Microniches intratumorálnej mikrobioty ovplyvňujú priestorovú a bunkovú heterogenitu pri rakovine

Microniches intratumorálnej mikrobioty ovplyvňujú priestorovú a bunkovú heterogenitu pri rakovine

V nedávno publikovanom článku v Príroda Výskumníci zmapovali priestorové, bunkové a molekulárne interakcie hostiteľských a s nádorom asociovaných baktérií v rámci nádorového mikroprostredia (TME). Použili in situ priestorové profilovacie technológie a jednobunkové sekvenovanie ribonukleovej kyseliny (scRNA-seq), so zameraním na gastrointestinálne rakoviny, najmä orálny spinocelulárny karcinóm (OSCC) a kolorektálny karcinóm (CRC).

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

pozadia

In vitro a predklinické štúdie využívajúce zvieracie modely poskytli molekulárny dôkaz o úlohe baktérií spojených s nádorom pri najmenej 33 hlavných rakovinách a metastázach. Zobrazovacie údaje ukázali spoločnú lokalizáciu bakteriálnych markerov s cieľmi epitelových a imunitných buniek, čo naznačuje, že intratumorálna mikrobiota môže byť intracelulárna.

Okrem toho, intratumorálna hostiteľská mikroflóra hrá úlohu pri imunitnom dohľade a chemorezistencii. Štúdie však neodhalili identitu týchto organizmov spojených s nádorovými bunkami v rámci TME a typov hostiteľských buniek, s ktorými interagujú v nádoroch pacientov. Ďalej, či ich priestorové rozloženie a interakcie s hostiteľom ovplyvňujú rôzne funkčné schopnosti v rámci TME.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci najprv hodnotili zloženie intratumorálnej mikrobioty na úrovni kmeňa a rodu. Ďalej vizuálne potvrdili heterogénne priestorové rozloženie identifikovaných bakteriálnych spoločenstiev, vrátane Fusobacterium nucleatum. Na tento účel vykonali sekvenovanie génu 16S ribozomálnej RNA na 44 kusoch tkaniva z nádorov 11 pacientov s CRC. Okrem toho sa zamerali na RNAscope fluorescenčnú in situ hybridizáciu (RNAscope-FISH) zobrazovanie husto osídlených kompartmentov s biomasou bakteriálnych buniek a oblasťami negatívnymi na baktérie v rámci tej istej vzorky nádoru. Okrem toho kvantifikovali transkripčnú záťaž tkanív konkrétnych organizmov pomocou metriky Unique Molecular Identifiers (UMI).

Okrem toho vedci kvantifikovali profil expresie 77 proteínov spojených s protinádorovou imunitou a progresiou rakoviny pomocou platformy digitálneho priestorového profilovania (DSP). Ďalej vyvinuli metódu INVADEseq na štúdium interakcie medzi baktériami a hostiteľskými bunkami v rámci TME a účinkov na transkriptomiku hostiteľských buniek. Táto metóda umožnila generovanie knižníc komplementárnej DNA (cDNA) obsahujúcich bakteriálne transkripty z ľudských buniek spojených s baktériami. Inými slovami, pomohla výskumníkom zmapovať čítanie baktérií na jednotlivé ľudské bunky.

Redukčný prístup in vitro kokultúry umožnil výskumníkom posúdiť priame interakcie dominantného člena intratumorálnej mikroflóry s imunitnými alebo epiteliálnymi rakovinovými bunkami. Kokultivovali epitelové sféroidy CRC s izolátom CRC F. nucleatum, po čom nasledovalo zapustenie do kolagénových matríc obsahujúcich neutrofily rovnomerne rozložené v géli. Ďalej použili konfokálnu mikroskopiu živých buniek na vizualizáciu, sledovanie a porovnanie neutrofilov vnorených do sféroidov infikovaných F. nucleatum s neinfikovanými sféroidmi.

