาส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์ของผู้ป่วยอย่างไร
เพื่อแยกความสัมพันธ์ระหว่างความซับซ้อนของฟีโนไทป์และผลลัพธ์ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิจัยทางการแพทย์ Sidra ในกาตาร์ได้พัฒนาและตรวจสอบคะแนนแบบบูรณาการ (ไมโครสโคป) ที่ระบุกลุ่มผู้ป่วยที่มีอัตราการรอดชีวิตที่ดี ทีมทำการวิเคราะห์จีโนมที่ครอบคลุมของตัวอย่างแช่แข็งสดจากผู้ป่วย 348 คนที่เป็นมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักหลักรวมถึงการจัดลำดับ RNA ของเนื้องอกและการจับคู่เนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่และทวารหนักที่ดีต่อสุขภาพการจัดลำดับ exome ทั้งหมดตัวรับ T-cell ลึก การศึกษาได้รับการตีพิมพ์ใน Nature Medicine ว่าเป็น“ เนื้องอกแบบบูรณาการ, ภูมิคุ้มกันและแผนที่ microbiome ของมะเร็งลำไส้ใหญ่”

บทความที่ตีพิมพ์ใน Nature Medicine

ภาพรวม AC-ICAM

นักวิจัยใช้แพลตฟอร์มจีโนมแบบมุมฉากเพื่อวิเคราะห์ตัวอย่างเนื้องอกแช่แข็งสดและจับคู่เนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่อยู่ติดกัน (คู่เนื้องอกปกติ) จากผู้ป่วยที่มีการวินิจฉัยทางจุลพยาธิวิทยาของมะเร็งลำไส้ใหญ่โดยไม่ต้องรักษาด้วยระบบ ขึ้นอยู่กับการเรียงลำดับทั้งหมด (WES) การควบคุมคุณภาพข้อมูล RNA-seq และการคัดกรองเกณฑ์การรวมข้อมูลจีโนมจากผู้ป่วย 348 คนถูกเก็บรักษาไว้และใช้สำหรับการวิเคราะห์ดาวน์สตรีมด้วยค่ามัธยฐานการติดตาม 4.6 ปี ทีมวิจัยตั้งชื่อทรัพยากรนี้ Sidra-LUMC AC-ICAM: แผนที่และคู่มือการปฏิสัมพันธ์กับภูมิคุ้มกันมะเร็ง-มะเร็ง (รูปที่ 1)

การจำแนกระดับโมเลกุลโดยใช้ ICR

การจับชุดเครื่องหมายทางพันธุกรรมของระบบภูมิคุ้มกันสำหรับการสร้างภูมิคุ้มกันโรคมะเร็งอย่างต่อเนื่องซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ภูมิคุ้มกันของการปฏิเสธ (ICR) ทีมวิจัยปรับ ICR ให้เหมาะสมโดยการกลั่นตัวลงในแผงยีน 20 ชนิดซึ่งครอบคลุมมะเร็งชนิดต่าง ๆ รวมถึงมะเร็งผิวหนังมะเร็งกระเพาะปัสสาวะและมะเร็งเต้านม ICR ยังมีความสัมพันธ์กับการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในมะเร็งหลากหลายชนิดรวมถึงมะเร็งเต้านม

ครั้งแรกนักวิจัยตรวจสอบลายเซ็น ICR ของกลุ่ม AC-ICAM โดยใช้วิธีการจัดหมวดหมู่ร่วมกับยีน ICR เพื่อจำแนกกลุ่มเป็นสามกลุ่ม/ชนิดย่อยภูมิคุ้มกัน: ICR สูง (เนื้องอกร้อน), ICR ขนาดกลางและ ICR ต่ำ (เนื้องอกเย็น) (รูปที่ 1B) นักวิจัยมีลักษณะภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องกับฉันทามติโมเลกุลชนิดย่อย (CMS) ซึ่งเป็นการจำแนกประเภทของมะเร็งลำไส้ใหญ่ตาม transcriptome หมวดหมู่ CMS รวมถึง CMS1/Immune, CMS2/Canonical, CMS3/Metabolic และ CMS4/Mesenchymal การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าคะแนน ICR มีความสัมพันธ์เชิงลบกับเส้นทางเซลล์มะเร็งบางชนิดในทุกชนิดย่อย CMS และความสัมพันธ์เชิงบวกกับเส้นทางภูมิคุ้มกันและเส้นทางที่เกี่ยวข้องกับ stromal นั้นพบได้เฉพาะในเนื้องอก CMS4

