Tumorassoziierte Mikrobiota ist ein wichtiger Bestandteil der Tumormikroumgebung (TME) bei 33 Krebsarten beim Menschen. Es liegen jedoch nur wenige Hinweise zur räumlichen Verteilung und Lokalisierung dieser Mikroben in Tumorzellen vor.
Um diese Lücke in der Forschung zu schließen, wurde kürzlich eine Natur Zeitschriftenstudie untersuchte räumliche, zelluläre und molekulare Wirt-Mikroben-Wechselwirkungen bei oralem Plattenepithelkarzinom (OSCC) und Darmkrebs (CRC). In dieser Studie kartierten die Wissenschaftler zelluläre, räumliche und molekulare Wechselwirkungen zwischen Wirt und Bakterium innerhalb der TME mithilfe von Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) und räumlichen Profiling-Technologien in situ.
Hintergrund
Typischerweise umfassen die Tumore von Krebspatienten bösartige Zellen, die von einem zusammengesetzten Netzwerk nicht-bösartiger Zellen umgeben sind. Diese Zellen können je nach Häufigkeit und Typ pro- oder antitumorigene Wirkungen aufweisen. Sowohl In-vitro- als auch In-vivo-Experimente haben das Vorhandensein von Bakterien in der tumorassoziierten Mikrobiota gezeigt, die eine wichtige Rolle bei der Krebsentstehung, Immunüberwachung, Metastasierung und Chemoresistenz spielen. Molekularanalysen und Bioimaging-Daten haben auch die Existenz intratumoraler Mikrobiota bei allen wichtigen Krebsarten gezeigt.
Es fehlt an Beweisen für die spezifische Identität von Wirtszellen, durch die tumorassoziierte Mikroben mit den Tumorzellen von Krebspatienten interagieren. Darüber hinaus wurden nur wenige Beweise für die Identifizierung spezifischer Zellen dokumentiert, die Organismen beherbergen. Die Auswirkung präziser zellulärer Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikroben und der räumlichen Verteilung der intratumoralen Mikrobiota auf ihre funktionellen Fähigkeiten innerhalb von TME ist nicht offensichtlich.
Über das Studium
Die 16S-rRNA-Gensequenzierung von Tumorgeweben von CRC-Patienten zeigte das Vorhandensein verschiedener Bakterien, einschließlich Fusobacterium. Die Häufigkeit dieser Bakterien war bei CRC-Patienten unterschiedlich. Dendrogrammanalysen und Hauptkomponentenanalysen mit Beta-Diversity-Clustering zeigten, dass die Mehrheit der Krebspatienten eine relativ stabile Mikrobiomzusammensetzung aufwies. Dennoch zeigten die meisten Patienten unterschiedliche Grade an Heterogenität in der Zusammensetzung des intratumoralen Mikrobioms.
Die RNAscope-Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierungs-Bildgebung (RNAscope-FISH) bestätigte die heterogene räumliche Verteilung von Bakteriengemeinschaften in TME. RNAscope-FISH-basierte Daten zeigten das Vorhandensein von Fusobacterium nucleatum, was durch Mikrobiomanalyse und quantitative PCR-Technik weiter validiert wurde.
10x Visium Spatial Transcriptomics wurde auch verwendet, um die räumliche Verteilung der intratumoralen Mikrobiota von CRC- und OSCC-Proben zu erkennen und zu analysieren. Dieser Ansatz identifizierte 28 % der eingefangenen Spots in OSCC-Tumoren und 46 % der CRC-Tumoren.
Beim OSCC-Tumor erwiesen sich Parvimonas, Peptoniphilus und Fusobacterium als dominante Stämme, während Fusobacterium und Bacteroides beim CRC-Tumor dominante Gattungen waren.
Die 10x Visium Spatial Transcriptomics-Technik ermöglichte den direkten Nachweis, die Quantifizierung und die räumliche Kartierung lebensfähiger Bakterien im intakten Tumorgewebe von Krebspatienten. Es wies ferner auf die Komplexität der intratumoralen Mikrobiota-Interaktionen zwischen Tumorgeweben hin.
Die Digital Spatial Profiling (DSP)-Plattform GeoMx half bei der Quantifizierung des Expressionsprofils von 77 Proteinen, die mit dem Fortschreiten von Krebs und der Anti-Tumor-Immunität in Verbindung stehen. Diese Technik, kombiniert mit RNAscope und dem Immunhistochemie (IHC)-Ansatz, zeigte, dass Bakteriengemeinschaften stark immunsuppressive Mikronischen bevölkern und nicht stark vaskularisiert sind. Darüber hinaus neigen Bakterienstämme dazu, bösartige Zellen mit reduzierten Ki-67-Spiegeln zu besiedeln.
Die INVADEseq-Technik (Invasion-Adhesion-Directed Expression Sequencing) wurde entwickelt, um die Wechselwirkung zwischen Bakterien und Wirtszellen innerhalb der TME und die Auswirkungen auf die Transkriptomik der Wirtszelle zu bewerten. Diese Technik ist mit der Einführung eines Primers verbunden, um auf konservierte Regionen der bakteriellen 16S-rRNA abzuzielen. Anschließend können cDNA-Bibliotheken mit bakteriellen Transkripten aus den bakterienassoziierten menschlichen Zellen hergestellt werden. Einer der entscheidenden Aspekte dieses Verfahrens ist, dass die Einführung des Primers das Genexpressionsprofil menschlicher CRC-Zellen nicht beeinflusst.
Die INVADEseq-Technik wurde unter Verwendung der humanen CRC-Zelllinie HCT116 validiert, die mit Bakterienarten infiziert war, nämlich F. nucleatum, Porphyromonas gingivalis und Prevotella intermedia. Es ermöglichte die Kartierung von Bakterienpopulationen in einzelnen menschlichen Zellen. Wichtig ist, dass INVADEseq die Rolle von F. nucleatum und P. gingivalis bei der Beeinflussung der Heterogenität von Krebszellen bestätigte. Diese Bakterienstämme verändern bestimmte Transkriptionsprogramme, die bei der spezifischen Zellclusterbildung helfen. Die Veränderung der Transkriptionswege ist auch mit der Manifestation von Entzündung, Zellruhe, Metastasierung und DNA-Reparatur verbunden.
Schlussfolgerungen
Die vorliegende Studie ergab, dass mit Bakterien infizierte Krebszellen ihre Umgebung als einzelne Zelle beeinflussen, die anschließend myeloide Zellen in das bakterielle Territorium einsetzt. Bemerkenswerterweise wurde festgestellt, dass das Mikrobiom innerhalb des Tumors kein zufälliges Phänomen ist. Stattdessen wurde festgestellt, dass das Vorhandensein von Bakterien innerhalb eines Tumors ein hoch organisierter Prozess in Mikronischen mit Immun- und Epithelzellfunktionen ist, die das Fortschreiten des Krebses beeinflussen.
Obwohl sich die aktuelle Studie auf zwei Krebsarten konzentrierte, könnten die Werkzeuge und Techniken verwendet werden, um alle wichtigen Krebsarten und solche mit intratumoraler Mikrobiota zu untersuchen.
Referenz:
- Niño, JLG, Wu, H., LaCourse, KD et al. (2022) Wirkung der intratumoralen Mikrobiota auf die räumliche und zelluläre Heterogenität bei Krebs. Natur. https://doi.org/10.1038/s41586-022-05435-0, https://www.nature.com/articles/s41586-022-05435-0
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