Mikroniše intratumoralne mikrobiote vplivajo na prostorsko in celično heterogenost pri raku

Mikroniše intratumoralne mikrobiote vplivajo na prostorsko in celično heterogenost pri raku

V nedavno objavljenem članku v Narava Raziskovalci so preslikali prostorske, celične in molekularne interakcije gostiteljskih in s tumorjem povezanih bakterij znotraj tumorskega mikrookolja (TME). Uporabili so tehnologije prostorskega profiliranja in situ in sekvenciranje enocelične ribonukleinske kisline (scRNA-seq), pri čemer so se osredotočili na raka prebavil, zlasti oralni ploščatocelični karcinom (OSCC) in kolorektalni rak (CRC).

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

ozadje

In vitro in predklinične študije na živalskih modelih so zagotovile molekularne dokaze o vlogi s tumorjem povezanih bakterij pri vsaj 33 glavnih vrstah raka in metastaz. Podatki slikanja so pokazali so-lokalizacijo bakterijskih markerjev s tarčami epitelijskih in imunskih celic, kar kaže, da je intratumorska mikrobiota lahko znotrajcelična.

Poleg tega ima intratumorska mikrobiota gostitelja vlogo pri imunskem nadzoru in kemorezistenci. Vendar študije niso razkrile identitete teh organizmov, povezanih s tumorskimi celicami, znotraj TME in tipov gostiteljskih celic, s katerimi medsebojno delujejo v tumorjih bolnikov. Poleg tega, ali njihova prostorska porazdelitev in interakcije z gostiteljem vplivajo na različne funkcionalne zmogljivosti znotraj TME.

O študiju

V tej študiji so raziskovalci najprej ocenili sestavo intratumoralne mikrobiote na ravni debla in rodu. Nato so vizualno potrdili heterogeno prostorsko porazdelitev identificiranih bakterijskih skupnosti, vključno s Fusobacterium nucleatum. Da bi to naredili, so izvedli sekvenciranje gena 16S ribosomske RNA na 44 kosih tkiva iz tumorjev 11 bolnikov s CRC. Poleg tega so ciljali na slikanje s fluorescenčno in situ hibridizacijo RNAscope (RNAscope-FISH) gosto naseljenih predelkov z biomaso bakterijskih celic in območji, negativnimi na bakterije, znotraj istega vzorca tumorja. Poleg tega so kvantificirali transkripcijsko obremenitev tkiv specifičnih organizmov z uporabo metrike Unique Molecular Identifiers (UMI).

Poleg tega so raziskovalci kvantificirali ekspresijski profil 77 proteinov, povezanih s protitumorsko imunostjo in napredovanjem raka z uporabo platforme za digitalno prostorsko profiliranje (DSP). Nato so razvili metodo INVADEseq za preučevanje interakcije med bakterijami in gostiteljskimi celicami znotraj TME ter učinke na transkriptomijo gostiteljske celice. Ta metoda je omogočila ustvarjanje komplementarnih knjižnic DNA (cDNA), ki vsebujejo bakterijske transkripte iz človeških celic, povezanih z bakterijami. Z drugimi besedami, raziskovalcem je pomagal preslikati bakterijske odčitke na posamezne človeške celice.

Redukcionističen pristop kokulture in vitro je raziskovalcem omogočil oceno neposrednih interakcij prevladujočega člana intratumoralne mikrobiote z imunskimi ali epitelnimi rakavimi celicami. Sokultivirali so epitelne sferoide CRC z izolatom CRC F. nucleatum, čemur je sledila vdelava v kolagenske matrice, ki vsebujejo nevtrofile, enakomerno porazdeljene po gelu. Nato so uporabili konfokalno mikroskopijo v živih celicah za vizualizacijo, sledenje in primerjavo vdelanih nevtrofilcev v sferoide, okužene s F. nucleatum, z neokuženimi sferoidi.

