Nat Med | แนวทางมัลติโอมิกส์ในการทำแผนที่เนื้องอกแบบบูรณาการ

Nat Med | แนวทางมัลติโอมิกส์ในการทำแผนที่ภูมิทัศน์ของเนื้องอก ภูมิคุ้มกัน และจุลินทรีย์ที่บูรณาการของมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างไมโครไบโอมกับระบบภูมิคุ้มกัน
แม้ว่าจะมีการศึกษาไบโอมาร์กเกอร์สำหรับมะเร็งลำไส้ใหญ่ระยะเริ่มต้นอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่แนวทางปฏิบัติทางคลินิกในปัจจุบันยังคงใช้เพียงการจัดระยะมะเร็ง-ต่อมน้ำเหลือง-การแพร่กระจาย และการตรวจหาข้อบกพร่องจากการซ่อมแซมดีเอ็นเอที่ไม่ตรงกัน (MMR) หรือความไม่เสถียรของไมโครแซทเทลไลต์ (MSI) (นอกเหนือจากการตรวจทางพยาธิวิทยามาตรฐาน) เพื่อกำหนดคำแนะนำในการรักษา นักวิจัยได้สังเกตเห็นการขาดความสัมพันธ์ระหว่างการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่อาศัยการแสดงออกของยีน โปรไฟล์จุลินทรีย์ และสโตรมาของเนื้องอกในกลุ่มผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักที่ศึกษาตามโครงการ Cancer Genome Atlas (TCGA) กับอัตราการรอดชีวิตของผู้ป่วย

จากการศึกษาวิจัยที่มีความก้าวหน้า พบว่าลักษณะเชิงปริมาณของมะเร็งลำไส้ใหญ่และมะเร็งทวารหนักขั้นต้น รวมถึงลักษณะของเซลล์มะเร็ง ภูมิคุ้มกัน สโตรมา หรือจุลินทรีย์ของมะเร็ง มีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับผลลัพธ์ทางคลินิก แต่ความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของทั้งสองปัจจัยส่งผลต่อผลลัพธ์ของผู้ป่วยนั้นยังมีจำกัด
เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความซับซ้อนของลักษณะทางฟีโนไทป์และผลลัพธ์ ทีมนักวิจัยจากสถาบันวิจัยการแพทย์ซิดรา (Sidra Institute of Medical Research) ในประเทศกาตาร์ได้พัฒนาและตรวจสอบความถูกต้องของคะแนนรวม (mICRoScore) ซึ่งระบุกลุ่มผู้ป่วยที่มีอัตราการรอดชีวิตที่ดี โดยการรวมลักษณะของไมโครไบโอมและค่าคงที่การต่อต้านภูมิคุ้มกัน (ICR) เข้าด้วยกัน ทีมวิจัยได้ทำการวิเคราะห์จีโนมอย่างครอบคลุมจากตัวอย่างสดแช่แข็งจากผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักปฐมภูมิ 348 ราย ซึ่งรวมถึงการหาลำดับเบสของอาร์เอ็นเอของเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่และทวารหนักที่แข็งแรง การหาลำดับเบสของเอ็กโซมทั้งหมด ตัวรับทีเซลล์ระดับลึก และการหาลำดับเบสของยีน 16S rRNA ของแบคทีเรีย เสริมด้วยการหาลำดับเบสจีโนมของเนื้องอกทั้งหมดเพื่อจำแนกลักษณะของไมโครไบโอมเพิ่มเติม การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Medicine ในชื่อ “An integrated tumor, immune and microbiome atlas of colon cancer”

