Microniches intratumorální mikrobioty ovlivňují prostorovou a buněčnou heterogenitu u rakoviny

Microniches intratumorální mikrobioty ovlivňují prostorovou a buněčnou heterogenitu u rakoviny

V nedávno publikovaném článku v Příroda Výzkumníci zmapovali prostorové, buněčné a molekulární interakce hostitelských a s nádorem asociovaných bakterií v nádorovém mikroprostředí (TME). Použili in situ technologie prostorového profilování a jednobuněčné sekvenování ribonukleové kyseliny (scRNA-seq), se zaměřením na gastrointestinální rakoviny, zejména orální spinocelulární karcinom (OSCC) a kolorektální karcinom (CRC).

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

pozadí

In vitro a preklinické studie na zvířecích modelech poskytly molekulární důkazy o úloze bakterií spojených s nádorem u nejméně 33 hlavních rakovin a metastáz. Zobrazovací údaje ukázaly společnou lokalizaci bakteriálních markerů s cíli epiteliálních a imunitních buněk, což naznačuje, že intratumorální mikrobiota může být intracelulární.

Kromě toho hraje intratumorální hostitelská mikroflóra roli v imunitním dozoru a chemorezistenci. Studie však neodhalily identitu těchto organismů asociovaných s nádorovými buňkami v rámci TME a typů hostitelských buněk, se kterými interagují v nádorech pacientů. Dále, zda jejich prostorové rozložení a interakce s hostitelem ovlivňují různé funkční schopnosti v rámci TME.

O studiu

V této studii vědci nejprve hodnotili složení intratumorální mikrobioty na úrovni kmene a rodu. Dále vizuálně potvrdili heterogenní prostorovou distribuci identifikovaných bakteriálních komunit, včetně Fusobacterium nucleatum. Za tímto účelem provedli sekvenování genu 16S ribozomální RNA na 44 kusech tkáně z nádorů 11 pacientů s CRC. Kromě toho se zaměřili na fluorescenční in situ hybridizaci RNAscope (RNAscope-FISH) zobrazení hustě osídlených kompartmentů s biomasou bakteriálních buněk a bakteriálně negativních oblastí ve stejném vzorku nádoru. Kromě toho kvantifikovali transkripční zátěž tkání konkrétních organismů pomocí metriky Unique Molecular Identifiers (UMI).

Kromě toho vědci kvantifikovali profil exprese 77 proteinů spojených s protinádorovou imunitou a progresí rakoviny pomocí platformy digitálního prostorového profilování (DSP). Dále vyvinuli metodu INVADEseq ke studiu interakce mezi bakteriemi a hostitelskými buňkami v rámci TME a účinků na transkriptomiku hostitelské buňky. Tato metoda umožnila generování knihoven komplementární DNA (cDNA) obsahujících bakteriální transkripty z lidských buněk asociovaných s bakteriemi. Jinými slovy, pomohl výzkumníkům zmapovat čtení bakterií na jednotlivé lidské buňky.

Redukční in vitro kokulturní přístup umožnil výzkumníkům posoudit přímé interakce dominantního člena intratumorální mikrobioty s imunitními nebo epiteliálními rakovinnými buňkami. Kokultivovali epiteliální sféroidy CRC s izolátem CRC F. nucleatum s následným uložením do kolagenových matric obsahujících neutrofily rovnoměrně rozmístěné v gelu. Dále použili konfokální mikroskopii živých buněk k vizualizaci, sledování a porovnání neutrofilů vnořených do sféroidů infikovaných F. nucleatum s neinfikovanými sféroidy.