Rezultati študije

E-knjiga o imunologiji

Zbirka najboljših intervjujev, člankov in novic zadnjega leta. Prenesite brezplačno kopijo

RNAscope-FISH je identificiral bakterijske transkripte v 46 % oziroma 28 % zajetih mest pri tumorjih CRC oziroma OSCC. Bakterijski rodovi, identificirani na mesto zajema, so segali od enega do 42 in enega do 31, z mediano osem in dva za tumorje OSCC oziroma CRC. Pri tumorju OSCC je metrika UMI identificirala Parvimonas, Peptoniphilus in Fusobacterium kot najbolj prevladujoče bakterijske rodove. Nasprotno pa sta bila prevladujoča rodova v vzorcu CRC Fusobacterium in Bacteroides. Zanimivo je, da je imel slednji za red velikosti več branj in UMI v primerjavi z vzorcem OSCC. Kolokalizacija skupnosti izoliranih rodov in več različnih rodov znotraj lovilnih mest je poudarila kompleksnost intratumorskih interakcij mikrobiote med tema dvema vrstama raka.

Bakterijsko pozitivna tkiva v tumorjih so pokazala znatno povečanje CD11b+ in CD66b+ mieloidnih celic, vendar manjšo gostoto CD4+ in CD8+ T celic. Primer s sosednjimi bakterijsko negativnimi regijami je bil drugačen; to je nakazovalo, da ima mikrobiota, povezana s tumorjem, zelo lokaliziran učinek. Verjetno so invazivne bakterije rekrutirale mieloidne celice, da bi inducirale vnetni odziv prek pretvornika signala Janus kinaze (JAK) in signalizacije aktivatorja transkripcije (STAT). Spodbujal je izključitev celic T in rast tumorja z izločanjem specifičnih interlevkinov in kemokinov v okolje. Zanimivo je, da so znotrajcelične bakterije ustvarile genske podpise, skladne z invazijo celic, povzročeno z rakom, metastazami, popravilom poškodb DNA in celičnim mirovanjem z aktiviranjem transkripcijskih faktorjev iz družin Jun in Fos.

Preslikava bakterijskih meritev iz analize INVADEseq na označene posamezne celice je pokazala, da sta bili Fusobacterium in Treponema pri teh tumorjih bolnikov pretežno povezani z epitelijskimi makrofagi in makrofagi (celičnimi grozdi), pridobljenimi iz monocitov, s skupno stopnjo bakterijske okužbe 25 % oziroma 52 %.

Analiza obogatitve genskega nabora (GSEA) je potrdila, da so bile celice znotraj »epitelnega celičnega grozda 3«, v katerem prevladujejo bakterije, rakave celice z uravnavanjem signalnih poti, vključenih v napredovanje raka (npr. epitelno-mezenhimski prehod ali pot EMT). Rekrutiranje in zadrževanje nevtrofilcev v sferoidih rakavih celic, okuženih s F. nucleatum, je pokazalo, da ima intratumoralna mikrobiota aktivno vlogo pri obogatitvi nevtrofilcev v z bakterijami koloniziranih mikronišah bolnikovih tumorjev.

Epitelne celice CRC, okužene s F. nucleatum, so se ločile od sferoidne mase in migrirale kot posamezne epitelne celice v okoliški kolagenski gel. Nasprotno pa se neokužene epitelijske celice raka širijo skozi gel kot sferoidna masa s povprečno hitrostjo širjenja 1,34 × 105 µm3 h-1. Invazivne bakterije so spodbujale invazijo rakavih celic, vendar so tudi spremenile vzorce gibanja okuženih rakavih celic in s tem spodbujale heterogenost celic na funkcionalni ravni.

Sklepi

Študija je pokazala, da je porazdelitev intratumoralne mikrobiote v človeških tumorjih heterogena. Kljub svoji heterogenosti porazdelitev mikrobiote znotraj tumorja ni bila naključna, ampak zelo organizirana, mikroniše z imunskimi in epitelnimi celičnimi funkcijami pa so aktivno spodbujale raka. Na splošno je spremenil biologijo specifičnih celičnih predelkov in vplival na protitumorsko imunost in migracijo rakavih epitelijskih celic. Po mnenju avtorjev bi bilo mogoče intratumorsko mikrobioto pri 33 večjih vrstah raka, odkritih do danes, analizirati z istimi orodji in tehnologijami.

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

.