Mikroniše intratumoralne mikrobiote utječu na prostornu i staničnu heterogenost raka

Mikroniše intratumoralne mikrobiote utječu na prostornu i staničnu heterogenost raka

U nedavno objavljenom članku u Priroda Istraživači su mapirali prostorne, stanične i molekularne interakcije domaćina i bakterija povezanih s tumorom unutar tumorskog mikrookruženja (TME). Koristili su in situ tehnologije prostornog profiliranja i jednostanično sekvenciranje ribonukleinske kiseline (scRNA-seq), usredotočujući se na gastrointestinalne karcinome, posebno oralni planocelularni karcinom (OSCC) i kolorektalni karcinom (CRC).

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

pozadina

In vitro i pretkliničke studije na životinjskim modelima pružile su molekularne dokaze o ulozi bakterija povezanih s tumorima u najmanje 33 glavna oblika raka i metastaza. Podaci slikovnog snimanja pokazali su lokalizaciju bakterijskih markera s metama epitelnih i imunoloških stanica, što sugerira da bi intratumorska mikrobiota mogla biti unutarstanična.

Nadalje, intratumorska mikrobiota domaćina igra ulogu u imunološkom nadzoru i kemorezistenciji. Međutim, studije nisu otkrile identitet ovih organizama povezanih s tumorskim stanicama unutar TME-a i vrste stanica domaćina s kojima su u interakciji u tumorima pacijenata. Nadalje, utječu li njihova prostorna distribucija i interakcije s domaćinom na različite funkcionalne sposobnosti unutar TME-a.

O studiranju

U ovoj studiji istraživači su prvo procijenili sastav intratumorske mikrobiote na razini vrste i roda. Zatim su vizualno potvrdili heterogenu prostornu distribuciju identificiranih bakterijskih zajednica, uključujući Fusobacterium nucleatum. Kako bi to učinili, izveli su sekvenciranje gena 16S ribosomske RNA na 44 komada tkiva iz tumora 11 pacijenata s CRC-om. Osim toga, ciljali su fluorescentnu hibridizaciju RNAscope in situ (RNAscope-FISH) na oslikavanje gusto naseljenih odjeljaka s biomasom bakterijskih stanica i područjima s negativnim bakterijama unutar istog uzorka tumora. Osim toga, kvantificirali su transkripcijsko opterećenje tkiva specifičnih organizama koristeći metriku jedinstvenih molekularnih identifikatora (UMI).

Osim toga, istraživači su kvantificirali profil ekspresije 77 proteina povezanih s antitumorskim imunitetom i progresijom raka koristeći platformu za digitalno prostorno profiliranje (DSP). Zatim su razvili metodu INVADEseq za proučavanje interakcije između bakterija i stanica domaćina unutar TME-a i učinaka na transkriptomiju stanica domaćina. Ova je metoda omogućila stvaranje komplementarnih DNA (cDNA) biblioteka koje sadrže bakterijske transkripte iz ljudskih stanica povezanih s bakterijama. Drugim riječima, pomogao je istraživačima mapirati očitavanja bakterija na pojedinačne ljudske stanice.

Redukcionistički pristup in vitro kokulturi omogućio je istraživačima da procijene izravne interakcije dominantnog člana intratumorske mikrobiote s imunološkim ili epitelnim stanicama raka. Kokulturirali su epitelne sferoide CRC-a s izolatom CRC-a F. nucleatum, nakon čega su ih ugradili u kolagene matrice koje sadrže neutrofile ravnomjerno raspoređene po gelu. Zatim su upotrijebili konfokalnu mikroskopiju živih stanica kako bi vizualizirali, pratili i usporedili ugrađene neutrofile u sferoide zaražene F. nucleatumom s neinficiranim sferoidima.