บทความตีพิมพ์ในวารสาร Nature Medicine

ภาพรวม AC-ICAM

นักวิจัยใช้แพลตฟอร์มจีโนมแบบออร์โธโกนัลเพื่อวิเคราะห์ตัวอย่างเนื้องอกสดแช่แข็งและจับคู่เนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่แข็งแรง (คู่เนื้องอก-ปกติ) ที่อยู่ติดกันจากผู้ป่วยที่ได้รับการวินิจฉัยทางจุลพยาธิวิทยาว่าเป็นมะเร็งลำไส้ใหญ่โดยไม่ได้รับการรักษาแบบระบบ ข้อมูลจีโนมจากผู้ป่วย 348 รายถูกเก็บรักษาไว้โดยอาศัยการจัดลำดับเอ็กโซมทั้งหมด (WES) การควบคุมคุณภาพข้อมูล RNA-seq และการคัดกรองตามเกณฑ์การคัดเลือก และนำไปใช้ในการวิเคราะห์ต่อเนื่อง โดยมีระยะเวลาติดตามผลเฉลี่ย 4.6 ปี ทีมวิจัยตั้งชื่อแหล่งข้อมูลนี้ว่า Sidra-LUMC AC-ICAM: แผนที่และคู่มือเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างภูมิคุ้มกัน-มะเร็ง-ไมโครไบโอม (รูปที่ 1)

การจำแนกโมเลกุลโดยใช้ ICR

ทีมวิจัยได้นำชุดเครื่องหมายทางพันธุกรรมภูมิคุ้มกันแบบแยกส่วน (Modular Genetic Marker) สำหรับการเฝ้าระวังมะเร็งอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่า ค่าคงที่ของการปฏิเสธภูมิคุ้มกัน (Immune Constant of Rejection: ICR) มาปรับค่า ICR ให้เหมาะสมที่สุดโดยย่อค่า ICR ให้เหลือเพียง 20 ยีนที่ครอบคลุมมะเร็งชนิดต่างๆ ได้แก่ มะเร็งเมลาโนมา มะเร็งกระเพาะปัสสาวะ และมะเร็งเต้านม นอกจากนี้ ICR ยังสัมพันธ์กับการตอบสนองของภูมิคุ้มกันบำบัดในมะเร็งหลายชนิด รวมถึงมะเร็งเต้านมด้วย

ประการแรก นักวิจัยได้ตรวจสอบความถูกต้องของลายเซ็น ICR ของกลุ่มตัวอย่าง AC-ICAM โดยใช้วิธีการจำแนกประเภทร่วมตามยีน ICR เพื่อจำแนกกลุ่มตัวอย่างออกเป็นสามกลุ่ม/ชนิดย่อยภูมิคุ้มกัน ได้แก่ ICR สูง (เนื้องอกร้อน) ICR ปานกลาง และ ICR ต่ำ (เนื้องอกเย็น) (รูปที่ 1b) นักวิจัยได้จำแนกลักษณะแนวโน้มภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องกับชนิดย่อยโมเลกุลที่สอดคล้องกัน (CMS) ซึ่งเป็นการจำแนกประเภทมะเร็งลำไส้ใหญ่โดยใช้ทรานสคริปโทม หมวดหมู่ของ CMS ประกอบด้วย CMS1/ภูมิคุ้มกัน, CMS2/แคนนอนิคัล, CMS3/เมตาบอลิก และ CMS4/มีเซนไคมัล การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าคะแนน ICR มีความสัมพันธ์เชิงลบกับวิถีของเซลล์มะเร็งบางชนิดในชนิดย่อย CMS ทั้งหมด และพบความสัมพันธ์เชิงบวกกับวิถีของเซลล์ภูมิคุ้มกันและวิถีที่เกี่ยวข้องกับสโตรมาในเนื้องอก CMS4 เท่านั้น

ใน CMS ทั้งหมด ความอุดมสมบูรณ์ของเซลล์นักฆ่าธรรมชาติ (NK) และเซลล์ T มีจำนวนสูงสุดในกลุ่มย่อยที่มีภูมิคุ้มกัน ICR สูง โดยมีความแปรปรวนมากกว่าในกลุ่มย่อยของเม็ดเลือดขาวอื่นๆ (รูปที่ 1c) กลุ่มย่อยภูมิคุ้มกัน ICR มี OS และ PFS ที่แตกต่างกัน โดยมี ICR เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากต่ำไปสูง (รูปที่ 1d) ซึ่งยืนยันบทบาทการพยากรณ์ของ ICR ในมะเร็งลำไส้ใหญ่

