Nat Med | แนวทางมัลติโอมิกส์ในการสร้างแผนที่เนื้องอกแบบบูรณาการ

Nat Med | แนวทางมัลติโอมิกส์ในการทำแผนที่ภูมิทัศน์แบบบูรณาการของเนื้องอก ภูมิคุ้มกัน และจุลินทรีย์ในมะเร็งลำไส้ใหญ่ เผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ของไมโครไบโอมกับระบบภูมิคุ้มกัน
แม้ว่าไบโอมาร์กเกอร์สำหรับมะเร็งลำไส้ใหญ่ระยะเริ่มต้นจะได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่แนวทางการรักษาทางคลินิกในปัจจุบันยังคงอาศัยเพียงการจัดระยะของเนื้องอก-ต่อมน้ำเหลือง-การแพร่กระจาย และการตรวจหาความบกพร่องของการซ่อมแซม DNA ที่ผิดพลาด (MMR) หรือความไม่เสถียรของไมโครแซทเทลไลต์ (MSI) (นอกเหนือจากการทดสอบทางพยาธิวิทยามาตรฐาน) เพื่อกำหนดคำแนะนำในการรักษา นักวิจัยได้สังเกตเห็นว่าไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันที่อิงตามการแสดงออกของยีน โปรไฟล์จุลินทรีย์ และเนื้อเยื่อเกี่ยวพันของเนื้องอกในกลุ่มผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่จากโครงการ Cancer Genome Atlas (TCGA) กับอัตราการรอดชีวิตของผู้ป่วย

จากการวิจัยที่ก้าวหน้าขึ้น พบว่าลักษณะเชิงปริมาณของมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักระยะเริ่มต้น รวมถึงลักษณะของเซลล์มะเร็ง ภูมิคุ้มกัน เนื้อเยื่อเกี่ยวพัน หรือจุลินทรีย์ในมะเร็ง มีความสัมพันธ์อย่างมีนัยสำคัญกับผลลัพธ์ทางคลินิก แต่ความเข้าใจเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ของปัจจัยเหล่านี้ต่อผลลัพธ์ของผู้ป่วยยังคงมีจำกัด
เพื่อวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างความซับซ้อนของลักษณะทางฟีโนไทป์และผลลัพธ์ ทีมวิจัยจากสถาบันวิจัยการแพทย์ซิดราในประเทศกาตาร์ได้พัฒนาและตรวจสอบความถูกต้องของคะแนนแบบบูรณาการ (mICRoScore) ซึ่งสามารถระบุกลุ่มผู้ป่วยที่มีอัตราการรอดชีวิตที่ดีโดยการรวมลักษณะของไมโครไบโอมและค่าคงที่การปฏิเสธภูมิคุ้มกัน (ICR) ทีมวิจัยได้ทำการวิเคราะห์จีโนมอย่างครอบคลุมของตัวอย่างแช่แข็งสดจากผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่ระยะเริ่มต้น 348 ราย รวมถึงการจัดลำดับ RNA ของเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่แข็งแรงที่เข้าคู่กัน การจัดลำดับเอ็กโซมทั้งหมด การจัดลำดับยีนตัวรับทีเซลล์แบบละเอียดและยีน rRNA ของแบคทีเรีย 16S เสริมด้วยการจัดลำดับจีโนมของเนื้องอกทั้งหมดเพื่อระบุลักษณะของไมโครไบโอมเพิ่มเติม การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Medicine ในชื่อ “แผนที่แบบบูรณาการของเนื้องอก ภูมิคุ้มกัน และไมโครไบโอมของมะเร็งลำไส้ใหญ่”

