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文献解析之结直肠癌类器官-基质生物库允许对个体化治疗反应

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大家好,今天给大家解读一篇题为Colore ctal Cancer Organoid–Stroma Biobank Allows Subtype-Spe cific Asses sment of Indivi dualized Therapy Respo nses(结直肠癌癌症类器官-Stroma生物库允许对个体化治疗反应进行亚型特异性评估) 在结直肠癌中,肿瘤微环境在预后和治疗效果中起着关键作用。
01
研究背景
在结直肠癌中,肿瘤微环境对预后和治疗效果起着关键作用。患者来源的肿瘤类器官(PDTO)在临床前测试中显示出巨大的潜力;然而,培养的肿瘤细胞失去了重要的特征,包括共识分子亚型(CMS)。为了更好地反映细胞异质性,我们建立了来自 30 名患者的匹配 PDTO 和癌症相关成纤维细胞 (CAF) 的结直肠癌类器官基质生物库。
上下文特异性表型分析表明,异种移植或与 CAF 共培养可提高转录组保真度并指导亚型特异性基质基因表达。此外,共培养中的功能分析暴露了 CMS4 对吉非替尼和 SN-38 的特异性治疗耐药性和预后表达特征。
化学基因组文库筛选确定了基质耐药的患者和治疗依赖性机制,包括 MET 作为常见靶点。我们的研究结果表明,结直肠癌表型在癌症上皮中以可塑性方式加密,这在很大程度上取决于环境。因此,CAF对于忠实地代表分子亚型和体外治疗反应至关重要。
见图一
结直肠癌类器官-基质生物库的临床和遗传特征。

图一
A 一个从原发肿瘤 (T)、匹配类器官 (O) 和成纤维细胞 (F) 收集的生物材料。CRC,结直肠癌;NA,数据不可用;TCGA,癌症基因组图谱;TIS,原位肿瘤;TMA,组织微阵列。
B,实验队列(另见补充表S1)和公开数据(TCGA;参考文献28)的临床参数摘要。
C,在 T 和 O 中检测到的总改变(SNP 和插入缺失;对数刻度),突变一致性。
D 请注意,私有突变在类器官中更常见,这反映了在没有基质的情况下检测灵敏度的提高。
E,癌症驱动基因的复发突变(基于OncoKB)。变异等位基因频率 (VAF) 以颜色编码。该队列中的平均突变频率(右)反映了结直肠癌的公开数据 (28)。另见附表S4。
F,T、O(n = 30)和TCGA数据(n = 319)的平均拷贝数变化;另见补充图S3。
见图二
微环境背景对于转录组亚型的表现至关重要。

图二
A 一个在原发性肿瘤和类器官(每个 n = 30)的匹配样本中以及 NSG 小鼠皮下 PDTO 移植后的 RNA 测序示意图。通过RNA测序分析了异种移植的任意子集(n = 13),并研究了人类reads(h)。有关异种移植生长的信息,请参阅补充表S2。
B,PCA显示肿瘤和类器官之间的转录组学差异以及异种移植物的部分正常化。
C,单样本 GSVA。肿瘤和类器官的无监督聚集;图中显示了最受差异调节的 HALLMARK 特征。注意异种移植类器官中肿瘤特异性特征的恢复。EMT,上皮到间充质转化;OX.,氧气;异种,异种移植。
D,临床样本(Guinney等人;参考文献3)和实验模型(见补充表S5)中的CMS分类。
E,Sankey 图显示肿瘤和类器官之间的重叠较弱,并且在类器官异种移植时一致性增加。
见图三
类器官异种移植可引起亚型特异性基质反应。

图三
A 一个NSG 小鼠 CMS2 衍生 (n = 4) 和 CMS4 衍生 (n = 5) 类器官异种移植后基质基因表达的差异分析。小鼠转录本的火山图(碱平均表达≥10)。显著改变的基因(P < 0.05)被着色。
B 和 C,CMS2 与 CMS4 肿瘤和相应的 PDTO 异种移植物(小鼠读数)中差异表达的 GSEA。研究了成纤维细胞和炎症的MSigDB特征(B)和CMS4特征(C)。显示标准化富集评分 (NES) 和 P 值。
D,匹配TMA的TME的多重荧光分析。对不同细胞群进行定量分析。CAFs由VIM表达定义,并分为α-SMA阳性细胞和α-SMA阴性细胞。CMS2 (n = 9) 和 CMS4 肿瘤 (n = 7) 之间的显着变化被标记 (*, P < 0.05; **, P < 0.01;Mann-Whitney U 检验)。在基于图像的组织分割后确定肿瘤-基质比值(平均值± SD)。
E,对泛细胞角蛋白和波形蛋白染色的 TMA(上图)和异种移植后获得的肿瘤进行组织学分析,对 E-钙粘蛋白和波形蛋白染色的匹配 PDTO(下图)进行异种移植。在每只≥2只动物中复制染色。所有比例尺均为 200 μm。
见图四
共培养可恢复由肿瘤细胞区室确定的亚型特异性结直肠癌表型。

