نات مد | یک رویکرد چند omics برای نقشه برداری تومور یکپارچه

نات مد | یک رویکرد چند omics برای نقشه برداری تومور، سیستم ایمنی و چشم انداز میکروبی سرطان کولورکتال، تعامل میکروبیوم با سیستم ایمنی را نشان می دهد.
اگرچه نشانگرهای زیستی برای سرطان اولیه کولون در سال‌های اخیر به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، دستورالعمل‌های بالینی کنونی تنها بر مرحله‌بندی متاستاز تومور-غدد لنفاوی و تشخیص نقص‌های ترمیم عدم تطابق DNA (MMR) یا بی‌ثباتی ریزماهواره (MSI) (علاوه بر آزمایش پاتولوژی استاندارد) برای تعیین توصیه‌های درمانی تکیه دارند. محققان به عدم ارتباط بین پاسخ‌های ایمنی مبتنی بر بیان ژن، پروفایل‌های میکروبی و استرومای تومور در گروه سرطان روده بزرگ اطلس ژنوم سرطان (TCGA) و بقای بیمار اشاره کرده‌اند.

با پیشرفت تحقیقات، ویژگی های کمی سرطان کولورکتال اولیه، از جمله ماهیت سلولی سرطانی، ایمنی، استرومایی یا میکروبی سرطان، گزارش شده است که به طور قابل توجهی با نتایج بالینی مرتبط است، اما هنوز درک محدودی از چگونگی تأثیر متقابل آنها بر نتایج بیمار وجود دارد.
برای تشریح رابطه بین پیچیدگی فنوتیپی و نتیجه، تیمی از محققان از موسسه تحقیقات پزشکی Sidra در قطر اخیراً یک امتیاز یکپارچه (mICRoScore) را ایجاد و تأیید کردند که گروهی از بیماران را با نرخ بقای خوب با ترکیب ویژگی‌های میکروبیوم و ثابت‌های رد ایمنی (ICR) شناسایی می‌کند. این تیم یک تجزیه و تحلیل ژنومی جامع از نمونه‌های منجمد تازه از 348 بیمار مبتلا به سرطان کولورکتال اولیه، از جمله توالی‌یابی RNA تومورها و بافت سالم کولورکتال منطبق، توالی‌یابی کل اگزوم، گیرنده‌های عمیق سلول T و توالی ژن rRNA باکتری 16S را انجام دادند که با توالی‌یابی ژنوم کل تومور برای توصیف بیشتر میکروبیوم تکمیل شد. این مطالعه در Nature Medicine به عنوان "یک تومور یکپارچه، اطلس ایمنی و میکروبیوم سرطان روده بزرگ" منتشر شد.

مقاله منتشر شده در Nature Medicine

نمای کلی AC-ICAM

محققان از یک پلت فرم ژنومی متعامد برای تجزیه و تحلیل نمونه های تومور منجمد تازه و همسان سازی بافت روده سالم مجاور (جفت تومور-طبیعی) از بیماران با تشخیص بافت شناسی سرطان روده بزرگ بدون درمان سیستمیک استفاده کردند. بر اساس توالی یابی کل اگزوم (WES)، کنترل کیفیت داده RNA-seq و غربالگری معیارهای ورود، داده های ژنومی 348 بیمار حفظ شد و برای تجزیه و تحلیل پایین دستی با میانگین پیگیری 4.6 سال استفاده شد. تیم تحقیقاتی نام این منبع را Sidra-LUMC AC-ICAM گذاشت: نقشه و راهنمای تعاملات ایمنی-سرطان-میکروبیوم (شکل 1).

طبقه بندی مولکولی با استفاده از ICR

تیم تحقیقاتی با گرفتن مجموعه ای مدولار از نشانگرهای ژنتیکی ایمنی برای نظارت مداوم بر ایمنی سرطان، به نام ثابت رد ایمنی (ICR)، ICR را با متراکم کردن آن در یک پانل 20 ژنی که انواع مختلف سرطان از جمله ملانوما، سرطان مثانه و سرطان سینه را پوشش می دهد، بهینه کرد. ICR همچنین با پاسخ ایمونوتراپی در انواع مختلف سرطان، از جمله سرطان سینه، مرتبط است.