บทความตีพิมพ์ในวารสาร Nature Medicine

ภาพรวม AC-ICAM

นักวิจัยใช้แพลตฟอร์มจีโนมิกส์แบบตั้งฉากเพื่อวิเคราะห์ตัวอย่างเนื้องอกแช่แข็งสดและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ปกติที่อยู่ติดกัน (คู่เนื้องอก-ปกติ) จากผู้ป่วยที่ได้รับการวินิจฉัยทางเนื้อเยื่อวิทยาว่าเป็นมะเร็งลำไส้ใหญ่โดยไม่ได้รับการรักษาแบบทั่วร่างกาย โดยอาศัยการจัดลำดับเอ็กโซมทั้งหมด (WES) การควบคุมคุณภาพข้อมูล RNA-seq และการคัดกรองตามเกณฑ์การรวม ข้อมูลจีโนมจากผู้ป่วย 348 รายถูกเก็บรักษาไว้และนำไปใช้ในการวิเคราะห์ขั้นต่อไป โดยมีระยะเวลาติดตามผลเฉลี่ย 4.6 ปี ทีมวิจัยตั้งชื่อแหล่งข้อมูลนี้ว่า Sidra-LUMC AC-ICAM: แผนที่และคู่มือปฏิสัมพันธ์ระหว่างภูมิคุ้มกัน มะเร็ง และจุลชีววิทยา (ภาพที่ 1)

การจำแนกประเภทโมเลกุลโดยใช้ ICR

ทีมวิจัยได้ทำการเก็บรวบรวมชุดตัวบ่งชี้ทางพันธุกรรมภูมิคุ้มกันแบบโมดูลาร์สำหรับการเฝ้าระวังภูมิคุ้มกันมะเร็งอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเรียกว่าค่าคงที่ภูมิคุ้มกันของการปฏิเสธ (ICR) โดยได้ปรับปรุง ICR ให้เหมาะสมยิ่งขึ้นด้วยการลดจำนวนยีนให้เหลือเพียง 20 ยีน ซึ่งครอบคลุมมะเร็งหลายชนิด รวมถึงมะเร็งผิวหนัง มะเร็งกระเพาะปัสสาวะ และมะเร็งเต้านม นอกจากนี้ ICR ยังมีความสัมพันธ์กับการตอบสนองต่อภูมิคุ้มกันบำบัดในมะเร็งหลายชนิด รวมถึงมะเร็งเต้านมด้วย

ขั้นแรก นักวิจัยได้ตรวจสอบความถูกต้องของลายเซ็น ICR ของกลุ่มตัวอย่าง AC-ICAM โดยใช้แนวทางการจัดกลุ่มร่วมตามยีน ICR เพื่อจำแนกกลุ่มตัวอย่างออกเป็นสามกลุ่ม/ชนิดย่อยทางภูมิคุ้มกัน ได้แก่ ICR สูง (เนื้องอกร้อน) ICR ปานกลาง และ ICR ต่ำ (เนื้องอกเย็น) (รูปที่ 1b) นักวิจัยได้ศึกษาลักษณะความโน้มเอียงทางภูมิคุ้มกันที่เกี่ยวข้องกับชนิดย่อยโมเลกุลที่เป็นที่ยอมรับ (CMS) ซึ่งเป็นการจำแนกประเภทมะเร็งลำไส้ใหญ่ตามทรานสคริปโตม โดยหมวดหมู่ CMS ประกอบด้วย CMS1/ภูมิคุ้มกัน, CMS2/แบบดั้งเดิม, CMS3/เมตาบอลิซึม และ CMS4/เมเซนไคมอล การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าคะแนน ICR มีความสัมพันธ์เชิงลบกับวิถีการทำงานของเซลล์มะเร็งบางอย่างในทุกชนิดย่อย CMS และพบความสัมพันธ์เชิงบวกกับวิถีการทำงานที่กดภูมิคุ้มกันและเกี่ยวข้องกับสโตรมาเฉพาะในเนื้องอก CMS4 เท่านั้น

ใน CMS ทั้งหมด ความอุดมสมบูรณ์ของเซลล์นักฆ่าตามธรรมชาติ (NK) และเซลล์ T ชนิดย่อยต่างๆ สูงที่สุดในกลุ่มย่อยภูมิคุ้มกัน ICR สูง โดยมีความแปรปรวนมากขึ้นในกลุ่มย่อยเม็ดเลือดขาวอื่นๆ (รูปที่ 1c) กลุ่มย่อยภูมิคุ้มกัน ICR มีอัตราการรอดชีวิตโดยรวม (OS) และอัตราการรอดชีวิตแบบปราศจากความคืบหน้าของโรค (PFS) ที่แตกต่างกัน โดย ICR เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจากต่ำไปสูง (รูปที่ 1d) ซึ่งยืนยันบทบาทการพยากรณ์โรคของ ICR ในมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนัก

