肿瘤内微生物群的微生态位影响癌症的空间和细胞异质性

肿瘤内微生物群的微生态位影响癌症的空间和细胞异质性

在最近发表的一篇文章中 自然 研究人员绘制了肿瘤微环境（TME）内宿主和肿瘤相关细菌的空间、细胞和分子相互作用。 他们使用原位空间分析技术和单细胞核糖核酸测序（scRNA-seq），重点研究胃肠道癌症，特别是口腔鳞状细胞癌（OSCC）和结直肠癌（CRC）。

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

背景

使用动物模型进行的体外和临床前研究为肿瘤相关细菌在至少 33 种主要癌症和转移瘤中的作用提供了分子证据。 成像数据显示细菌标记物与上皮细胞和免疫细胞靶标共定位，表明肿瘤内微生物群可能位于细胞内。

此外，肿瘤内宿主微生物群在免疫监视和化疗耐药中发挥作用。 然而，研究尚未揭示 TME 内这些肿瘤细胞相关生物体的身份以及它们在患者肿瘤中与之相互作用的宿主细胞类型。 此外，它们的空间分布以及与宿主的相互作用是否影响 TME 内的不同功能。

关于学习

在本研究中，研究人员首先评估了门和属水平上的瘤内微生物群的组成。 接下来，他们直观地确认了已识别细菌群落的异质空间分布，包括具核梭杆菌。 为此，他们对 11 名 CRC 患者肿瘤的 44 块组织进行了 16S 核糖体 RNA 基因测序。 此外，他们还针对同一肿瘤样本中具有细菌细胞生物量和细菌阴性区域的密集区室进行 RNAscope 荧光原位杂交 (RNAscope-FISH) 成像。 此外，他们使用独特分子标识符（UMI）指标量化了特定生物体组织的转录负荷。

此外，研究人员使用数字空间分析 (DSP) 平台量化了与抗肿瘤免疫和癌症进展相关的 77 种蛋白质的表达谱。 接下来，他们开发了 INVADEseq 方法来研究 TME 内细菌和宿主细胞之间的相互作用以及对宿主细胞转录组学的影响。 该方法能够生成包含来自细菌相关人类细胞的细菌转录本的互补 DNA (cDNA) 文库。 换句话说，它帮助研究人员将细菌读数映射到单个人类细胞。

还原论的体外共培养方法使研究人员能够评估肿瘤内微生物群的主要成员与免疫或上皮癌细胞的直接相互作用。 他们将 CRC 上皮球体与具核梭菌 CRC 分离株共培养，然后包埋在含有均匀分布在整个凝胶中的中性粒细胞的胶原基质中。 接下来，他们使用活细胞共聚焦显微镜来可视化、跟踪和比较具核梭杆菌感染的球体与未感染的球体中嵌入的中性粒细胞。

研究结果

免疫学电子书

去年热门采访、文章和新闻的汇编。 下载免费副本

RNAscope-FISH 分别在 CRC 和 OSCC 肿瘤中 46% 和 28% 的捕获点中识别出细菌转录本。 每个捕获位点鉴定的细菌属范围为 1 至 42 和 1 至 31，其中 OSCC 和 CRC 肿瘤的中位数分别为 8 和 2。 在 OSCC 肿瘤中，UMI 指标将小单胞菌属、嗜胃杆菌属和梭杆菌属确定为最主要的细菌属。 相反，CRC 样本中的优势属是梭杆菌属和拟杆菌属。 有趣的是，与 OSCC 样本相比，后者的读数和 UMI 数量级高出一个数量级。 捕获位点内孤立属和多个不同属群落的共定位凸显了这两种癌症类型之间瘤内微生物群相互作用的复杂性。

肿瘤中的细菌阳性组织显示 CD11b+ 和 CD66b+ 骨髓细胞显着增加，但 CD4+ 和 CD8+ T 细胞密度较低。 邻近细菌阴性区域的情况有所不同； 这表明肿瘤相关微生物群具有高度局部化的作用。 入侵细菌可能会招募骨髓细胞，通过 Janus 激酶 (JAK) 信号转导器和转录激活子 (STAT) 信号传导诱导炎症反应。 它通过将特定的白细胞介素和趋化因子分泌到环境中来促进 T 细胞排斥和肿瘤生长。 值得注意的是，细胞内细菌通过激活 Jun 和 Fos 家族的转录因子，产生与癌症诱导的细胞侵袭、转移、DNA 损伤修复和细胞静止一致的基因特征。

将 INVADEseq 分析中的细菌指标映射到注释的单细胞表明，这些患者肿瘤中的梭杆菌和密螺旋体主要与上皮和单核细胞衍生的巨噬细胞（细胞簇）相关，总体细菌感染率分别为 25% 和 52%。

基因集富集分析 (GSEA) 证实，以细菌为主的“上皮细胞簇 3”内的细胞是癌细胞，其与癌症进展相关的信号通路（例如上皮间质转化或 EMT 通路）上调。 中性粒细胞在具核梭杆菌感染的癌细胞球体中的募集和保留表明，肿瘤内微生物群在患者肿瘤的细菌定植微生态位中的中性粒细胞富集中发挥了积极作用。

感染具核梭杆菌的结直肠癌上皮细胞从球体团块上脱落，并作为单个上皮细胞迁移到周围的胶原凝胶中。 相比之下，未感染的癌上皮细胞以球体形式通过凝胶扩散，平均扩张率为 1.34 × 105 µm3 h−1。 入侵细菌促进癌细胞入侵，但也改变了受感染癌细胞的运动模式，从而促进功能水平上的细胞异质性。

结论

研究发现，人类肿瘤中瘤内微生物群的分布是异质的。 尽管存在异质性，但肿瘤内微生物群的分布不是随机的，而是高度组织化的，具有免疫和上皮细胞功能的微生态位会积极刺激癌症。 总体而言，它改变了特定细胞区室的生物学，并影响抗肿瘤免疫和癌症上皮细胞迁移。 这组作者表示，迄今为止发现的 33 种主要癌症的瘤内微生物群可以使用相同的工具和技术进行分析。

参考：

• 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

。