Microniches van de intratumorale microbiota beïnvloeden de ruimtelijke en cellulaire heterogeniteit bij kanker

Microniches van de intratumorale microbiota beïnvloeden de ruimtelijke en cellulaire heterogeniteit bij kanker

In een onlangs gepubliceerd artikel in Natuur De onderzoekers brachten ruimtelijke, cellulaire en moleculaire interacties van gastheer- en tumor-geassocieerde bacteriën in de tumormicro-omgeving (TME) in kaart. Ze gebruikten in situ ruimtelijke profileringstechnologieën en single-cell ribonucleïnezuursequencing (scRNA-seq), waarbij de nadruk lag op gastro-intestinale kankers, met name oraal plaveiselcelcarcinoom (OSCC) en colorectale kanker (CRC).

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

achtergrond

In vitro en preklinische onderzoeken met diermodellen hebben moleculair bewijs geleverd voor de rol van tumorgeassocieerde bacteriën bij ten minste 33 belangrijke kankers en metastasen. Beeldvormingsgegevens hebben de co-lokalisatie van bacteriële markers met epitheliale en immuunceldoelen aangetoond, wat suggereert dat de intratumorale microbiota mogelijk intracellulair is.

Bovendien spelen intratumorale microbiota van de gastheer een rol bij immuunsurveillance en chemoresistentie. Studies hebben echter niet de identiteit onthuld van deze tumorcel-geassocieerde organismen binnen de TME en de gastheerceltypen waarmee ze een interactie aangaan in tumoren van patiënten. Bovendien, of hun ruimtelijke distributie en interacties met de gastheer verschillende functionele mogelijkheden binnen de TME beïnvloeden.

Over studeren

In de huidige studie beoordeelden onderzoekers eerst de samenstelling van de intratumorale microbiota op fylum- en geslachtsniveau. Vervolgens bevestigden ze visueel de heterogene ruimtelijke verdeling van de geïdentificeerde bacteriële gemeenschappen, waaronder Fusobacterium nucleatum. Om dit te doen, voerden ze 16S ribosomaal RNA-gensequencing uit op 44 stukjes weefsel van de tumoren van 11 patiënten met CRC. Bovendien richtten ze zich op RNAscope fluorescentie in situ hybridisatie (RNAscope-FISH) beeldvorming van dichtbevolkte compartimenten met bacteriële celbiomassa en bacterie-negatieve gebieden binnen hetzelfde tumormonster. Bovendien kwantificeerden ze de transcriptionele belasting van de weefsels van specifieke organismen met behulp van de Unique Molecular Identifiers (UMI)-metriek.

Bovendien kwantificeerden onderzoekers het expressieprofiel van 77 eiwitten die geassocieerd zijn met antitumorimmuniteit en kankerprogressie met behulp van een digitaal ruimtelijk profileringsplatform (DSP). Vervolgens ontwikkelden ze de INVADEseq-methode om de interactie tussen bacteriën en gastheercellen binnen de TME en de effecten op de transcriptomics van gastheercellen te bestuderen. Deze methode maakte het mogelijk om complementaire DNA (cDNA)-bibliotheken te genereren die bacteriële transcripten bevatten van de met bacteriën geassocieerde menselijke cellen. Met andere woorden, het hielp onderzoekers bacteriële waarden in kaart te brengen voor individuele menselijke cellen.

Een reductionistische in vitro cocultuurbenadering stelde onderzoekers in staat de directe interacties van een dominant lid van de intratumorale microbiota met immuun- of epitheliale kankercellen te beoordelen. Ze kweekten CRC-epitheelsferoïden samen met een F. nucleatum CRC-isolaat, gevolgd door inbedding in collageenmatrices die neutrofielen bevatten die gelijkmatig door de gel waren verdeeld. Vervolgens gebruikten ze confocale microscopie met levende cellen om de ingebedde neutrofielen in met F. nucleatum geïnfecteerde sferoïden te visualiseren, volgen en vergelijken met niet-geïnfecteerde sferoïden.