รูปที่ 1. การออกแบบการศึกษา AC-ICAM, ลายเซ็นยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน, ชนิดย่อยของภูมิคุ้มกันและโมเลกุล และอัตราการรอดชีวิต
ICR ดักจับเซลล์ T ที่มีความเข้มข้นของเนื้องอกและมีการเพิ่มจำนวนแบบโคลน
มีรายงานว่าเซลล์ T เพียงส่วนน้อยที่แทรกซึมเข้าไปในเนื้อเยื่อเนื้องอกนั้นมีความจำเพาะต่อแอนติเจนของเนื้องอก (น้อยกว่า 10%) ดังนั้น เซลล์ T ส่วนใหญ่ภายในเนื้องอกจึงถูกเรียกว่าเซลล์ T ข้างเคียง (bystander T cells) ความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งที่สุดกับจำนวนเซลล์ T ทั่วไปที่มี TCR ที่สร้างแอนติบอดีได้นั้น พบในกลุ่มย่อยของเซลล์สโตรมาและเม็ดเลือดขาว (ตรวจพบโดย RNA-seq) ซึ่งสามารถใช้ในการประมาณกลุ่มย่อยของเซลล์ T ได้ (รูปที่ 2a) ในกลุ่ม ICR (โดยรวมและการจัดประเภท CMS) พบว่ามีความเป็นโคลนสูงสุดของ TCR จากการวิเคราะห์ SEQ ของระบบภูมิคุ้มกันในกลุ่ม ICR-high และกลุ่มย่อย CMS1/immune (รูปที่ 2c) โดยมีสัดส่วนของเนื้องอก ICR-high สูงที่สุด จากการใช้ทรานสคริปโตมทั้งหมด (18,270 ยีน) พบว่ายีน ICR จำนวน 6 ยีน (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA และ CXCL10) อยู่ในกลุ่มยีน 10 อันดับแรกที่มีความสัมพันธ์เชิงบวกกับโคลนของ TCR immune SEQ (รูปที่ 2d) โคลนของ TCR จาก ImmunoSEQ มีความสัมพันธ์กับยีน ICR ส่วนใหญ่มากกว่าความสัมพันธ์ที่สังเกตได้จากการใช้เครื่องหมาย CD8+ ที่ตอบสนองต่อเนื้องอก (รูปที่ 2f และ 2g) โดยสรุป การวิเคราะห์ข้างต้นชี้ให้เห็นว่าลายเซ็น ICR สามารถตรวจจับการมีอยู่ของเซลล์ T ที่มีการเพิ่มจำนวนแบบโคลนในเนื้องอก และอาจอธิบายถึงนัยสำคัญในการพยากรณ์โรคได้

