Микронишите на интратуморната микробиота влияят върху пространствената и клетъчната хетерогенност при рак

Микронишите на интратуморната микробиота влияят върху пространствената и клетъчната хетерогенност при рак

В наскоро публикувана статия в Природата Изследователите са картографирали пространствените, клетъчните и молекулярните взаимодействия на бактериите гостоприемник и свързаните с тумора в туморната микросреда (TME). Те използваха in situ технологии за пространствено профилиране и секвениране на едноклетъчна рибонуклеинова киселина (scRNA-seq), фокусирайки се върху стомашно-чревни ракови заболявания, особено орален плоскоклетъчен карцином (OSCC) и колоректален рак (CRC).

Lernen: Wirkung der intratumoralen Mikrobiota auf die räumliche und zelluläre Heterogenität bei Krebs. Bildquelle: Kristalllicht/Shutterstock

фон

In vitro и предклинични проучвания, използващи животински модели, са предоставили молекулярни доказателства за ролята на свързаните с тумора бактерии в най-малко 33 основни вида рак и метастази. Данните от изображения показват ко-локализация на бактериални маркери с мишени на епителни и имунни клетки, което предполага, че интратуморната микробиота може да е вътреклетъчна.

Освен това, интратуморалната микробиота на гостоприемника играе роля в имунното наблюдение и химиорезистентността. Проучванията обаче не разкриват идентичността на тези асоциирани с туморни клетки организми в рамките на TME и типовете клетки гостоприемници, с които те взаимодействат в туморите на пациента. Освен това, дали тяхното пространствено разпределение и взаимодействия с хоста влияят върху различните функционални възможности в рамките на TME.

Относно ученето

В настоящото изследване изследователите първо оцениха състава на интратуморната микробиота на ниво тип и род. След това те визуално потвърдиха хетерогенното пространствено разпределение на идентифицираните бактериални общности, включително Fusobacterium nucleatum. За да направят това, те извършиха 16S рибозомна РНК генно секвениране върху 44 парчета тъкан от туморите на 11 пациенти с CRC. В допълнение, те са насочени към РНКоскопска флуоресцентна in situ хибридизация (RNAscope-FISH) изобразяване на гъсто населени компартменти с бактериална клетъчна биомаса и бактериално-отрицателни зони в една и съща туморна проба. В допълнение, те количествено определят транскрипционното натоварване на тъканите на специфични организми, използвайки показателя за уникални молекулярни идентификатори (UMI).

В допълнение, изследователите количествено определят профила на експресия на 77 протеина, свързани с антитуморен имунитет и прогресия на рака, използвайки платформа за цифрово пространствено профилиране (DSP). След това те разработиха метода INVADEseq за изследване на взаимодействието между бактериите и клетките гостоприемници в рамките на TME и ефектите върху транскриптомиката на клетката гостоприемник. Този метод позволи генерирането на комплементарни ДНК (cDNA) библиотеки, съдържащи бактериални транскрипти от свързаните с бактериите човешки клетки. С други думи, това помогна на изследователите да картографират бактериалните показания към отделните човешки клетки.

Редукционисткият in vitro кокултурен подход позволи на изследователите да оценят преките взаимодействия на доминиращ член на интратуморната микробиота с имунни или епителни ракови клетки. Те съвместно култивират CRC епителни сфероиди с F. nucleatum CRC изолат, последвано от вграждане в колагенови матрици, съдържащи неутрофили, равномерно разпределени в целия гел. След това те използваха конфокална микроскопия на живи клетки, за да визуализират, проследят и сравнят вградените неутрофили в заразени с F. nucleatum сфероиди с неинфектирани сфероиди.

