В статье, недавно опубликованной в журнале Cell, исследователи обнаружили ДНК и клетки грибков во многих видах рака человека, причем состав сообщества грибков и взаимодействие между грибками и бактериомами зависели от типа рака.
Исследования показали, что опухоли имеют пространственно неоднородные, внутриклеточные и полимикробные сообщества. Ранее было показано, что ограничение питательных веществ в микросреде опухоли (TME) и антибиотики вызывают давление отбора, которое влияет на состав грибково-бактериально-раково-иммунных клеток.
Грибки представляются важными оппортунистическими патогенами, которые формируют иммунитет хозяина и инфицируют раковых больных; однако они недостаточно изучены. Также остается неизвестным, могут ли они быть частью полиморфных микробиомов, характерных для рака. Это послужило достаточной мотивацией для изучения клональной эволюции рака как многовидового процесса и характеристики панракового микобиома. Кроме того, поскольку бактерии и грибы имеют симбиотические и антагонистические отношения в природе, изучение их взаимодействия в опухолях также потенциально может обеспечить синергетическую диагностику конкретного рака (раков).
В данном исследовании ученые профилировали ДНК грибов в двух больших когортах образцов рака - когорте Вейцмана (WIS) и когорте Cancer Genome Atlas (TCGA). Они обследовали пациентов с 35 различными видами рака, получили 17 401 образец тканей, крови и плазмы пациентов и приступили к характеристике их ракового микобиома. Когорта WIS включала 1 183 формалин-фиксированных парафинированных или замороженных образцов опухоли и нормальной прилегающей ткани [(NAT); нередко парные)] из восьми типов тканей, полученных из легких, меланомы, яичников, молочной железы, толстой кишки, мозга, костей и поджелудочной железы, а также нераковой нормальной ткани молочной железы. Вторая когорта включала данные полногеномного секвенирования и секвенирования РНК (RNA-seq).
Авторы исследовали все образцы рака на наличие грибков и охарактеризовали их с помощью секвенирования ампликонов внутреннего транскрибируемого спейсера 2 (ITS2). Далее они провели количественную оценку грибковой ДНК с помощью количественной полимеразной цепной реакции (qPCR) грибкового рибосомного гена 5.8S в случайном подмножестве когорты WIS, включающем 261 опухолевый и 137 отрицательных контрольных образцов. Кроме того, исследователи сравнили данные о наличии (или отсутствии) грибов на различных таксономических уровнях, чтобы оценить внутридоменную информацию для когорты WIS.
Исследования показали, что бактериомы, иммуномы и микобиомы демонстрируют специфичность в отношении типа рака. Таким образом, вполне вероятно, что многодоменные грибковые кластеры различаются по типам рака. Авторы сравнили совпадающие с WIS грибковые и бактериальные роды в TCGA, используя метод нейронной сети, разработанный ранее для оценки совместного присутствия микробиомов и метаболитов. Команда также проверила, связаны ли микотипы с иммунными ответами, от C1 до C6, ранее выявленными у пациентов TCGA, и выживаемостью пациентов. Кроме того, они определили, различает ли машинное обучение (MУ) микобиомы между типами рака и внутри них. Наконец, исследователи применили МУ для оценки микобиомов опухолей I и IV стадии.
Все исследованные опухоли имели более высокую грибковую нагрузку по сравнению с отрицательным контролем, но грибковая нагрузка различалась по типам опухолей, при этом самая высокая грибковая ДНК была обнаружена в раке молочной железы и раке костей. Ампликоны ITS2 и секвенирование также показали больше грибковых данных во всех типах опухолей, чем в отрицательных контролях. Примечательно, что опухоли толстой кишки и легких имели значительно более высокую грибковую нагрузку, чем NAT. Исследователи отметили аналогичную тенденцию в опухолях молочной железы по сравнению с NAT и нормальными тканями.
По сравнению с соответствующими бактериомами, опухолеспецифические грибки имели более низкий уровень разнообразия и численности. Интересно, что хотя грибки присутствовали во всех исследованных типах рака, не все опухоли показывали положительный грибковый сигнал. Однако визуализация показала, что большинство грибов были внутриклеточными, как и внутриопухолевые бактерии. Кроме того, богатство микобиомов было ниже для когорты WIS, чем для когорты TCGA. Интересно, что четыре из семи видов рака, общих для WIS и TCGA, показали значительную положительную корреляцию между внутриопухолевым грибковым и бактериальным разнообразием.
В отличие от бактерий, существует нехватка опубликованных геномов грибов, что ограничивает возможность анализа содержания генов на основе данных ампликонов. Кроме того, низкое содержание грибов в опухолях затрудняет их функциональную характеристику. Однако результаты исследования указывают на Malassezia globosa, вид грибка, который способствует онкогенезу поджелудочной железы. Исследователи также отметили существенные корреляции между некоторыми видами грибов и другими параметрами, такими как возраст, подтипы опухоли и ответ на иммунотерапию. Однако исследователи не смогли определить точную природу этих ассоциаций.
Авторы наблюдали положительные корреляции между микро- и микобиомами при нескольких видах рака. Однако их разнообразие, обилие и совместное присутствие варьировались в зависимости от типа рака. Это дает возможность предположить, что ТМЕ, в отличие от кишечника, могут быть неконкурентным пространством для микробной колонизации, что исследователи назвали "разрешительным" фенотипом. Они назвали эти различные кластеры грибков-бактерий-иммунитета, обусловленные совместным присутствием грибков, микотипами. Например, при раке молочной железы наблюдалось наибольшее количество совпадений грибков с бактериями (96,5%), и основными были виды Aspergillus и Malassezia.
Анализ выявил три микотипа, а именно F1 (Malassezia-Ramularia-Trichosporon), F2 (Aspergillus-Candida) и F3 (несколько родов, включая Yarrowia). Интересно, что лог-коэффициенты микотипов различались по типам рака в TCGA и WIS. Шесть из девяти лог-отношений между доменами TCGA значительно коррелировали (например, грибковые F1/F2 против бактериальных F1/F2), что свидетельствует о сходных сдвигах в многодоменной экологии среди различных видов рака человека и подтверждает предполагаемые совместные совпадения. Более того, логарифмические соотношения иммунных клеток, совместно встречающихся с грибами, объединенными в группы F1, F2 или F3, дифференцировали подтипы иммунного ответа.
Микотипы грибков, присутствующие при раке, имели различные иммунные реакции, которые определяли выживаемость пациентов. Хотя эти грибы были немногочисленны, они были иммунологически мощными, аналогично клеткам программируемой смерти (PD)1+ в иммунотерапии. Ассоциация грибков с клиническими параметрами может позволить выявлять рак на ранних стадиях, что подтверждает их клиническую пользу как потенциальных биомаркеров и терапевтических мишеней. Наконец, анализ выявил грибы, специфичные для стадий рака желудка, прямой кишки и почек, среди образцов RNA-seq, в то время как данные MУ подтвердили дифференциацию стадии рака желудка и почек.
Данное исследование представляет собой первый анализ микобиомов плазмы крови при раке на ранних стадиях. Исследователи обнаружили грибы в 35 типах рака, причем большинство грибов были внутриклеточными внутри раковых и иммунных клеток, аналогично внутриопухолевым бактериям. Хотя они не смогли определить источники грибков, эти виды могут помочь диагностировать рак на ранних стадиях. Кроме того, они обнаружили множественные грибково-бактериально-иммунные экосистемы в разных опухолях. Важно, что внутриопухолевые грибки определяли клинические исходы, включая ответ на иммунотерапию.
