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Nat Med |Un approccio multi-omico alla mappatura del paesaggio integrato tumorale, immunitario e microbico del cancro del colon-retto rivela l'interazione del microbioma con il sistema immunitario
Sebbene i biomarcatori per il cancro primario del colon siano stati ampiamente studiati negli ultimi anni, le attuali linee guida cliniche si basano solo sulla stadiazione delle metastasi linfonodali tumorali e sul rilevamento dei difetti di riparazione del mismatch del DNA (MMR) o dell'instabilità dei microsatelliti (MSI) (oltre ai test patologici standard ) per determinare le raccomandazioni terapeutiche.I ricercatori hanno notato una mancanza di associazione tra risposte immunitarie basate sull'espressione genica, profili microbici e stroma tumorale nella coorte di cancro del colon-retto Cancer Genome Atlas (TCGA) e sopravvivenza del paziente.
Con il progredire della ricerca, è stato riportato che le caratteristiche quantitative del carcinoma colorettale primario, inclusa la natura cellulare, immunitaria, stromale o microbica del cancro, sono correlate in modo significativo con gli esiti clinici, ma vi è ancora una comprensione limitata di come le loro interazioni influenzino gli esiti dei pazienti .
Per analizzare la relazione tra complessità fenotipica ed esito, un team di ricercatori del Sidra Institute of Medical Research in Qatar ha recentemente sviluppato e convalidato un punteggio integrato (mICRoScore) che identifica un gruppo di pazienti con buoni tassi di sopravvivenza combinando le caratteristiche del microbioma e il rigetto immunitario costanti (ICR).Il team ha eseguito un'analisi genomica completa di campioni freschi congelati di 348 pazienti con carcinoma colorettale primario, compreso il sequenziamento dell'RNA dei tumori e del tessuto colorettale sano abbinato, il sequenziamento dell'intero esoma, il recettore delle cellule T profonde e il sequenziamento del gene dell'rRNA batterico 16S, integrato dall'intero tumore sequenziamento del genoma per caratterizzare ulteriormente il microbioma.Lo studio è stato pubblicato su Nature Medicine come "Un atlante integrato di tumore, sistema immunitario e microbioma del cancro del colon".
Articolo pubblicato su Nature Medicine
Panoramica AC-ICAM
I ricercatori hanno utilizzato una piattaforma genomica ortogonale per analizzare campioni di tumori freschi congelati e hanno confrontato il tessuto del colon sano adiacente (coppie tumore-normale) di pazienti con diagnosi istologica di cancro del colon senza terapia sistemica.Sulla base del sequenziamento dell'intero esoma (WES), del controllo della qualità dei dati RNA-seq e dello screening dei criteri di inclusione, i dati genomici di 348 pazienti sono stati conservati e utilizzati per l'analisi a valle con un follow-up mediano di 4,6 anni.Il team di ricerca ha chiamato questa risorsa Sidra-LUMC AC-ICAM: una mappa e una guida alle interazioni immuno-cancro-microbioma (Figura 1).
Classificazione molecolare mediante ICR
Catturando un set modulare di marcatori genetici immunitari per l'immunosorveglianza continua del cancro, chiamato costante immunitaria del rigetto (ICR), il team di ricerca ha ottimizzato l'ICR condensandolo in un pannello di 20 geni che copre diversi tipi di cancro, tra cui melanoma, cancro alla vescica e tumore al seno.L'ICR è stato anche associato alla risposta all'immunoterapia in una varietà di tipi di cancro, incluso il cancro al seno.
In primo luogo, i ricercatori hanno convalidato la firma ICR della coorte AC-ICAM, utilizzando un approccio di co-classificazione basato sui geni ICR per classificare la coorte in tre cluster/sottotipi immunitari: ICR alto (tumori caldi), ICR medio e ICR basso (tumore freddo) tumori) (Figura 1b).I ricercatori hanno caratterizzato la propensione immunitaria associata ai sottotipi molecolari di consenso (CMS), una classificazione del cancro del colon basata sul trascrittoma.le categorie CMS includevano CMS1/immune, CMS2/canonico, CMS3/metabolico e CMS4/mesenchimale.L'analisi ha mostrato che i punteggi ICR erano correlati negativamente con alcuni percorsi delle cellule tumorali in tutti i sottotipi di CMS e correlazioni positive con percorsi immunosoppressivi e correlati allo stroma sono stati osservati solo nei tumori CMS4.
In tutti i CMS, l'abbondanza di sottogruppi di cellule natural killer (NK) e di cellule T era più alta nei sottotipi immunitari ICR elevati, con una maggiore variabilità in altri sottogruppi di leucociti (Figura 1c). I sottotipi immunitari ICR avevano OS e PFS diversi, con un aumento progressivo nell'ICR da basso ad alto (Figura 1d), convalidando il ruolo prognostico dell'ICR nel carcinoma del colon-retto.
Figura 1. Disegno dello studio AC-ICAM, firma genica correlata al sistema immunitario, sottotipi immunitari e molecolari e sopravvivenza.