ใน CMS ทั้งหมดความอุดมสมบูรณ์ของเซลล์นักฆ่าธรรมชาติ (NK) และเซลล์ย่อย T สูงที่สุดในชนิดย่อยภูมิคุ้มกันของ ICR สูงโดยมีความแปรปรวนมากขึ้นในชุดย่อยของเม็ดเลือดขาวอื่น ๆ (รูปที่ 1C). ICR ภูมิคุ้มกันย่อยชนิดที่แตกต่างกันของ ICR

รูปที่ 1. การออกแบบการศึกษา AC-ICAM, ลายเซ็นยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน, ภูมิคุ้มกันและโมเลกุลย่อยและการอยู่รอด
ICR จับเซลล์ T ที่ได้รับการเสริมสร้างเนื้องอก
มีรายงานว่ามีการรายงานเนื้อเยื่อเนื้องอกของเซลล์ T ที่แทรกซึมเข้าไปในส่วนน้อยสำหรับแอนติเจนของเนื้องอก (น้อยกว่า 10%) ดังนั้นเซลล์ T ภายในเวลาส่วนใหญ่จะเรียกว่าเซลล์ T Bystander T (เซลล์ Bystander T) ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่สุดกับจำนวนเซลล์ T ทั่วไปที่มี TCR ที่มีประสิทธิภาพถูกพบในเซลล์ stromal และประชากรย่อยของเม็ดเลือดขาว (ตรวจพบโดย RNA-seq) ซึ่งสามารถใช้ในการประเมินกลุ่มย่อยเซลล์ T (รูปที่ 2A) ในกลุ่ม ICR (การจำแนกโดยรวมและ CMS) พบว่ามีความเป็นไปได้สูงสุดของภูมิคุ้มกัน SEQ TCRs ในกลุ่ม ICR-High และ CMS subtype CMS1/กลุ่มภูมิคุ้มกัน (รูปที่ 2C) โดยมีสัดส่วนสูงสุดของเนื้องอก ICR สูง การใช้ transcriptome ทั้งหมด (18,270 ยีน), ยีน ICR หกยีน (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA และ CXCL10) เป็นหนึ่งในสิบยีนอันดับต้น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับ TCR SEQ clonality (รูปที่ 2D) Immunoseq TCR clonality มีความสัมพันธ์อย่างมากกับยีน ICR ส่วนใหญ่กว่าความสัมพันธ์ที่สังเกตได้โดยใช้เครื่องหมาย CD8+ ที่ตอบสนองต่อเนื้องอก (รูปที่ 2F และ 2G) โดยสรุปการวิเคราะห์ข้างต้นแสดงให้เห็นว่าลายเซ็น ICR จับภาพการปรากฏตัวของเซลล์ T ที่ได้รับการเสริมสร้างเนื้องอกและอาจอธิบายถึงผลกระทบของการพยากรณ์โรค