Studieresultaten

E-book over immunologie

Compilatie van de beste interviews, artikelen en nieuws van het afgelopen jaar. Download een gratis exemplaar

RNAscope-FISH identificeerde bacteriële transcripten in respectievelijk 46% en 28% van de capture-spots in CRC- en OSCC-tumoren. De bacteriële geslachten die per vangplaats werden geïdentificeerd, varieerden van één tot 42 en één tot 31, met een mediaan van respectievelijk acht en twee voor de OSCC- en CRC-tumoren. Bij OSCC-tumoren identificeerde de UMI-metriek Parvimonas, Peptoniphilus en Fusobacterium als de meest dominante bacteriële geslachten. Omgekeerd waren de dominante geslachten in het CRC-monster Fusobacterium en Bacteroides. Interessant genoeg had de laatste een orde van grootte meer lezingen en UMI's vergeleken met het OSCC-exemplaar. De colokalisatie van gemeenschappen van geïsoleerde geslachten en meerdere verschillende geslachten binnen vanglocaties benadrukte de complexiteit van intratumorale microbiota-interacties tussen deze twee soorten kanker.

Bacteriën-positieve weefsels in tumoren vertoonden een significante toename van CD11b+ en CD66b+ myeloïde cellen, maar een lagere dichtheid van CD4+ en CD8+ T-cellen. Het geval met aangrenzende bacterie-negatieve gebieden was anders; dit suggereerde dat de tumor-geassocieerde microbiota een sterk gelokaliseerd effect hadden. Mogelijk hebben invasieve bacteriën myeloïde cellen gerekruteerd om een ​​ontstekingsreactie te induceren via Janus kinase (JAK) signaaltransducer en activator of transcription (STAT) signalering. Het bevorderde de uitsluiting van T-cellen en de tumorgroei door specifieke interleukinen en chemokinen in de omgeving uit te scheiden. Opmerkelijk is dat intracellulaire bacteriën gensignaturen genereerden die consistent waren met door kanker geïnduceerde celinvasie, metastase, herstel van DNA-schade en celrust door transcriptiefactoren van de Jun- en Fos-families te activeren.

Het in kaart brengen van bacteriële statistieken uit de INVADEseq-analyse op geannoteerde afzonderlijke cellen toonde aan dat Fusobacterium en Treponema bij deze patiëntentumoren voornamelijk geassocieerd waren met de epitheliale en monocyt-afgeleide macrofagen (celclusters), met een algemeen bacteriële infectiepercentage van respectievelijk 25% en 52%.

Genenverrijkingsanalyse (GSEA) bevestigde dat de cellen in de door bacteriën gedomineerde “epitheelcelcluster 3” kankercellen waren, met opregulatie van signaalroutes die betrokken zijn bij de progressie van kanker (bijv. epitheliale-mesenchymale transitie of EMT-route). De rekrutering en retentie van neutrofielen in de met F. nucleatum geïnfecteerde kankercelsferoïden suggereerde dat de intratumorale microbiota een actieve rol speelde bij de verrijking van neutrofielen in door bacteriën gekoloniseerde microniches van tumoren van patiënten.

De met F. nucleatum geïnfecteerde CRC-epitheelcellen maakten zich los van de sferoïdemassa en migreerden als individuele epitheelcellen naar de omringende collageengel. Daarentegen verspreidden niet-geïnfecteerde kankerepitheelcellen zich door de gel als een sferoïde massa met een gemiddelde expansiesnelheid van 1,34 x 105 µm3 h−1. Invasieve bacteriën bevorderden de invasie van kankercellen, maar veranderden ook de bewegingspatronen van geïnfecteerde kankercellen, waardoor celheterogeniteit op functioneel niveau werd bevorderd.

Conclusies

Uit de studie bleek dat de verdeling van de intratumorale microbiota heterogeen was bij menselijke tumoren. Ondanks hun heterogeniteit was de verdeling van de microbiota binnen een tumor niet willekeurig, maar zeer georganiseerd, en microniches met immuun- en epitheelcelfuncties stimuleerden kanker actief. Over het geheel genomen veranderde het de biologie van specifieke cellulaire compartimenten en beïnvloedde het de antitumorimmuniteit en de migratie van kankerepitheelcellen. Volgens de auteurs zou de intratumorale microbiota van 33 tot nu toe ontdekte kankersoorten met dezelfde hulpmiddelen en technologieën kunnen worden geanalyseerd.

Referentie:

• 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

.