Mikronischer i den intratumorala mikrobiotan påverkar rumslig och cellulär heterogenitet i cancer

Mikronischer i den intratumorala mikrobiotan påverkar rumslig och cellulär heterogenitet i cancer

I en nyligen publicerad artikel i Natur Forskarna kartlade rumsliga, cellulära och molekylära interaktioner mellan värd- och tumörassocierade bakterier inom tumörmikromiljön (TME). De använde in situ rumslig profileringsteknik och encellig ribonukleinsyrasekvensering (scRNA-seq), med fokus på gastrointestinala cancerformer, särskilt orala skivepitelcancer (OSCC) och kolorektal cancer (CRC).

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

bakgrund

In vitro och prekliniska studier med djurmodeller har gett molekylära bevis för rollen av tumörassocierade bakterier i minst 33 större cancerformer och metastaser. Avbildningsdata har visat samlokalisering av bakteriemarkörer med epitel- och immuncellmål, vilket tyder på att den intratumorala mikrobiotan kan vara intracellulär.

Dessutom spelar intratumoral värdmikrobiota en roll i immunövervakning och kemoresistens. Studier har dock inte avslöjat identiteten för dessa tumörcellsassocierade organismer inom TME och de värdcelltyper som de interagerar med i patienttumörer. Dessutom, om deras rumsliga fördelning och interaktioner med värden påverkar olika funktionella möjligheter inom TME.

Om att studera

I den aktuella studien bedömde forskarna först sammansättningen av den intratumorala mikrobiotan på fylum och släktnivåer. Därefter bekräftade de visuellt den heterogena rumsliga fördelningen av de identifierade bakteriesamhällena, inklusive Fusobacterium nucleatum. För att göra detta utförde de 16S ribosomal RNA-gensekvensering på 44 bitar av vävnad från tumörerna hos 11 patienter med CRC. Dessutom riktade de sig mot RNAscope-fluorescens in situ-hybridisering (RNAscope-FISH) avbildning av tätbefolkade fack med bakteriecellsbiomassa och bakterienegativa områden inom samma tumörprov. Dessutom kvantifierade de transkriptionsbelastningen av vävnaderna från specifika organismer med hjälp av Unique Molecular Identifiers (UMI).

Dessutom kvantifierade forskare uttrycksprofilen för 77 proteiner associerade med antitumörimmunitet och cancerprogression med hjälp av en digital spatial profiling (DSP)-plattform. Därefter utvecklade de INVADEseq-metoden för att studera interaktionen mellan bakterier och värdceller inom TME och effekterna på värdcells transkriptomik. Denna metod möjliggjorde generering av komplementära DNA (cDNA) bibliotek innehållande bakteriella transkript från de bakterieassocierade mänskliga cellerna. Med andra ord hjälpte det forskare att kartlägga bakteriella avläsningar till enskilda mänskliga celler.

En reduktionistisk in vitro-samodling tillät forskare att bedöma de direkta interaktionerna mellan en dominerande medlem av den intratumorala mikrobiotan med immun- eller epitelcancerceller. De samodlade CRC-epitelsfäroider med ett F. nucleatum CRC-isolat, följt av inbäddning i kollagenmatriser innehållande neutrofiler jämnt fördelade genom gelén. Därefter använde de levande cellkonfokal mikroskopi för att visualisera, spåra och jämföra de inbäddade neutrofilerna i F. nucleatum-infekterade sfäroider med oinfekterade sfäroider.

Studieresultat

Immunologi e-bok

Sammanställning av de bästa intervjuerna, artiklarna och nyheterna från det senaste året. Ladda ner en gratis kopia

RNAscope-FISH identifierade bakteriella transkript i 46 % och 28 % av fångstfläckarna i CRC- respektive OSCC-tumörer. Bakteriegenera identifierade per fångstställe varierade från en till 42 och en till 31, med en median på åtta och två för OSCC- respektive CRC-tumörerna. I OSCC-tumör identifierade UMI-måttet Parvimonas, Peptoniphilus och Fusobacterium som de mest dominerande bakteriesläktena. Omvänt var de dominerande släktena i CRC-provet Fusobacterium och Bacteroides. Intressant nog hade den senare en storleksordning fler avläsningar och UMI jämfört med OSCC-provet. Samlokaliseringen av samhällen av isolerade släkten och flera olika släkten inom fångstplatser framhävde komplexiteten hos intratumorala mikrobiota-interaktioner mellan dessa två cancertyper.

Bakteriepositiva vävnader i tumörer visade en signifikant ökning av CD11b+ och CD66b+ myeloidceller, men en lägre täthet av CD4+ och CD8+ T-celler. Fallet med närliggande bakterienegativa regioner var annorlunda; detta antydde att den tumörassocierade mikrobiotan hade en mycket lokaliserad effekt. Möjligen rekryterade invasiva bakterier myeloidceller för att inducera ett inflammatoriskt svar genom Janus kinas (JAK) signalomvandlare och activator of transcription (STAT) signalering. Det främjade uteslutning av T-celler och tumörtillväxt genom att utsöndra specifika interleukiner och kemokiner i miljön. Anmärkningsvärt nog genererade intracellulära bakterier gensignaturer i överensstämmelse med cancerinducerad cellinvasion, metastaser, reparation av DNA-skador och cellvila genom att aktivera transkriptionsfaktorer från Jun- och Fos-familjerna.

Kartläggning av bakteriemått från INVADEseq-analys till kommenterade enstaka celler visade att Fusobacterium och Treponema i dessa patienttumörer huvudsakligen var associerade med epitel- och monocythärledda makrofager (cellkluster), med en total bakterieinfektionsfrekvens på 25 % respektive 52 %.

Genuppsättningsanrikningsanalys (GSEA) bekräftade att cellerna inom det bakteriedominerade "epitelcellkluster 3" var cancerceller, med uppreglering av signalvägar involverade i cancerprogression (t.ex. epitel-mesenkymal övergång eller EMT-väg). Rekryteringen och retentionen av neutrofiler i de F. nucleatum-infekterade cancercellsfäroiderna antydde att den intratumorala mikrobiotan spelade en aktiv roll i anrikningen av neutrofiler i bakteriekoloniserade mikronischer av patienttumörer.

De F. nucleatum-infekterade CRC-epitelcellerna lossnade från sfäroidmassan och migrerade som individuella epitelceller in i den omgivande kollagengelen. Däremot sprids oinfekterade cancerepitelceller genom gelén som en sfäroid massa med en genomsnittlig expansionshastighet på 1,34 × 105 µm3 h-1. Invasiva bakterier främjade cancercellsinvasion men förändrade också rörelsemönstren för infekterade cancerceller, och främjade därigenom cellernas heterogenitet på funktionsnivå.

Slutsatser

Studien fann att fördelningen av intratumoral mikrobiota var heterogen i mänskliga tumörer. Trots deras heterogenitet var fördelningen av mikrobiota inom en tumör inte slumpmässig utan mycket organiserad, och mikronischer med immun- och epitelcellsfunktioner stimulerade cancer aktivt. Sammantaget förändrade det biologin hos specifika cellulära fack och påverkade antitumörimmunitet och migration av cancerepitelceller. Enligt författarna kunde den intratumorala mikrobiotan i 33 större cancerformer som hittills upptäckts analyseras med samma verktyg och teknologier.

Hänvisning:

• 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

.