รูปที่ 1 การออกแบบการศึกษา AC-ICAM ลายเซ็นยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน ชนิดย่อยของภูมิคุ้มกันและโมเลกุล และการอยู่รอด
ICR จับเซลล์ T ที่มีเนื้องอกเพิ่มขึ้นและมีการขยายตัวแบบโคลน
มีรายงานว่าเซลล์ทีแทรกซึมเข้าไปในเนื้อเยื่อเนื้องอกเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่มีความจำเพาะต่อแอนติเจนของเนื้องอก (น้อยกว่า 10%) ดังนั้น เซลล์ทีภายในเนื้องอกส่วนใหญ่จึงถูกเรียกว่าเซลล์ทีข้างเคียง (bystander T cells) ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่สุดกับจำนวนเซลล์ทีทั่วไปที่มี TCR ที่สร้างได้ พบในกลุ่มเซลล์สโตรมาและเม็ดเลือดขาวย่อย (ตรวจพบโดย RNA-seq) ซึ่งสามารถใช้ประเมินกลุ่มเซลล์ทีย่อยได้ (รูปที่ 2a) ในกลุ่ม ICR (การจำแนกประเภทโดยรวมและ CMS) พบโคลนของ TCR ที่มี SEQ ภูมิคุ้มกันสูงสุดในกลุ่ม CMS1/ภูมิคุ้มกันที่มี ICR สูงและ CMS ชนิดย่อย (รูปที่ 2c) โดยมีสัดส่วนของเนื้องอกที่มี ICR สูงที่สุด เมื่อใช้ทรานสคริปโทมทั้งหมด (18,270 ยีน) ยีน ICR 6 ยีน (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA และ CXCL10) อยู่ใน 10 ยีนแรกที่มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับโคลน TCR immune SEQ (รูปที่ 2d) โคลน TCR ของ ImmunoSEQ มีความสัมพันธ์อย่างมากกับยีน ICR ส่วนใหญ่เมื่อเทียบกับความสัมพันธ์ที่สังเกตได้โดยใช้เครื่องหมาย CD8+ ที่ตอบสนองต่อเนื้องอก (รูปที่ 2f และ 2g) สรุปได้ว่า การวิเคราะห์ข้างต้นชี้ให้เห็นว่าลายเซ็น ICR สามารถบันทึกการมีอยู่ของเซลล์ T ที่มีเนื้องอกเพิ่มขึ้นและมีการขยายตัวแบบโคลน และอาจอธิบายนัยสำคัญทางพยากรณ์โรคได้

