Mikronischen der intratumoralen Mikrobiota beeinflussen die räumliche und zelluläre Heterogenität bei Krebs

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel in Naturkartierten die Forscher räumliche, zelluläre und molekulare Wechselwirkungen von Wirts- und tumorassoziierten Bakterien innerhalb der Tumormikroumgebung (TME). Sie verwendeten räumliche Profiling-Technologien in situ und Einzelzell-Ribonukleinsäuresequenzierung (scRNA-seq) und konzentrierten sich dabei auf Magen-Darm-Krebs, insbesondere orales Plattenepithelkarzinom (OSCC) und Darmkrebs (CRC).

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

Hintergrund

In-vitro- und präklinische Studien mit Tiermodellen haben molekulare Beweise für die Rolle tumorassoziierter Bakterien bei mindestens 33 wichtigen Krebsarten und Metastasen erbracht. Bildgebungsdaten haben die Co-Lokalisierung bakterieller Marker mit epithelialen und Immunzellzielen gezeigt, was darauf hindeutet, dass die intratumorale Mikrobiota intrazellulär sein könnte.

Darüber hinaus spielen intratumorale Wirtsmikrobiota eine Rolle bei der Immunüberwachung und Chemoresistenz. Studien haben jedoch die Identität dieser mit Tumorzellen assoziierten Organismen innerhalb der TME und der Wirtszelltypen, mit denen sie in Patiententumoren interagieren, nicht aufgedeckt. Darüber hinaus, ob ihre räumliche Verteilung und Wechselwirkungen mit dem Wirt verschiedene funktionelle Fähigkeiten innerhalb der TME beeinflussen.

Über das Studium

In der vorliegenden Studie bewerteten die Forscher zunächst die Zusammensetzung der intratumoralen Mikrobiota auf Phylum- und Gattungsebene. Als nächstes bestätigten sie visuell die heterogene räumliche Verteilung der identifizierten Bakteriengemeinschaften, einschließlich Fusobacterium nucleatum. Zu diesem Zweck führten sie eine 16S-ribosomale RNA-Gensequenzierung an 44 Gewebestücken aus den Tumoren von 11 Patienten mit CRC durch. Darüber hinaus zielten sie auf die RNAscope-Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (RNAscope-FISH)-Bildgebung von dicht besiedelten Kompartimenten mit bakterieller Zellbiomasse und bakteriennegativen Bereichen innerhalb derselben Tumorprobe ab. Darüber hinaus quantifizierten sie die Transkriptionslast des Gewebes bestimmter Organismen unter Verwendung der Unique Molecular Identifiers (UMI)-Metrik.

Darüber hinaus quantifizierten die Forscher das Expressionsprofil von 77 Proteinen, die mit der Anti-Tumor-Immunität und dem Fortschreiten von Krebs assoziiert sind, unter Verwendung einer Plattform für digitale räumliche Profilerstellung (DSP). Als nächstes entwickelten sie die INVADEseq-Methode, um die Wechselwirkung zwischen Bakterien und Wirtszellen innerhalb des TME und die Auswirkungen auf die Transkriptomik der Wirtszelle zu untersuchen. Dieses Verfahren ermöglichte die Erzeugung komplementärer DNA (cDNA)-Bibliotheken mit bakteriellen Transkripten aus den bakterienassoziierten menschlichen Zellen. Mit anderen Worten, es half den Forschern, bakterielle Lesevorgänge einzelnen menschlichen Zellen zuzuordnen.

Ein reduktionistischer In-vitro-Kokulturansatz ermöglichte es den Forschern, die direkten Wechselwirkungen eines dominanten Mitglieds der intratumoralen Mikrobiota mit Immun- oder Epithelkrebszellen zu bewerten. Sie kokultivierten CRC-Epithel-Sphäroide mit einem F. nucleatum-CRC-Isolat, gefolgt von der Einbettung in Kollagenmatrizen, die gleichmäßig über das Gel verteilte Neutrophile enthielten. Als nächstes verwendeten sie konfokale Lebendzellenmikroskopie, um die eingebetteten Neutrophilen in mit F. nucleatum infizierten Sphäroiden zu visualisieren, zu verfolgen und mit nicht infizierten Sphäroiden zu vergleichen.