Výsledky štúdie

Imunológia e-kniha

Kompilácia top rozhovorov, článkov a noviniek za posledný rok. Stiahnite si bezplatnú kópiu

RNAscope-FISH identifikoval bakteriálne transkripty v 46 % a 28 % záchytných škvŕn v nádoroch CRC a OSCC. Bakteriálne rody identifikované na jedno záchytné miesto sa pohybovali od jedného do 42 a od jedného do 31, s mediánom osem a dva pre nádory OSCC a CRC. V nádore OSCC metrika UMI identifikovala Parvimonas, Peptoniphilus a Fusobacterium ako najdominantnejšie bakteriálne rody. Naopak, dominantnými rodmi vo vzorke CRC boli Fusobacterium a Bacteroides. Je zaujímavé, že ten druhý mal rádovo viac čítaní a UMI v porovnaní so vzorkou OSCC. Kolokalizácia spoločenstiev izolovaných rodov a viacerých rôznych rodov v miestach odchytu zdôraznila zložitosť interakcií intratumorálnych mikrobiot medzi týmito dvoma typmi rakoviny.

Bakteriálne pozitívne tkanivá v nádoroch vykazovali významný nárast CD11b+ a CD66b+ myeloidných buniek, ale nižšiu hustotu CD4+ a CD8+ T buniek. Prípad so susednými oblasťami negatívnymi na baktérie bol odlišný; to naznačuje, že mikrobiota spojená s nádorom mala vysoko lokalizovaný účinok. Je možné, že invazívne baktérie získavali myeloidné bunky, aby vyvolali zápalovú reakciu prostredníctvom signálneho prevodníka Janusovej kinázy (JAK) a signalizácie aktivátora transkripcie (STAT). Podporoval vylúčenie T buniek a rast nádoru vylučovaním špecifických interleukínov a chemokínov do prostredia. Je pozoruhodné, že intracelulárne baktérie generovali génové podpisy konzistentné s inváziou buniek indukovanou rakovinou, metastázami, opravou poškodenia DNA a pokojom buniek aktiváciou transkripčných faktorov z rodín Jun a Fos.

Mapovanie bakteriálnych metrík z analýzy INVADEseq na anotované jednotlivé bunky ukázalo, že Fusobacterium a Treponema u týchto nádorov pacientov boli spojené prevažne s epitelovými a monocytovými makrofágmi (zhluky buniek), s celkovou mierou bakteriálnej infekcie 25 % a 52 %.

Analýza obohatenia génovej sady (GSEA) potvrdila, že bunky v „zhluku 3 epitelových buniek“ s dominanciou baktérií boli rakovinové bunky s upreguláciou signálnych dráh zapojených do progresie rakoviny (napr. epitelovo-mezenchymálny prechod alebo dráha EMT). Nábor a zadržiavanie neutrofilov vo sféroidoch rakovinových buniek infikovaných F. nucleatum naznačovalo, že intratumorálna mikroflóra zohrávala aktívnu úlohu pri obohacovaní neutrofilov v bakteriálne kolonizovaných mikronichách nádorov pacientov.

Epitelové bunky CRC infikované F. nucleatum sa oddelili od sféroidnej hmoty a migrovali ako jednotlivé epiteliálne bunky do okolitého kolagénového gélu. Na rozdiel od toho sa neinfikované rakovinové epitelové bunky šíria cez gél ako sféroidná hmota s priemernou rýchlosťou expanzie 1, 34 × 105 µm3 h-1. Invazívne baktérie podporovali inváziu rakovinových buniek, ale tiež menili pohybové vzorce infikovaných rakovinových buniek, čím podporovali bunkovú heterogenitu na funkčnej úrovni.

Závery

Štúdia zistila, že distribúcia intratumorálnej mikroflóry bola v ľudských nádoroch heterogénna. Napriek ich heterogenite nebola distribúcia mikrobioty v nádore náhodná, ale vysoko organizovaná a mikroniches s funkciami imunitných a epitelových buniek aktívne stimulovali rakovinu. Celkovo zmenil biológiu špecifických bunkových kompartmentov a ovplyvnil protinádorovú imunitu a migráciu rakovinových epitelových buniek. Podľa autorov by sa intratumorálna mikroflóra v 33 doteraz objavených hlavných rakovinách mohla analyzovať pomocou rovnakých nástrojov a technológií.

Referencia:

• 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

.