Mikronicher af den intratumorale mikrobiota påvirker rumlig og cellulær heterogenitet i cancer

Mikronicher af den intratumorale mikrobiota påvirker rumlig og cellulær heterogenitet i cancer

I en nyligt offentliggjort artikel i Natur Forskerne kortlagde rumlige, cellulære og molekylære interaktioner mellem værts- og tumorassocierede bakterier i tumormikromiljøet (TME). De brugte in situ rumlige profileringsteknologier og enkeltcellet ribonukleinsyresekventering (scRNA-seq), med fokus på gastrointestinale kræftformer, især oral pladecellecarcinom (OSCC) og kolorektal cancer (CRC).

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

baggrund

In vitro og prækliniske undersøgelser med dyremodeller har givet molekylær evidens for tumorassocierede bakteriers rolle i mindst 33 større kræftformer og metastaser. Billeddata har vist co-lokalisering af bakterielle markører med epitel- og immuncellemål, hvilket tyder på, at den intratumorale mikrobiota kan være intracellulær.

Desuden spiller intratumoral værtsmikrobiota en rolle i immunovervågning og kemoresistens. Undersøgelser har imidlertid ikke afsløret identiteten af ​​disse tumorcelle-associerede organismer inden for TME og de værtscelletyper, som de interagerer med i patienttumorer. Desuden, om deres rumlige fordeling og interaktioner med værten påvirker forskellige funktionelle muligheder inden for TME.

Om at studere

I denne undersøgelse vurderede forskere først sammensætningen af ​​den intratumorale mikrobiota på phylum- og slægtsniveauer. Dernæst bekræftede de visuelt den heterogene rumlige fordeling af de identificerede bakteriesamfund, herunder Fusobacterium nucleatum. For at gøre dette udførte de 16S ribosomalt RNA-gensekventering på 44 stykker væv fra tumorerne fra 11 patienter med CRC. Derudover målrettede de RNAscope fluorescens in situ hybridisering (RNAscope-FISH) billeddannelse af tæt befolkede rum med bakteriel cellebiomasse og bakterienegative områder inden for den samme tumorprøve. Derudover kvantificerede de transkriptionsbelastningen af ​​væv fra specifikke organismer ved hjælp af Unique Molecular Identifiers (UMI) metrikken.

Derudover kvantificerede forskere ekspressionsprofilen af ​​77 proteiner forbundet med antitumorimmunitet og cancerprogression ved hjælp af en digital spatial profiling (DSP) platform. Dernæst udviklede de INVADEseq-metoden til at studere interaktionen mellem bakterier og værtsceller i TME og virkningerne på værtscelle-transkriptomik. Denne metode muliggjorde generering af komplementære DNA (cDNA) biblioteker indeholdende bakterielle transkripter fra de bakterieassocierede humane celler. Med andre ord hjalp det forskerne med at kortlægge bakterielle aflæsninger til individuelle menneskelige celler.

En reduktionistisk in vitro-samkultur-tilgang tillod forskere at vurdere de direkte interaktioner mellem et dominerende medlem af den intratumorale mikrobiota med immun- eller epitelkræftceller. De dyrkede CRC-epitelsfæroider sammen med et F. nucleatum CRC-isolat, efterfulgt af indlejring i kollagenmatricer indeholdende neutrofiler jævnt fordelt gennem gelen. Dernæst brugte de konfokal mikroskopi med levende celler til at visualisere, spore og sammenligne de indlejrede neutrofiler i F. nucleatum-inficerede sfæroider med uinficerede sfæroider.

Studieresultater

Immunologi e-bog

Samling af de bedste interviews, artikler og nyheder fra det sidste år. Download en gratis kopi

RNAscope-FISH identificerede bakterielle transkripter i 46 % og 28 % af indfangningspletter i henholdsvis CRC- og OSCC-tumorer. Bakterieslægter identificeret pr. indfangningssted varierede fra én til 42 og én til 31, med en median på otte og to for henholdsvis OSCC- og CRC-tumorerne. I OSCC-tumor identificerede UMI-metrikken Parvimonas, Peptoniphilus og Fusobacterium som de mest dominerende bakterieslægter. Omvendt var de dominerende slægter i CRC-prøven Fusobacterium og Bacteroides. Interessant nok havde sidstnævnte en størrelsesorden flere aflæsninger og UMI'er sammenlignet med OSCC-prøven. Kolokaliseringen af ​​samfund af isolerede slægter og flere forskellige slægter inden for fangststeder fremhævede kompleksiteten af ​​intratumorale mikrobiota-interaktioner mellem disse to cancertyper.

Bakteriepositive væv i tumorer viste en signifikant stigning i CD11b+ og CD66b+ myeloidceller, men en lavere tæthed af CD4+ og CD8+ T-celler. Tilfældet med nabobakterie-negative regioner var anderledes; dette tydede på, at den tumor-associerede mikrobiota havde en meget lokaliseret effekt. Muligvis rekrutterede invasive bakterier myeloide celler for at inducere en inflammatorisk respons gennem Janus kinase (JAK) signaltransducer og aktivator af transkription (STAT) signalering. Det fremmede udelukkelse af T-celler og tumorvækst ved at udskille specifikke interleukiner og kemokiner i miljøet. Det er bemærkelsesværdigt, at intracellulære bakterier genererede gensignaturer i overensstemmelse med cancer-induceret celleinvasion, metastase, reparation af DNA-skader og cellehvile ved at aktivere transkriptionsfaktorer fra Jun- og Fos-familierne.

Kortlægning af bakterielle målinger fra INVADEseq-analyse til annoterede enkeltceller viste, at Fusobacterium og Treponema i disse patienttumorer overvejende var forbundet med epitel- og monocyt-afledte makrofager (celleklynger), med en samlet bakteriel infektionsrate på henholdsvis 25 % og 52 %.

Gensætberigelsesanalyse (GSEA) bekræftede, at cellerne i den bakteriedominerede "epitelcelleklynge 3" var cancerceller med opregulering af signalveje involveret i cancerprogression (fx epitel-mesenkymal overgang eller EMT-vej). Rekruttering og tilbageholdelse af neutrofiler i de F. nucleatum-inficerede cancercellesfæroider antydede, at den intratumorale mikrobiota spillede en aktiv rolle i berigelsen af ​​neutrofiler i bakteriekoloniserede mikronicher af patienttumorer.

De F. nucleatum-inficerede CRC-epitelceller løsnede sig fra sfæroidmassen og migrerede som individuelle epitelceller ind i den omgivende kollagengel. I modsætning hertil spredes uinficerede cancerepitelceller gennem gelen som en sfæroid masse med en gennemsnitlig ekspansionshastighed på 1,34 × 105 µm3 h-1. Invasive bakterier fremmede kræftcelleinvasion, men ændrede også bevægelsesmønstrene for inficerede kræftceller og fremmede derved celleheterogenitet på det funktionelle niveau.

Konklusioner

Undersøgelsen viste, at fordelingen af ​​intratumoral mikrobiota var heterogen i humane tumorer. På trods af deres heterogenitet var fordelingen af ​​mikrobiota i en tumor ikke tilfældig, men meget organiseret, og mikronicher med immun- og epitelcellefunktioner stimulerede kræft aktivt. Samlet set ændrede det biologien af ​​specifikke cellulære rum og påvirkede antitumorimmunitet og cancerepitelcellemigration. Ifølge forfatterne kunne den intratumorale mikrobiota i 33 større kræftformer, der er opdaget til dato, analyseres ved hjælp af de samme værktøjer og teknologier.

Reference:

• 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

.