รูปที่ 2. ตัวชี้วัด TCR และความสัมพันธ์กับยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกันชนิดย่อยภูมิคุ้มกันและโมเลกุล
องค์ประกอบ microbiome ในเนื้อเยื่อมะเร็งที่ดีต่อสุขภาพและลำไส้ใหญ่
นักวิจัยทำการจัดลำดับ 16S rRNA โดยใช้ DNA ที่สกัดจากเนื้องอกที่จับคู่และเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดีจากผู้ป่วย 246 ราย (รูปที่ 3A) สำหรับการตรวจสอบความถูกต้องนักวิจัยได้วิเคราะห์ข้อมูลการเรียงลำดับยีน 16S RRNA จากตัวอย่างเนื้องอกเพิ่มเติมอีก 42 ตัวอย่างที่ไม่ได้จับคู่ DNA ปกติที่มีอยู่สำหรับการวิเคราะห์ ประการแรกนักวิจัยเปรียบเทียบความอุดมสมบูรณ์ของพืชระหว่างเนื้องอกที่จับคู่และเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี Clostridium perfringens เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเนื้องอกเมื่อเทียบกับตัวอย่างที่มีสุขภาพดี (รูปที่ 3A-3D) ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความหลากหลายของอัลฟ่า (ความหลากหลายและความอุดมสมบูรณ์ของสปีชีส์ในตัวอย่างเดียว) ระหว่างเนื้องอกและตัวอย่างที่มีสุขภาพดีและการลดลงเล็กน้อยของความหลากหลายของจุลินทรีย์ถูกพบในเนื้องอก ICR-สูงเมื่อเทียบกับเนื้องอก ICR-low
ในการตรวจจับความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องทางคลินิกระหว่างโปรไฟล์จุลินทรีย์และผลลัพธ์ทางคลินิกนักวิจัยมีวัตถุประสงค์เพื่อใช้ข้อมูลลำดับยีน 16S rRNA เพื่อระบุคุณสมบัติ microbiome ที่ทำนายการอยู่รอด ที่ AC-ICAM246 นักวิจัยใช้แบบจำลองการถดถอย OS Cox ที่เลือก 41 คุณสมบัติที่มีค่าสัมประสิทธิ์ที่ไม่ใช่ศูนย์ (เกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อการเสียชีวิตที่แตกต่างกัน) เรียกว่า MBR classifiers (รูปที่ 3F)
ในกลุ่มการฝึกอบรมนี้ (ICAM246) คะแนน MBR ต่ำ (MBR <0, MBR ต่ำ) มีความสัมพันธ์กับความเสี่ยงที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญต่อการเสียชีวิต (85%) นักวิจัยยืนยันความสัมพันธ์ระหว่าง MBR ต่ำ (ความเสี่ยง) และระบบปฏิบัติการที่ยืดเยื้อในสองกลุ่มที่ผ่านการตรวจสอบอย่างอิสระ (ICAM42 และ TCGA-coad) (รูปที่ 3) การศึกษาแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างคะแนน endogastric cocci และ MBR ซึ่งมีความคล้ายคลึงกันในเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่มีสุขภาพดี

รูปที่ 3. microbiome ในเนื้องอกและเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีและความสัมพันธ์กับ ICR และการอยู่รอดของผู้ป่วย
บทสรุป
วิธีการหลาย OMICS ที่ใช้ในการศึกษานี้ช่วยให้สามารถตรวจจับและวิเคราะห์ลายเซ็นโมเลกุลของการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในมะเร็งลำไส้ใหญ่และเผยให้เห็นการทำงานร่วมกันระหว่าง microbiome และระบบภูมิคุ้มกัน การจัดลำดับ TCR ลึกของเนื้องอกและเนื้อเยื่อที่มีสุขภาพดีพบว่าผลการพยากรณ์โรคของ ICR อาจเกิดจากความสามารถในการจับเนื้องอกที่ได้รับการเสริมสร้างเนื้องอก

โดยการวิเคราะห์องค์ประกอบของเนื้องอก microbiome โดยใช้ลำดับยีน 16S rRNA ในตัวอย่าง AC-ICAM ทีมระบุลายเซ็น microbiome (คะแนนความเสี่ยง MBR) ที่มีค่าการพยากรณ์โรคที่แข็งแกร่ง แม้ว่าลายเซ็นนี้ได้มาจากตัวอย่างเนื้องอก แต่ก็มีความสัมพันธ์กันอย่างมากระหว่างคะแนนความเสี่ยง MBR ที่ดีต่อสุขภาพและเนื้องอก MBR ซึ่งบ่งชี้ว่าลายเซ็นนี้อาจจับองค์ประกอบของผู้ป่วยในลำไส้ ด้วยการรวมคะแนน ICR และ MBR มันเป็นไปได้ที่จะระบุและตรวจสอบความถูกต้องของนักแสดงนักศึกษาหลายคนที่ทำนายการอยู่รอดในผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่ ชุดข้อมูลที่หลากหลายของการศึกษาให้ทรัพยากรเพื่อทำความเข้าใจชีววิทยามะเร็งลำไส้ใหญ่และช่วยค้นพบวิธีการรักษาส่วนบุคคล

อ้างอิง:
Roelands, J. , Kuppen, PJK, Ahmed, EI และคณะ เนื้องอกแบบบูรณาการภูมิคุ้มกันและแผนที่ microbiome ของมะเร็งลำไส้ใหญ่ Nat Med 29, 1273–1286 (2023)