Le micronicchie del microbiota intratumorale influenzano l’eterogeneità spaziale e cellulare nel cancro

Le micronicchie del microbiota intratumorale influenzano l’eterogeneità spaziale e cellulare nel cancro

In un articolo recentemente pubblicato su Natura I ricercatori hanno mappato le interazioni spaziali, cellulari e molecolari dei batteri ospiti e associati al tumore all'interno del microambiente tumorale (TME). Hanno utilizzato tecnologie di profilazione spaziale in situ e sequenziamento dell'acido ribonucleico a cellula singola (scRNA-seq), concentrandosi sui tumori gastrointestinali, in particolare sul carcinoma orale a cellule squamose (OSCC) e sul cancro del colon-retto (CRC).

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

sfondo

Studi in vitro e preclinici che utilizzano modelli animali hanno fornito prove molecolari del ruolo dei batteri associati al tumore in almeno 33 tumori e metastasi principali. I dati di imaging hanno mostrato la co-localizzazione di marcatori batterici con bersagli di cellule epiteliali e immunitarie, suggerendo che il microbiota intratumorale potrebbe essere intracellulare.

Inoltre, il microbiota intratumorale dell’ospite svolge un ruolo nella sorveglianza immunitaria e nella chemioresistenza. Tuttavia, gli studi non hanno rivelato l’identità di questi organismi associati alle cellule tumorali all’interno della TME e i tipi di cellule ospiti con cui interagiscono nei tumori dei pazienti. Inoltre, se la loro distribuzione spaziale e le interazioni con l'ospite influenzano le diverse capacità funzionali all'interno della TME.

A proposito di studiare

Nel presente studio, i ricercatori hanno prima valutato la composizione del microbiota intratumorale a livello di phylum e di genere. Successivamente, hanno confermato visivamente la distribuzione spaziale eterogenea delle comunità batteriche identificate, incluso il Fusobacterium nucleatum. Per fare ciò, hanno eseguito il sequenziamento del gene dell’RNA ribosomiale 16S su 44 pezzi di tessuto provenienti dai tumori di 11 pazienti con CRC. Inoltre, hanno preso di mira l'imaging con ibridazione in situ fluorescente RNAscope (RNAscope-FISH) di compartimenti densamente popolati con biomassa cellulare batterica e aree negative ai batteri all'interno dello stesso campione tumorale. Inoltre, hanno quantificato il carico trascrizionale dei tessuti di organismi specifici utilizzando la metrica degli identificatori molecolari unici (UMI).

Inoltre, i ricercatori hanno quantificato il profilo di espressione di 77 proteine ​​associate all'immunità antitumorale e alla progressione del cancro utilizzando una piattaforma di profilazione spaziale digitale (DSP). Successivamente, hanno sviluppato il metodo INVADEseq per studiare l'interazione tra batteri e cellule ospiti all'interno della TME e gli effetti sulla trascrittomica delle cellule ospiti. Questo metodo ha consentito la generazione di librerie di DNA complementari (cDNA) contenenti trascrizioni batteriche provenienti da cellule umane associate ai batteri. In altre parole, ha aiutato i ricercatori a mappare le letture batteriche sulle singole cellule umane.

Un approccio riduzionista di cocultura in vitro ha permesso ai ricercatori di valutare le interazioni dirette di un membro dominante del microbiota intratumorale con le cellule tumorali immunitarie o epiteliali. Hanno co-coltivato sferoidi epiteliali CRC con un isolato di F. nucleatum CRC, seguito dall'incorporamento in matrici di collagene contenenti neutrofili distribuiti uniformemente in tutto il gel. Successivamente, hanno utilizzato la microscopia confocale a cellule vive per visualizzare, tracciare e confrontare i neutrofili incorporati negli sferoidi infetti da F. nucleatum con sferoidi non infetti.