Rezultati studije

E-knjiga o imunologiji

Kompilacija najboljih intervjua, članaka i vijesti iz prošle godine. Preuzmite besplatnu kopiju

RNAscope-FISH identificirao je bakterijske transkripte u 46% odnosno 28% točaka hvatanja u CRC i OSCC tumorima. Bakterijski rodovi identificirani po mjestu hvatanja bili su u rasponu od jedan do 42 i jedan do 31, s medijanom od osam i dva za tumore OSCC i CRC. Kod OSCC tumora, UMI metrika identificirala je Parvimonas, Peptoniphilus i Fusobacterium kao najdominantnije bakterijske rodove. Nasuprot tome, dominantni rodovi u uzorku CRC bili su Fusobacterium i Bacteroides. Zanimljivo, potonji je imao red veličine više očitavanja i UMI u usporedbi s OSCC uzorkom. Kolokalizacija zajednica izoliranih rodova i višestrukih različitih rodova unutar mjesta za hvatanje istaknula je složenost interakcija intratumoralne mikrobiote između ove dvije vrste raka.

Bakterijski pozitivna tkiva u tumorima pokazala su značajan porast CD11b+ i CD66b+ mijeloidnih stanica, ali manju gustoću CD4+ i CD8+ T stanica. Slučaj sa susjednim regijama negativnim na bakterije bio je drugačiji; to je sugeriralo da je mikrobiota povezana s tumorom imala visoko lokaliziran učinak. Moguće je da su invazivne bakterije regrutirale mijeloidne stanice da induciraju upalni odgovor putem pretvornika signala Janus kinaze (JAK) i signaliziranja aktivatora transkripcije (STAT). Promicao je isključivanje T stanica i rast tumora lučenjem specifičnih interleukina i kemokina u okoliš. Zanimljivo je da su intracelularne bakterije generirale genske potpise koji su u skladu s invazijom stanica izazvanim rakom, metastazama, popravkom oštećenja DNK i mirovanjem stanica aktiviranjem faktora transkripcije iz obitelji Jun i Fos.

Mapiranje bakterijskih metrika iz INVADEseq analize na označene pojedinačne stanice pokazalo je da su Fusobacterium i Treponema u tumorima ovih pacijenata bili pretežno povezani s epitelnim i monocitnim makrofagima (nakupinama stanica), s ukupnom stopom bakterijske infekcije od 25% odnosno 52%.

Analiza obogaćivanja skupa gena (GSEA) potvrdila je da su stanice unutar "nakupine epitelnih stanica 3" kojom dominiraju bakterije bile stanice raka, s pojačanom regulacijom signalnih putova uključenih u napredovanje raka (npr. epitelno-mezenhimalni prijelaz ili EMT put). Regrutiranje i zadržavanje neutrofila u sferoidima stanica raka inficiranim F. nucleatumom sugeriralo je da je intratumorska mikrobiota igrala aktivnu ulogu u obogaćivanju neutrofila u mikronišama tumora bolesnika koloniziranim bakterijama.

Epitelne stanice CRC-a zaražene F. nucleatumom odvojile su se od sferoidne mase i migrirale kao pojedinačne epitelne stanice u okolni kolagenski gel. Nasuprot tome, neinficirane epitelne stanice raka šire se kroz gel kao sferoidna masa s prosječnom brzinom ekspanzije od 1,34 × 105 µm3 h-1. Invazivne bakterije pospješile su invaziju stanica raka, ali su također promijenile obrasce kretanja zaraženih stanica raka, promičući tako heterogenost stanica na funkcionalnoj razini.

Zaključci

Studija je otkrila da je distribucija intratumoralne mikrobiote bila heterogena u ljudskim tumorima. Unatoč njihovoj heterogenosti, distribucija mikrobiote unutar tumora nije bila nasumična, već visoko organizirana, a mikroniše s funkcijama imunoloških i epitelnih stanica aktivno su stimulirale rak. Sve u svemu, promijenio je biologiju specifičnih staničnih odjeljaka i utjecao na antitumorsku imunost i migraciju epitelnih stanica raka. Prema autorima, intratumorska mikrobiota u 33 glavna karcinoma otkrivena do danas mogla bi se analizirati korištenjem istih alata i tehnologija.

Referenca:

• 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

.