Mikronisjer av den intratumorale mikrobiotaen påvirker romlig og cellulær heterogenitet i kreft

Mikronisjer av den intratumorale mikrobiotaen påvirker romlig og cellulær heterogenitet i kreft

I en nylig publisert artikkel i Natur Forskerne kartla romlige, cellulære og molekylære interaksjoner mellom verts- og tumorassosierte bakterier i tumormikromiljøet (TME). De brukte in situ romlige profileringsteknologier og encellet ribonukleinsyresekvensering (scRNA-seq), med fokus på gastrointestinale kreftformer, spesielt oral plateepitelkarsinom (OSCC) og kolorektal kreft (CRC).

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

bakgrunn

In vitro og prekliniske studier med dyremodeller har gitt molekylære bevis for rollen til tumorassosierte bakterier i minst 33 store kreftformer og metastaser. Bildedata har vist samlokalisering av bakteriemarkører med epitel- og immuncellemål, noe som tyder på at den intratumorale mikrobiotaen kan være intracellulær.

Videre spiller intratumoral vertsmikrobiota en rolle i immunovervåking og kjemoresistens. Studier har imidlertid ikke avslørt identiteten til disse tumorcelleassosierte organismene i TME og vertscelletypene som de samhandler med i pasientsvulster. Videre, om deres romlige distribusjon og interaksjoner med verten påvirker forskjellige funksjonelle evner innenfor TME.

Om å studere

I denne studien vurderte forskerne først sammensetningen av den intratumorale mikrobiotaen på fylums- og slektsnivå. Deretter bekreftet de visuelt den heterogene romlige fordelingen av de identifiserte bakteriesamfunnene, inkludert Fusobacterium nucleatum. For å gjøre dette utførte de 16S ribosomalt RNA-gensekvensering på 44 vevsstykker fra svulstene til 11 pasienter med CRC. I tillegg målrettet de RNAscope-fluorescens in situ-hybridisering (RNAscope-FISH) avbildning av tettbefolkede rom med bakteriecellebiomasse og bakterienegative områder innenfor samme tumorprøve. I tillegg kvantifiserte de transkripsjonsbelastningen til vevet til spesifikke organismer ved å bruke Unique Molecular Identifiers (UMI)-metrikken.

I tillegg kvantifiserte forskere ekspresjonsprofilen til 77 proteiner assosiert med antitumorimmunitet og kreftprogresjon ved hjelp av en digital spatial profiling (DSP)-plattform. Deretter utviklet de INVADEseq-metoden for å studere interaksjonen mellom bakterier og vertsceller i TME og effektene på vertscelle-transkriptomikk. Denne metoden muliggjorde generering av komplementære DNA (cDNA) biblioteker som inneholdt bakterielle transkripter fra bakterieassosierte humane celler. Med andre ord hjalp det forskere med å kartlegge bakterielle avlesninger til individuelle menneskeceller.

En reduksjonistisk in vitro samkultur tilnærming tillot forskere å vurdere de direkte interaksjonene mellom et dominerende medlem av den intratumorale mikrobiotaen med immun- eller epitelkreftceller. De samdyrket CRC-epitelsfæroider med et F. nucleatum CRC-isolat, etterfulgt av innleiring i kollagenmatriser som inneholder nøytrofiler jevnt fordelt gjennom gelen. Deretter brukte de konfokal mikroskopi med levende celler for å visualisere, spore og sammenligne de innebygde nøytrofilene i F. nucleatum-infiserte sfæroider med uinfiserte sfæroider.

Studieresultater

Immunologi e-bok

Sammenstilling av de beste intervjuene, artikler og nyheter fra det siste året. Last ned en gratis kopi

RNAscope-FISH identifiserte bakterielle transkripter i 46 % og 28 % av fangstflekkene i henholdsvis CRC- og OSCC-svulster. Bakterielle genera identifisert per fangststed varierte fra én til 42 og én til 31, med en median på åtte og to for henholdsvis OSCC- og CRC-svulstene. I OSCC-svulst identifiserte UMI-metrikken Parvimonas, Peptoniphilus og Fusobacterium som de mest dominerende bakterieslektene. Motsatt var de dominerende slektene i CRC-prøven Fusobacterium og Bacteroides. Interessant nok hadde sistnevnte en størrelsesorden flere avlesninger og UMI-er sammenlignet med OSCC-prøven. Kolokaliseringen av samfunn av isolerte slekter og flere forskjellige slekter innenfor fangststeder fremhevet kompleksiteten til intratumorale mikrobiota-interaksjoner mellom disse to krefttypene.

Bakteriepositivt vev i svulster viste en signifikant økning i CD11b+ og CD66b+ myeloide celler, men en lavere tetthet av CD4+ og CD8+ T-celler. Tilfellet med nabobakterie-negative regioner var annerledes; dette antydet at den tumorassosierte mikrobiotaen hadde en svært lokalisert effekt. Muligens rekrutterte invasive bakterier myeloide celler for å indusere en inflammatorisk respons gjennom Janus kinase (JAK) signaltransduser og aktivator av transkripsjon (STAT) signalering. Det fremmet eksklusjon av T-celler og tumorvekst ved å skille ut spesifikke interleukiner og kjemokiner i miljøet. Bemerkelsesverdig nok genererte intracellulære bakterier gensignaturer i samsvar med kreftindusert celleinvasjon, metastase, DNA-skadereparasjon og cellehvile ved å aktivere transkripsjonsfaktorer fra Jun- og Fos-familiene.

Kartlegging av bakterielle beregninger fra INVADEseq-analyse til annoterte enkeltceller viste at Fusobacterium og Treponema i disse pasientsvulstene hovedsakelig var assosiert med epitel- og monocyttavledede makrofager (celleklynger), med en total bakterieinfeksjonsrate på henholdsvis 25 % og 52 %.

Gensettanrikningsanalyse (GSEA) bekreftet at cellene i den bakteriedominerte "epitelcelleklyngen 3" var kreftceller, med oppregulering av signalveier involvert i kreftprogresjon (f.eks. epitel-mesenkymal overgang eller EMT-vei). Rekrutteringen og retensjonen av nøytrofiler i de F. nucleatum-infiserte kreftcellesfæroidene antydet at den intratumorale mikrobiotaen spilte en aktiv rolle i anrikningen av nøytrofiler i bakteriekoloniserte mikronisjer av pasientsvulster.

De F. nucleatum-infiserte CRC-epitelcellene løsnet fra sfæroidmassen og migrerte som individuelle epitelceller inn i den omkringliggende kollagengelen. I kontrast spredte uinfiserte kreftepitelceller seg gjennom gelen som en sfæroid masse med en gjennomsnittlig ekspansjonshastighet på 1,34 × 105 µm3 h−1. Invasive bakterier fremmet kreftcelleinvasjon, men endret også bevegelsesmønstrene til infiserte kreftceller, og fremmet derved celleheterogenitet på funksjonsnivå.

Konklusjoner

Studien fant at fordelingen av intratumoral mikrobiota var heterogen i humane svulster. Til tross for deres heterogenitet, var distribusjonen av mikrobiota i en svulst ikke tilfeldig, men svært organisert, og mikronisjer med immun- og epitelcellefunksjoner stimulerte kreft aktivt. Totalt sett endret det biologien til spesifikke cellulære rom og påvirket antitumorimmunitet og migrasjon av kreftepitelceller. Ifølge forfatterne kan den intratumorale mikrobiotaen i 33 store kreftformer som er oppdaget til dags dato analyseres ved hjelp av de samme verktøyene og teknologiene.

Referanse:

• 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

.