Výsledky studie

Imunologie e-kniha

Kompilace top rozhovorů, článků a novinek za poslední rok. Stáhněte si bezplatnou kopii

RNAscope-FISH identifikoval bakteriální transkripty ve 46 % a 28 % zachycených skvrn v nádorech CRC a OSCC, v daném pořadí. Bakteriální rody identifikované na jedno záchytné místo se pohybovaly od 1 do 42 a 1 až 31, s mediánem 8 a 2 pro nádory OSCC a CRC, v daném pořadí. U nádoru OSCC metrika UMI identifikovala Parvimonas, Peptoniphilus a Fusobacterium jako nejdominantnější bakteriální rody. Naopak dominantními rody ve vzorku CRC byly Fusobacterium a Bacteroides. Zajímavé je, že posledně jmenovaný měl řádově více čtení a UMI ve srovnání se vzorkem OSCC. Kolokalizace komunit izolovaných rodů a mnoha různých rodů v místech odchytu zdůraznila složitost interakcí intratumorální mikrobioty mezi těmito dvěma typy rakoviny.

Bakteriálně pozitivní tkáně v nádorech vykazovaly významný nárůst CD11b+ a CD66b+ myeloidních buněk, ale nižší hustotu CD4+ a CD8+ T buněk. Případ se sousedními oblastmi s negativními bakteriemi byl odlišný; to naznačuje, že mikrobiota spojená s nádorem měla vysoce lokalizovaný účinek. Je možné, že invazivní bakterie rekrutovaly myeloidní buňky, aby vyvolaly zánětlivou odpověď prostřednictvím signálního převodníku Janus kinázy (JAK) a signalizace aktivátoru transkripce (STAT). Podporoval vyloučení T buněk a růst nádoru vylučováním specifických interleukinů a chemokinů do prostředí. Je pozoruhodné, že intracelulární bakterie generovaly genové podpisy konzistentní s rakovinou indukovanou buněčnou invazí, metastázami, opravou poškození DNA a buněčným klidem aktivací transkripčních faktorů z rodin Jun a Fos.

Mapování bakteriálních metrik z analýzy INVADEseq na anotované jednotlivé buňky ukázalo, že Fusobacterium a Treponema u těchto nádorů pacientů byly spojeny převážně s epiteliálními a monocytárními makrofágy (shluky buněk), s celkovou mírou bakteriální infekce 25 %, respektive 52 %.

Analýza obohacení genové sady (GSEA) potvrdila, že buňky v „shluku 3 epiteliálních buněk“ s převahou bakterií byly rakovinné buňky s upregulací signálních drah zapojených do progrese rakoviny (např. epiteliálně-mezenchymální přechod nebo dráha EMT). Nábor a retence neutrofilů ve sféroidech rakovinných buněk infikovaných F. nucleatum naznačuje, že intratumorální mikroflóra hrála aktivní roli v obohacení neutrofilů v bakteriálně kolonizovaných mikronikach nádorů pacientů.

Epitelové buňky CRC infikované F. nucleatum se oddělily od sféroidní hmoty a migrovaly jako jednotlivé epiteliální buňky do okolního kolagenového gelu. Naproti tomu neinfikované rakovinné epiteliální buňky se šíří gelem jako sféroidní hmota s průměrnou rychlostí expanze 1,34 × 105 µm3 h−1. Invazivní bakterie podporovaly invazi rakovinných buněk, ale také měnily pohybové vzorce infikovaných rakovinných buněk, čímž podporovaly heterogenitu buněk na funkční úrovni.

Závěry

Studie zjistila, že distribuce intratumorální mikrobioty byla u lidských nádorů heterogenní. Navzdory jejich heterogenitě nebyla distribuce mikrobioty v nádoru náhodná, ale vysoce organizovaná a mikroniky s imunitními a epiteliálními buněčnými funkcemi aktivně stimulovaly rakovinu. Celkově změnil biologii specifických buněčných kompartmentů a ovlivnil protinádorovou imunitu a migraci rakovinných epiteliálních buněk. Podle autorů by mohla být intratumorální mikroflóra u 33 dosud objevených hlavních rakovin analyzována pomocí stejných nástrojů a technologií.

Odkaz:

• 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

.