Studienergebnisse

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RNAscope-FISH identifizierte bakterielle Transkripte in 46 % bzw. 28 % der Capture-Spots in CRC- bzw. OSCC-Tumoren. Bakteriengattungen, die pro Einfangstelle identifiziert wurden, reichten von eins bis 42 und eins bis 31, mit einem Median von acht und zwei bei den OSCC- bzw. CRC-Tumoren. Beim OSCC-Tumor identifizierte die UMI-Metrik Parvimonas, Peptoniphilus und Fusobacterium als die dominantesten Bakteriengattungen. Umgekehrt waren die dominierenden Gattungen in der CRC-Probe Fusobacterium und Bacteroides. Interessanterweise hatte letzteres im Vergleich zum OSCC-Exemplar eine Größenordnung mehr Reads und UMIs. Die Kolokalisierung von Gemeinschaften isolierter Gattungen und mehrerer verschiedener Gattungen innerhalb von Fangstellen verdeutlichte die Komplexität der intratumoralen Mikrobiota-Interaktionen zwischen diesen beiden Krebsarten.

Bakterien-positive Gewebe in Tumoren zeigten einen deutlichen Anstieg der myeloiden CD11b+- und CD66b+-Zellen, aber eine geringere Dichte an CD4+- und CD8+-T-Zellen. Der Fall mit benachbarten bakteriennegativen Regionen war anders; dies deutete darauf hin, dass die tumorassoziierte Mikrobiota eine stark lokalisierte Wirkung hatte. Möglicherweise rekrutierten invasive Bakterien myeloische Zellen, um eine Entzündungsreaktion durch Januskinase (JAK)-Signalumwandler und Aktivator der Transkription (STAT)-Signalübertragung zu induzieren. Es förderte den Ausschluss von T-Zellen und das Tumorwachstum, indem es spezifische Interleukine und Chemokine in die Umgebung absonderte. Bemerkenswerterweise erzeugten intrazelluläre Bakterien Gensignaturen, die mit krebsinduzierter Zellinvasion, Metastasierung, Reparatur von DNA-Schäden und Zellruhe übereinstimmen, indem sie Transkriptionsfaktoren aus den Familien Jun und Fos aktivierten.

Die Zuordnung von bakteriellen Messwerten aus der INVADEseq-Analyse zu annotierten Einzelzellen zeigte, dass Fusobacterium und Treponema in diesen Patiententumoren überwiegend mit den epithelialen und von Monozyten stammenden Makrophagen (Zellclustern) assoziiert waren, mit einer bakteriellen Gesamtinfektionsrate von 25 % bzw. 52 %.

Die Gene-Set-Enrichment-Analyse (GSEA) bestätigte, dass es sich bei den Zellen innerhalb des bakteriendominierten „Epithelzell-Clusters 3“ um Krebszellen handelte, mit einer Hochregulierung von Signalwegen, die an der Krebsprogression beteiligt sind (z. B. Epithel-Mesenchym-Übergang oder EMT-Weg). Die Rekrutierung und Retention von Neutrophilen in den mit F. nucleatum infizierten Krebszell-Sphäroiden deutete darauf hin, dass die intratumorale Mikrobiota eine aktive Rolle bei der Anreicherung von Neutrophilen in bakterienbesiedelten Mikronischen von Patiententumoren spielte.

Die mit F. nucleatum infizierten CRC-Epithelzellen lösten sich von der Sphäroidmasse und wanderten als einzelne Epithelzellen in das umgebende Kollagengel. Im Gegensatz dazu breiteten sich nicht infizierte Krebsepithelzellen durch das Gel als sphäroide Masse mit einer durchschnittlichen Expansionsrate von 1,34 × 105 µm3 h−1 aus. Invasive Bakterien förderten die Invasion von Krebszellen, veränderten aber auch die Bewegungsmuster infizierter Krebszellen und förderten dadurch die Zellheterogenität auf funktioneller Ebene.

Schlussfolgerungen

Die Studie ergab, dass die Verteilung der intratumoralen Mikrobiota bei menschlichen Tumoren heterogen war. Trotz ihrer Heterogenität war die Verteilung der Mikrobiota innerhalb eines Tumors nicht zufällig, sondern hochgradig organisiert, und Mikronischen mit Immun- und Epithelzellfunktionen stimulierten Krebs aktiv. Insgesamt veränderte es die Biologie bestimmter Zellkompartimente und beeinflusste die Anti-Tumor-Immunität und die Migration von Krebsepithelzellen. Laut den Autoren könnte die intratumorale Mikrobiota in 33 bisher entdeckten Hauptkrebsarten mit denselben Werkzeugen und Technologien analysiert werden.

Referenz:

• 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

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