รูปที่ 2. ตัวชี้วัด TCR และความสัมพันธ์กับยีนที่เกี่ยวข้องกับภูมิคุ้มกัน ชนิดย่อยของภูมิคุ้มกันและโมเลกุล
องค์ประกอบของไมโครไบโอมในเนื้อเยื่อปกติและเนื้อเยื่อมะเร็งลำไส้ใหญ่
นักวิจัยทำการจัดลำดับ 16S rRNA โดยใช้ DNA ที่สกัดจากเนื้อเยื่อเนื้องอกและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ปกติที่เข้าคู่กันจากผู้ป่วย 246 ราย (รูปที่ 3a) เพื่อเป็นการตรวจสอบความถูกต้อง นักวิจัยยังได้วิเคราะห์ข้อมูลการจัดลำดับยีน 16S rRNA จากตัวอย่างเนื้องอกเพิ่มเติมอีก 42 ตัวอย่างที่ไม่มี DNA ปกติที่เข้าคู่กันสำหรับการวิเคราะห์ ขั้นแรก นักวิจัยได้เปรียบเทียบความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของจุลินทรีย์ระหว่างเนื้องอกที่เข้าคู่กันและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ปกติ พบว่า Clostridium perfringens เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเนื้องอกเมื่อเทียบกับตัวอย่างปกติ (รูปที่ 3a-3d) ไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในความหลากหลายอัลฟา (ความหลากหลายและความอุดมสมบูรณ์ของสายพันธุ์ในตัวอย่างเดียว) ระหว่างตัวอย่างเนื้องอกและตัวอย่างปกติ และพบว่าความหลากหลายของจุลินทรีย์ลดลงเล็กน้อยในเนื้องอกที่มี ICR สูงเมื่อเทียบกับเนื้องอกที่มี ICR ต่ำ
เพื่อตรวจหาความสัมพันธ์ที่มีความสำคัญทางคลินิกระหว่างลักษณะจุลินทรีย์และผลลัพธ์ทางคลินิก นักวิจัยมุ่งเป้าไปที่การใช้ข้อมูลลำดับยีน 16S rRNA เพื่อระบุคุณลักษณะของไมโครไบโอมที่สามารถทำนายอัตราการรอดชีวิตได้ ในการศึกษา AC-ICAM246 นักวิจัยได้ใช้แบบจำลองการถดถอย Cox ของ OS ซึ่งเลือกคุณลักษณะ 41 รายการที่มีสัมประสิทธิ์ที่ไม่เป็นศูนย์ (ซึ่งเกี่ยวข้องกับความเสี่ยงต่อการเสียชีวิตที่แตกต่างกัน) เรียกว่าตัวจำแนก MBR (รูปที่ 3f)
ในกลุ่มตัวอย่างฝึกอบรมนี้ (ICAM246) คะแนน MBR ต่ำ (MBR<0, MBR ต่ำ) สัมพันธ์กับความเสี่ยงต่อการเสียชีวิตที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ (85%) นักวิจัยยืนยันความสัมพันธ์ระหว่าง MBR ต่ำ (ความเสี่ยง) และระยะเวลาการรอดชีวิตที่ยาวนานขึ้นในกลุ่มตัวอย่างที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องอย่างอิสระสองกลุ่ม (ICAM42 และ TCGA-COAD) (รูปที่ 3) การศึกษาแสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างแบคทีเรียโคคัสในกระเพาะอาหารและคะแนน MBR ซึ่งมีความคล้ายคลึงกันในเนื้อเยื่อมะเร็งและเนื้อเยื่อลำไส้ใหญ่ที่แข็งแรง

รูปที่ 3. ไมโครไบโอมในเนื้อเยื่อเนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติ และความสัมพันธ์กับ ICR และอัตราการรอดชีวิตของผู้ป่วย
บทสรุป
วิธีการวิเคราะห์ข้อมูลหลายมิติ (multi-omics) ที่ใช้ในการศึกษานี้ ช่วยให้สามารถตรวจจับและวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะระดับโมเลกุลของการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันในมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้อย่างละเอียดถี่ถ้วน และเผยให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างไมโครไบโอมและระบบภูมิคุ้มกัน การจัดลำดับ TCR อย่างละเอียดของเนื้อเยื่อเนื้องอกและเนื้อเยื่อปกติ แสดงให้เห็นว่าผลการพยากรณ์โรคของ ICR อาจเกิดจากความสามารถในการจับโคลนเซลล์ T ที่มีความเข้มข้นสูงในเนื้องอก และอาจมีความจำเพาะต่อแอนติเจนของเนื้องอกด้วย

จากการวิเคราะห์องค์ประกอบของไมโครไบโอมในเนื้องอกโดยใช้การจัดลำดับยีน 16S rRNA ในตัวอย่าง AC-ICAM ทีมวิจัยได้ระบุลายเซ็นไมโครไบโอม (คะแนนความเสี่ยง MBR) ที่มีคุณค่าในการพยากรณ์โรคสูง แม้ว่าลายเซ็นนี้จะมาจากตัวอย่างเนื้องอก แต่ก็มีความสัมพันธ์อย่างมากระหว่างลำไส้ใหญ่ที่แข็งแรงกับคะแนนความเสี่ยง MBR ของเนื้องอก ซึ่งบ่งชี้ว่าลายเซ็นนี้อาจสะท้อนถึงองค์ประกอบของไมโครไบโอมในลำไส้ของผู้ป่วยได้ โดยการรวมคะแนน ICR และ MBR เข้าด้วยกัน ทำให้สามารถระบุและตรวจสอบไบโอมาร์กเกอร์แบบมัลติโอมิกส์ที่สามารถทำนายอัตราการรอดชีวิตในผู้ป่วยมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้ ชุดข้อมูลมัลติโอมิกส์ของการศึกษานี้เป็นแหล่งข้อมูลที่ช่วยให้เข้าใจชีววิทยาของมะเร็งลำไส้ใหญ่ได้ดียิ่งขึ้น และช่วยค้นพบแนวทางการรักษาเฉพาะบุคคล

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