L'ICR cattura le cellule T arricchite dal tumore e amplificate clonalmente
Solo una minoranza di cellule T che infiltrano il tessuto tumorale è stata segnalata come specifica per gli antigeni tumorali (meno del 10%).Pertanto, la maggior parte delle cellule T intratumorali sono indicate come cellule T bystander (cellule T bystander).La correlazione più forte con il numero di cellule T convenzionali con TCR produttivi è stata osservata nelle sottopopolazioni di cellule stromali e leucociti (rilevate dall'RNA-seq), che possono essere utilizzate per stimare le sottopopolazioni di cellule T (Figura 2a).Nei cluster ICR (classificazione generale e CMS), la più alta clonalità dei SEQ TCR immuni è stata osservata nei gruppi ICR-high e CMS sottotipo CMS1/immune (Figura 2c), con la più alta percentuale di tumori ICR-high.Utilizzando l'intero trascrittoma (18.270 geni), sei geni ICR (IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA e CXCL10) erano tra i primi dieci geni positivamente associati alla clonalità SEQ immunitaria TCR (Figura 2d).La clonalità di ImmunoSEQ TCR era più fortemente correlata con la maggior parte dei geni ICR rispetto alle correlazioni osservate utilizzando marcatori CD8+ sensibili al tumore (Figure 2f e 2g).In conclusione, l'analisi di cui sopra suggerisce che la firma ICR cattura la presenza di cellule T arricchite di tumore, amplificate clonalmente e può spiegare le sue implicazioni prognostiche.
Figura 2. Metriche TCR e correlazione con geni correlati al sistema immunitario, sottotipi immunitari e molecolari.
Composizione del microbioma nei tessuti sani e nei tumori del colon
I ricercatori hanno eseguito il sequenziamento dell'rRNA 16S utilizzando il DNA estratto dal tumore abbinato e dal tessuto del colon sano di 246 pazienti (Figura 3a).Per la convalida, i ricercatori hanno inoltre analizzato i dati di sequenziamento del gene rRNA 16S da altri 42 campioni di tumore che non corrispondevano al DNA normale disponibile per l'analisi.In primo luogo, i ricercatori hanno confrontato la relativa abbondanza di flora tra i tumori abbinati e il tessuto del colon sano.Il Clostridium perfringens era significativamente aumentato nei tumori rispetto ai campioni sani (Figura 3a-3d).Non c'era alcuna differenza significativa nella diversità alfa (diversità e abbondanza di specie in un singolo campione) tra tumori e campioni sani, ed è stata osservata una modesta riduzione della diversità microbica nei tumori ICR-alto rispetto ai tumori ICR-basso.
Per rilevare associazioni clinicamente rilevanti tra profili microbici ed esiti clinici, i ricercatori miravano a utilizzare i dati di sequenziamento del gene rRNA 16S per identificare le caratteristiche del microbioma che predicono la sopravvivenza.Presso AC-ICAM246, i ricercatori hanno eseguito un modello di regressione OS Cox che ha selezionato 41 caratteristiche con coefficienti diversi da zero (associati al rischio di mortalità differenziale), chiamate classificatori MBR (Figura 3f).
In questa coorte di addestramento (ICAM246), un punteggio MBR basso (MBR<0, MBR basso) era associato a un rischio di morte significativamente inferiore (85%).I ricercatori hanno confermato l'associazione tra basso MBR (rischio) e OS prolungata in due coorti convalidate in modo indipendente (ICAM42 e TCGA-COAD).(Figura 3) Lo studio ha mostrato una forte correlazione tra cocchi endogastrici e punteggi MBR, che erano simili nel tumore e nel tessuto del colon sano.
Figura 3. Microbioma nel tumore e nei tessuti sani e relazione con l'ICR e la sopravvivenza del paziente.
Conclusione
L'approccio multi-omico utilizzato in questo studio consente un rilevamento e un'analisi approfonditi della firma molecolare della risposta immunitaria nel cancro del colon-retto e rivela l'interazione tra il microbioma e il sistema immunitario.Il sequenziamento profondo del TCR del tumore e dei tessuti sani ha rivelato che l'effetto prognostico dell'ICR può essere dovuto alla sua capacità di catturare cloni di cellule T tumorali arricchiti e possibilmente specifici dell'antigene tumorale.
Analizzando la composizione del microbioma tumorale utilizzando il sequenziamento del gene rRNA 16S nei campioni AC-ICAM, il team ha identificato una firma del microbioma (punteggio di rischio MBR) con un forte valore prognostico.Sebbene questa firma fosse derivata da campioni di tumore, c'era una forte correlazione tra il punteggio di rischio MBR del colon-retto sano e il punteggio di rischio MBR del tumore, suggerendo che questa firma potesse catturare la composizione del microbioma intestinale dei pazienti.Combinando i punteggi ICR e MBR, è stato possibile identificare e convalidare un biomarcatore studentesco multi-omico che predice la sopravvivenza nei pazienti con cancro al colon.Il set di dati multi-omico dello studio fornisce una risorsa per comprendere meglio la biologia del cancro del colon e aiutare a scoprire approcci terapeutici personalizzati.
Tempo di pubblicazione: 15 giugno 2023