Микробные сообщества обитают во многих нишах человеческого организма и являются важными модуляторами иммунной системы хозяина и реакции на противораковую терапию.
В недавнем исследовании ученые применили биоинформационный подход для изучения микробиоты при метастатических злокачественных опухолях, изучив 4160 образцов различных видов рака. Авторы использовали метагеномику, геномику, транскриптомику и клинические данные для создания общеракового репозитория, который может помочь в совершенствовании методов лечения. Они применили два различных вычислительных подхода, PathSeq и Kraken2, для определения сообществ микробиома, обитающих в опухолях, на уровне родов и метагеномной сборки на уровне видов. Затем исследователи сформировали микробиомы метастатических опухолей, определив элементы, влияющие на их состав, и оценив микробные сообщества, характерные для конкретного типа рака. Они оценивали степень гипоксии в метастатических раковых опухолях по характерному профилю генов гипоксии, а затем провели анализ обогащения набора генов (GSEA). Они также выяснили, могут ли микробные сообщества влиять на иммунитет хозяина.
Исследователи изучили связь между грамотрицательными бактериями в метастазах и экспрессией Toll-подобных рецепторов (TLR), а также выяснили, играют ли липополисахариды мертвых или активных бактерий, главную роль в сигнализации TLR4 в метастазах. Кроме того, они проанализировали взаимосвязь между составом бактерий и экспрессией опухолевых генов, а также взаимосвязи между конкретными бактериями и иммунными клетками.
Чтобы глубже понять влияние метастатической гетерогенности и устойчивости микроорганизмов, обитающих в опухоли, с течением времени, ученые исследовали 185 пар из 370 повторных образцов опухолей, полученных от 173 разных людей. Они изучили изменения бактериального обогащения до и после начала лечения опухолей с помощью иммунотерапии, таргетной терапии или гормональной терапии. Они также исследовали уменьшение количества бактерий после иммунотерапии у пациентов, отвечающих на лечение, и выяснили, были ли эти микроорганизмы более распространены у людей, не отвечающих на лечение, до начала терапии. Наконец, они изучили бактериальные сообщества до лечения, связанные с отсутствием ответа на иммуносупрессивные препараты в когорте пациентов с немелкоклеточной карциномой легких, получавших монотерапию блокаторами контрольных точек иммунитета.
Исследователи обнаружили ДНК бактерий, обитающих в опухолях, в когорте пациентов с метастазами рака, а сборка бактериальной ДНК, полученной из опухолей, позволила получить геномную характеристику на уровне видов. Бактериальное разнообразие коррелировало с характеристиками клеточного и молекулярного иммунитета опухоли. В когорте больных немелкоклеточной карциномой легких высокие уровни ДНК фузобактерий означали плохой ответ на иммунотерапию. Исследователи обнаружили органоспецифические тропизмы микробов, обогащение анаэробными бактериями гипоксических опухолей, связь между микробным разнообразием и опухоль-инфильтрирующими нейтрофилами, а также связь фузобактерий с устойчивостью к терапии блокаторами контрольных точек иммунитета при раке легких.
Используя методы картирования и отбора родов для исключения технической контаминации и редко встречающихся родов, авторы составили каталог 165 микробных родов из 3 526 образцов, среди которых 68% составляли факультативные/анаэробные и 49% - грамотрицательные анаэробы. Они построили 514 собранных метагенома (MAGs) среднего и почти высокого качества, используя микробные последовательности, полученные из опухолей. Наиболее распространенными типами опухолей были колоректальная, молочная, предстательная, легочная и меланома, а наиболее частыми местами метастазирования опухолевых образцов были лимфатические узлы, печень и легкие.
Количество бактериальных прочтений, выраженное как доля генетических прочтений, сопоставленных с человеческими, варьировало в зависимости от типа рака: более высокая доля наблюдалась при злокачественных опухолях почек и матки, а меньшая - при опухолях, происходящих из головного и спинного мозга. Метастазы почек и колоректальные метастазы были наиболее разнообразны, но в метастатических опухолях головы и шеи преобладали другие виды микроорганизмов.
Обитающие в опухоли микробные сообщества были связаны с биологией опухоли, при этом наблюдалась сильная корреляция между нагрузкой липополисахаридами и уровнем TLR4, но не с нагрузкой грамположительной липотейхоевой кислоты. Многомерное моделирование по методу пропорциональных рисков Кокса показало, что более низкие показатели общей выживаемости и выживаемости без прогрессирования значительно коррелируют с постоянным обилием Fusobacterium, учитывая геномную мутационную нагрузку. Используя массив данных по раку, исследователи классифицировали все опухоли как Fusobacterium - высокие или Fusobacterium - низкие. В опухолях с высоким содержанием Fusobacterium были значительно снижены профили экспрессии генов цитотоксичности, интерферона-гамма (IFN-γ) и основного комплекса гистосовместимости (MHC) класса II.
Исследование представляет собой первую крупномасштабную панраковую карту внутриопухолевых микробиомов в метастатических злокачественных опухолях, позволяющую изучить их разнообразие в зависимости от анатомических регионов, исходного типа опухоли и реакции на лечение, включая иммунотерапию. Исследование показало, что метастатический микробиом частично состоит из анаэробных бактерий, которые могут изменяться в процессе лечения. Анализ данных также обнаружил связь между внутриопухолевыми микроорганизмами и активацией путей врожденного иммунитета, что указывает на изменение микроокружения опухоли путем прямой идентификации бактериальных лигандов. Кроме того, долгосрочный отбор проб опухоли позволил выявить временную эволюцию микробных сообществ и определить бактерии, истощающиеся при блокаде иммунных контрольных точек. В совокупности авторы создали панраковый ресурс микробиома метастатических опухолей, который может способствовать совершенствованию стратегий лечения.