รูปที่ 2 เมตริก TCR และความสัมพันธ์กับยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน ชนิดย่อยของภูมิคุ้มกันและโมเลกุล
องค์ประกอบของไมโครไบโอมในเนื้อเยื่อที่แข็งแรงและมะเร็งลำไส้ใหญ่
นักวิจัยได้ทำการหาลำดับเบส 16S rRNA โดยใช้ดีเอ็นเอที่สกัดจากเนื้อเยื่อเนื้องอกที่จับคู่และเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ปกติของผู้ป่วย 246 ราย (รูปที่ 3a) เพื่อการตรวจสอบความถูกต้อง นักวิจัยได้วิเคราะห์ข้อมูลการหาลำดับเบสของยีน 16S rRNA จากตัวอย่างเนื้องอกอีก 42 ตัวอย่างที่ไม่มีดีเอ็นเอปกติที่จับคู่กันสำหรับการวิเคราะห์ ขั้นแรก นักวิจัยได้เปรียบเทียบความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของจุลินทรีย์ระหว่างเนื้องอกที่จับคู่และเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ปกติ พบว่ามีเชื้อ Clostridium perfringens เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเนื้องอกเมื่อเทียบกับตัวอย่างปกติ (รูปที่ 3a-3d) ไม่พบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความหลากหลายทางอัลฟา (ความหลากหลายและความอุดมสมบูรณ์ของสปีชีส์ในตัวอย่างเดียว) ระหว่างเนื้องอกและตัวอย่างปกติ และพบการลดลงเล็กน้อยของความหลากหลายของจุลินทรีย์ในเนื้องอกที่มีค่า ICR สูงเมื่อเทียบกับเนื้องอกที่มีค่า ICR ต่ำ
เพื่อตรวจหาความสัมพันธ์ทางคลินิกที่เกี่ยวข้องระหว่างโปรไฟล์จุลินทรีย์และผลลัพธ์ทางคลินิก นักวิจัยมุ่งเป้าที่จะใช้ข้อมูลการจัดลำดับยีน 16S rRNA เพื่อระบุลักษณะเฉพาะของไมโครไบโอมที่ทำนายการอยู่รอด ที่ AC-ICAM246 นักวิจัยได้ใช้แบบจำลองการถดถอย OS Cox ซึ่งเลือกลักษณะเฉพาะ 41 ประการที่มีค่าสัมประสิทธิ์ไม่เป็นศูนย์ (ซึ่งสัมพันธ์กับความเสี่ยงการเสียชีวิตที่แตกต่างกัน) เรียกว่าตัวจำแนกประเภท MBR (รูปที่ 3f)
ในกลุ่มฝึกอบรมนี้ (ICAM246) คะแนน MBR ต่ำ (MBR<0, MBR ต่ำ) สัมพันธ์กับความเสี่ยงการเสียชีวิตที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (85%) นักวิจัยยืนยันความสัมพันธ์ระหว่าง MBR ต่ำ (ความเสี่ยง) และระยะเวลาการรอดชีวิต (OS) ที่ยาวนานขึ้นในกลุ่มทดลองสองกลุ่มที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องอย่างอิสระ (ICAM42 และ TCGA-COAD) (รูปที่ 3) การศึกษาแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์อย่างมากระหว่าง endogastric cocci และคะแนน MBR ซึ่งมีความคล้ายคลึงกันในเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่แข็งแรง

รูปที่ 3 ไมโครไบโอมในเนื้องอกและเนื้อเยื่อที่แข็งแรง และความสัมพันธ์กับ ICR และการรอดชีวิตของผู้ป่วย
บทสรุป
วิธีการมัลติโอมิกส์ที่ใช้ในการศึกษานี้ช่วยให้สามารถตรวจจับและวิเคราะห์ลายเซ็นโมเลกุลของการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักได้อย่างละเอียด และเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างไมโครไบโอมและระบบภูมิคุ้มกัน การจัดลำดับ TCR เชิงลึกของเนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติเผยให้เห็นว่าผลการพยากรณ์โรคของ ICR อาจเป็นผลมาจากความสามารถในการจับโคลนทีเซลล์ที่มีเนื้องอกเพิ่มขึ้น และอาจจำเพาะต่อแอนติเจนของเนื้องอก

ด้วยการวิเคราะห์องค์ประกอบของไมโครไบโอมของเนื้องอกโดยใช้การหาลำดับยีน 16S rRNA ในตัวอย่าง AC-ICAM ทีมวิจัยได้ระบุลายเซ็นไมโครไบโอม (คะแนนความเสี่ยง MBR) ที่มีค่าการพยากรณ์โรคสูง แม้ว่าลายเซ็นนี้จะได้มาจากตัวอย่างเนื้องอก แต่ก็มีความสัมพันธ์อย่างมากระหว่างลำไส้ใหญ่ที่แข็งแรงและคะแนนความเสี่ยง MBR ของเนื้องอก ซึ่งชี้ให้เห็นว่าลายเซ็นนี้อาจบันทึกองค์ประกอบของไมโครไบโอมในลำไส้ของผู้ป่วยได้ การรวมคะแนน ICR และ MBR ทำให้สามารถระบุและตรวจสอบความถูกต้องของไบโอมาร์กเกอร์นักเรียนแบบมัลติโอมิกที่ทำนายการรอดชีวิตในผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้ ชุดข้อมูลแบบมัลติโอมิกของการศึกษานี้เป็นแหล่งข้อมูลที่ช่วยให้เข้าใจชีววิทยาของมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้ดียิ่งขึ้น และช่วยค้นพบแนวทางการรักษาเฉพาะบุคคล

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