Резултати от изследването

Електронна книга по имунология

Компилация от най-добрите интервюта, статии и новини от последната година. Изтеглете безплатно копие

RNAscope-FISH идентифицира бактериални транскрипти в 46% и 28% от петна за улавяне в CRC и OSCC тумори, съответно. Бактериалните родове, идентифицирани на място за улавяне, варират от един до 42 и един до 31, с медиана от осем и две съответно за OSCC и CRC тумори. При тумор на OSCC показателят UMI идентифицира Parvimonas, Peptoniphilus и Fusobacterium като най-доминиращите бактериални родове. Обратно, доминиращите родове в пробата на CRC са Fusobacterium и Bacteroides. Интересното е, че последният има порядък повече четения и UMI в сравнение с образеца на OSCC. Колокализацията на общности от изолирани родове и множество различни родове в местата за улавяне подчертава сложността на взаимодействията на интратуморната микробиота между тези два вида рак.

Бактериално-положителните тъкани в туморите показват значително увеличение на CD11b+ и CD66b+ миелоидните клетки, но по-ниска плътност на CD4+ и CD8+ Т клетките. Случаят със съседните отрицателни за бактерии региони беше различен; това предполага, че микробиотата, свързана с тумора, има силно локализиран ефект. Вероятно инвазивните бактерии са набирали миелоидни клетки, за да индуцират възпалителен отговор чрез сигнален трансдюсер на Янус киназа (JAK) и сигнализиране на активатор на транскрипция (STAT). Той насърчава изключването на Т клетките и растежа на тумора чрез секретиране на специфични интерлевкини и хемокини в околната среда. Забележително е, че вътреклетъчните бактерии генерират генни подписи, съответстващи на индуцирана от рак клетъчна инвазия, метастази, възстановяване на увреждане на ДНК и клетъчно покой чрез активиране на транскрипционни фактори от семействата Jun и Fos.

Картографирането на бактериални показатели от анализа на INVADEseq към анотирани единични клетки показа, че Fusobacterium и Treponema при тези тумори на пациенти са предимно свързани с епителните и моноцитно-получени макрофаги (клетъчни клъстери), с общ процент на бактериална инфекция съответно 25% и 52%.

Анализът на обогатяване на набор от гени (GSEA) потвърди, че клетките в доминирания от бактерии „епителен клетъчен клъстер 3“ са ракови клетки, с повишена регулация на сигналните пътища, участващи в прогресията на рака (напр. епителен-мезенхимален преход или ЕМТ път). Набирането и задържането на неутрофили в инфектираните с F. nucleatum ракови клетъчни сфероиди предполага, че интратуморната микробиота играе активна роля в обогатяването на неутрофили в бактериално колонизирани микрониши на тумори на пациента.

Инфектираните с F. nucleatum епителни клетки на CRC се отделят от сфероидната маса и мигрират като отделни епителни клетки в околния колагенов гел. Обратно, неинфектирани ракови епителни клетки се разпространяват през гела като сфероидна маса със средна скорост на разширение от 1,34 × 105 µm3 h-1. Инвазивните бактерии насърчават инвазията на раковите клетки, но също така променят моделите на движение на заразените ракови клетки, като по този начин насърчават клетъчната хетерогенност на функционално ниво.

Изводи

Проучването установи, че разпределението на интратуморната микробиота е хетерогенно в човешките тумори. Въпреки тяхната хетерогенност, разпределението на микробиотата в тумора не е произволно, а силно организирано, а микронишите с имунни и епителни клетъчни функции стимулират активно рака. Като цяло, той променя биологията на специфични клетъчни отделения и повлиява антитуморния имунитет и миграцията на раковите епителни клетки. Според авторите, интратуморната микробиота в 33 основни вида рак, открити до момента, може да бъде анализирана с помощта на същите инструменти и технологии.

Справка:

• Galeano Niño, JL, Wu, H., LaCourse, KD et al. (2022). Wirkung der intratumoralen Mikrobiota auf die räumliche und zelluläre Heterogenität bei Krebs. Natur. doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05435-0 https://www.nature.com/articles/s41586-022-05435-0

.