ابتدا، محققان امضای ICR گروه AC-ICAM را با استفاده از یک رویکرد هم‌طبقه‌بندی مبتنی بر ژن ICR برای طبقه‌بندی کوهورت به سه گروه زیرگروه ایمنی: ICR بالا (تومورهای گرم)، ICR متوسط ​​و ICR پایین (تومورهای سرد) تأیید کردند (شکل 1b). محققان تمایل ایمنی مرتبط با زیرگروه‌های مولکولی توافقی (CMS)، یک طبقه‌بندی مبتنی بر رونوشت سرطان روده بزرگ را مشخص کردند. دسته‌های CMS شامل CMS1/ایمنی، CMS2/متعارف، CMS3/متابولیک و CMS4/مزانشیمی بود. تجزیه و تحلیل نشان داد که نمرات ICR با مسیرهای سلول سرطانی خاص در همه زیرگروه‌های CMS همبستگی منفی دارد و همبستگی مثبت با مسیرهای سرکوب‌کننده ایمنی و مربوط به استروما فقط در تومورهای CMS4 مشاهده شد.

در همه CMS، فراوانی سلول‌های کشنده طبیعی (NK) و زیرمجموعه‌های سلول T در زیرگروه‌های ICR با ایمنی بالا، با تنوع بیشتر در سایر زیرمجموعه‌های لکوسیت (شکل 1c) بالاترین بود.

شکل 1. طراحی مطالعه AC-ICAM، امضای ژن مرتبط با ایمنی، زیرگروه های ایمنی و مولکولی و بقا.
ICR سلول های T غنی شده با تومور و کلونیک تقویت شده را می گیرد
تنها تعداد کمی از سلول‌های T که به بافت تومور نفوذ می‌کنند، برای آنتی‌ژن‌های تومور اختصاصی گزارش شده‌اند (کمتر از 10٪). بنابراین، اکثر سلول‌های T درون توموری به عنوان سلول‌های T bystander (سلول‌های T bystander) شناخته می‌شوند. قوی‌ترین همبستگی با تعداد سلول‌های T معمولی با TCR‌های مولد در زیرجمعیت‌های سلول‌های استرومایی و لکوسیت (تشخیص داده‌شده توسط RNA-seq) مشاهده شد، که می‌توان از آن برای تخمین زیرجمعیت‌های سلول T استفاده کرد (شکل 2a). در خوشه‌های ICR (طبقه‌بندی کلی و CMS)، بالاترین کلونالیته SEQ TCR‌های ایمنی در گروه‌های CMS1/ایمنی با ICR بالا و زیرگروه CMS (شکل 2c)، با بیشترین نسبت تومورهای ICR بالا مشاهده شد. با استفاده از کل رونوشت (18270 ژن)، شش ژن ICR (IFNG، STAT1، IRF1، CCL5، GZMA، و CXCL10) جزو ده ژن برتر بودند که به طور مثبت با کلونالیته SEQ ایمنی TCR مرتبط بودند (شکل 2d). کلونالیته ImmunoSEQ TCR نسبت به همبستگی های مشاهده شده با استفاده از نشانگرهای CD8+ پاسخگو به تومور (شکل 2f و 2g) با اکثر ژن های ICR همبستگی قوی تری داشت. در نتیجه، تجزیه و تحلیل فوق نشان می‌دهد که امضای ICR حضور سلول‌های T غنی‌شده با تومور، تقویت‌شده به‌طور کلونی را نشان می‌دهد و ممکن است پیامدهای پیش آگهی آن را توضیح دهد.