Risultati dello studio

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RNAscope-FISH ha identificato trascritti batterici nel 46% e nel 28% dei punti di cattura rispettivamente nei tumori CRC e OSCC. I generi batterici identificati per sito di cattura variavano da uno a 42 e da uno a 31, con una media di otto e due rispettivamente per i tumori OSCC e CRC. Nel tumore OSCC, la metrica UMI ha identificato Parvimonas, Peptoniphilus e Fusobacterium come i generi batterici più dominanti. Al contrario, i generi dominanti nel campione CRC erano Fusobacterium e Bacteroides. È interessante notare che quest'ultimo aveva un ordine di grandezza in più di letture e UMI rispetto al campione OSCC. La colocalizzazione di comunità di generi isolati e di molteplici generi diversi all’interno dei siti di intrappolamento ha evidenziato la complessità delle interazioni del microbiota intratumorale tra questi due tipi di cancro.

I tessuti positivi ai batteri nei tumori hanno mostrato un aumento significativo delle cellule mieloidi CD11b+ e CD66b+, ma una densità inferiore di cellule T CD4+ e CD8+. Il caso delle regioni vicine ai batteri negativi era diverso; ciò suggeriva che il microbiota associato al tumore avesse un effetto altamente localizzato. Probabilmente, i batteri invasivi hanno reclutato cellule mieloidi per indurre una risposta infiammatoria attraverso il trasduttore del segnale Janus chinasi (JAK) e l'attivatore della trascrizione (STAT). Ha promosso l’esclusione delle cellule T e la crescita del tumore secernendo interleuchine e chemochine specifiche nell’ambiente. Sorprendentemente, i batteri intracellulari hanno generato firme genetiche coerenti con l’invasione cellulare, le metastasi, la riparazione del danno al DNA e la quiescenza cellulare indotte dal cancro attivando fattori di trascrizione delle famiglie Jun e Fos.

La mappatura delle metriche batteriche dall'analisi INVADEseq alle singole cellule annotate ha mostrato che Fusobacterium e Treponema in questi tumori dei pazienti erano prevalentemente associati ai macrofagi epiteliali e derivati ​​​​da monociti (cluster cellulari), con un tasso di infezione batterica complessivo del 25% e del 52%, rispettivamente.

L’analisi di arricchimento del set genetico (GSEA) ha confermato che le cellule all’interno del “cluster 3 di cellule epiteliali” dominato dai batteri erano cellule tumorali, con sovraregolazione delle vie di segnalazione coinvolte nella progressione del cancro (ad esempio transizione epiteliale-mesenchimale o via EMT). Il reclutamento e la ritenzione dei neutrofili negli sferoidi delle cellule tumorali infettate da F. nucleatum hanno suggerito che il microbiota intratumorale ha svolto un ruolo attivo nell'arricchimento dei neutrofili nelle micronicchie colonizzate da batteri dei tumori dei pazienti.

Le cellule epiteliali CRC infettate da F. nucleatum si staccarono dalla massa sferoidale e migrarono come singole cellule epiteliali nel gel di collagene circostante. Al contrario, le cellule epiteliali tumorali non infette si diffondono attraverso il gel come una massa sferoidale con un tasso di espansione medio di 1,34 × 105 µm3 h−1. I batteri invasivi hanno promosso l’invasione delle cellule tumorali ma hanno anche alterato i modelli di movimento delle cellule tumorali infette, promuovendo così l’eterogeneità cellulare a livello funzionale.

Conclusioni

Lo studio ha rilevato che la distribuzione del microbiota intratumorale era eterogenea nei tumori umani. Nonostante la loro eterogeneità, la distribuzione del microbiota all’interno di un tumore non era casuale ma altamente organizzata, e le micronicchie con funzioni di cellule immunitarie ed epiteliali stimolavano attivamente il cancro. Nel complesso, ha alterato la biologia di specifici compartimenti cellulari e ha influenzato l’immunità antitumorale e la migrazione delle cellule epiteliali del cancro. Secondo gli autori, il microbiota intratumorale di 33 tumori principali scoperti fino ad oggi potrebbe essere analizzato utilizzando gli stessi strumenti e tecnologie.

Riferimento:

• 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

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