شکل 2. معیارهای TCR و همبستگی با ژن های مرتبط با ایمنی، زیرگروه های ایمنی و مولکولی.
ترکیب میکروبیوم در بافت های سالم و سرطان روده بزرگ
محققان توالی یابی 16S rRNA را با استفاده از DNA استخراج شده از تومور و بافت سالم روده بزرگ از 246 بیمار انجام دادند (شکل 3a). برای اعتبارسنجی، محققان به‌علاوه داده‌های توالی‌یابی ژن 16S rRNA را از 42 نمونه تومور اضافی که دارای DNA طبیعی در دسترس برای تجزیه و تحلیل نبودند، تجزیه و تحلیل کردند. ابتدا، محققان فراوانی نسبی فلور را بین تومورهای همسان و بافت سالم روده بزرگ مقایسه کردند. کلستریدیوم پرفرنجنس در تومورها نسبت به نمونه های سالم به طور قابل توجهی افزایش یافت (شکل 3a-3d). تفاوت معنی داری در تنوع آلفا (تنوع و فراوانی گونه ها در یک نمونه واحد) بین نمونه های تومور و سالم وجود نداشت و کاهش متوسطی در تنوع میکروبی در تومورهای با ICR بالا نسبت به تومورهای با ICR پایین مشاهده شد.
برای شناسایی ارتباط بالینی مرتبط بین پروفایل‌های میکروبی و نتایج بالینی، هدف محققان استفاده از داده‌های توالی‌یابی ژن 16S rRNA برای شناسایی ویژگی‌های میکروبیومی که بقا را پیش‌بینی می‌کنند، داشتند. در AC-ICAM246، محققان یک مدل رگرسیون OS Cox را اجرا کردند که 41 ویژگی با ضرایب غیر صفر (مرتبط با خطر مرگ و میر افتراقی)، به نام طبقه‌بندی‌کننده MBR (شکل 3f) را انتخاب کرد.
در این گروه آموزشی (ICAM246)، نمره MBR پایین (MBR<0، MBR پایین) با خطر مرگ به طور قابل توجهی کمتر (85٪) همراه بود. محققان ارتباط بین MBR پایین (خطر) و سیستم عامل طولانی مدت را در دو گروه مستقل تایید شده (ICAM42 و TCGA-COAD) تایید کردند. (شکل 3) این مطالعه یک همبستگی قوی بین کوکسی های درون معده و نمرات MBR را نشان داد که در تومور و بافت سالم کولون مشابه بودند.

شکل 3. میکروبیوم در تومور و بافت های سالم و رابطه با ICR و بقای بیمار.
نتیجه گیری
رویکرد multi-omics مورد استفاده در این مطالعه، تشخیص و تجزیه و تحلیل کامل امضای مولکولی پاسخ ایمنی در سرطان کولورکتال را ممکن می‌سازد و تعامل بین میکروبیوم و سیستم ایمنی را نشان می‌دهد. توالی TCR عمیق تومور و بافت های سالم نشان داد که اثر پیش آگهی ICR ممکن است به دلیل توانایی آن در گرفتن کلون های سلول T غنی شده با تومور و احتمالاً آنتی ژن خاص تومور باشد.

با تجزیه و تحلیل ترکیب میکروبیوم تومور با استفاده از توالی یابی ژن 16S rRNA در نمونه های AC-ICAM، تیم یک امضای میکروبیوم (امتیاز خطر MBR) با ارزش پیش آگهی قوی را شناسایی کرد. اگرچه این امضا از نمونه‌های تومور گرفته شده است، اما ارتباط قوی بین کولورکتوم سالم و امتیاز خطر MBR تومور وجود دارد، که نشان می‌دهد این امضا ممکن است ترکیب میکروبیوم روده بیماران را نشان دهد. با ترکیب نمرات ICR و MBR، شناسایی و اعتبار یک نشانگر زیستی دانشجویی چند omic که بقای بیماران مبتلا به سرطان کولون را پیش‌بینی می‌کند، ممکن شد. مجموعه داده چند omic این مطالعه منبعی را برای درک بهتر بیولوژی سرطان روده بزرگ و کمک به کشف رویکردهای درمانی شخصی فراهم می کند.

مرجع:
Roelands، J.، Kuppen، PJK، احمد، EI و همکاران. اطلس یکپارچه تومور، ایمنی و میکروبیوم سرطان روده بزرگ. Nat Med 29، 1273-1286 (2023).