图四
A 一个直接共培养:将荧光素酶转基因PDTOs单细胞分散并与自体或异源CAF共包埋在基质胶中,然后在还原培养基中培养6天。
B–D,交换实验显示自体或异源CAF对类器官数量(B)、面积(C;均在n=4孔中)和活力(D;荧光素酶测定,n=每个孔12孔)的可比影响。这些细胞来源于CMS2(蓝色)或CMS4(绿色)肿瘤。与单独使用类器官相比,通过双侧 t 检验确定显着变化(不等方差、未配对、FDR 1%)。实验显示平均±SD,并独立重复两次。, P < 0.001;**, P < 0.01;*, P < 0.05;n.s., P > 0.05.a.u.,任意单位;相对的,相对的。
E,Transwell 共培养后肿瘤类器官中的 EMT 基因表达。qPCR分析在n=3孔中进行。图中显示的是与单一栽培相比的相对表达(对数2 倍)。反应取决于肿瘤类器官,而不是成纤维细胞的来源。该实验独立重复两次。
F,从 CAF 转移条件培养基 (CM) 后肿瘤类器官 (O11) 中的 EMT 基因表达。在3个孔中各进行实验,并进行Transwell共培养作为对照。显示了来自两个独立实验的合并数据。
G 和 H,Transwell 共培养后类器官 (G) 和 CAF (H) 的 RNA 测序 (RNA-seq)。PCA图显示,肿瘤类器官和CAFs以类似的方式受到自体和异源共培养的影响。请注意,PC1(个体之间的变异)的大小超过了PC2(分离培养条件)。
I 和 J,Transwell 共培养后 CAF 的差异表达分析(F11 和 F17 ±自体 PDTO)。我火山图显示基因发生显著变化(P < 0.05,彩色)。J,GSEA的HALLMARK签名。显示标准化富集评分 (NES) 和 P 值。
K,CAFs和匹配的正常成纤维细胞(NAF)中基因表达的qPCR分析。与自体 PDTO(左)或转移 PDTO CM(右)后跨孔共培养后的相对表达(与单一培养相比)。显示了来自两个独立实验的合并数据。
L,类器官/成纤维细胞共培养 (O+F) 会影响类器官的数量、面积和活力(荧光素酶测定)。在 n = 29 个模型中测量(颜色表示原始 CMS)。采用Wilcoxon匹配对符号秩检验分析显著性。,P < 0.0001。另见附表S7。米,表型(从L开始)与原始肿瘤亚型的Spearman相关性。具有 >1,000 个改变的类器官被定义为错配修复缺陷 (dMMR)。对于共栽培,研究了与单一栽培相比的相对值。采用Mann-Whitney U检验分析显著性;n.s., P > 0.05.Luc,荧光素酶;相对的,相对的。
N,CAF 诱导亚型特异性转录组学特征。肿瘤和体外环境中的单样本 GSVA。无人监督的 clusteCMS2 和 CMS4 衍生肿瘤之间的差异调节 HALLMARK 特征环(n = 9 个)。相应的类器官(以相同的顺序显示)在全培养基中失去亚型特异性特征。在还原(红色)培养基和Transwell与成纤维细胞共培养物中培养后恢复差异。DN,向下;HOMEOST.,稳态;OX,氧化;RESP.,响应。
O,MSigDB 特征的 Pearson 相关性 (GSEA) 与肿瘤的比较。CMS2 (n = 9) 和 dMMR (n = 3)、CMS3 (n = 6) 或 CMS4 (n = 9) 模型之间的归一化富集分数。CAF 共培养选择性地诱导 CMS4 衍生的 PDTO 的相似性。条件如 N。P,PDTOs的CMS和CRIS在不同背景下和匹配肿瘤的一致性。
见图五
CAFs对药物反应的影响取决于肿瘤细胞区室。

图五
A 一个使用荧光素酶/GFP 转导类器官在共培养物中进行药物测试的实验装置。
B 和 C,对 5-FU、奥沙利铂、SN-38 和吉非替尼在单一培养和与自体或异源 CAF 共培养中的敏感性。通过荧光素酶活性(一式三份孔中的平均 ± SD)测量肿瘤细胞活力。药物敏感性的代表性剂量-反应曲线 (B) 和热图 [相对(相对)AUC 与单一培养相比;C]. 重复实验两次。
D,通过双重荧光素酶测定法测量类器官和 CAF 特异性毒性。使用表达萤火虫荧光素酶的类器官和表达肾荧光素酶的匹配CAF进行共培养。热图显示归一化(标准)AUC。与类器官相比,CAFs对所有治疗的敏感性降低。
见图六
共培养暴露了亚型特异性治疗耐药性和个体化药物脆弱性。

图六
A 一个生物样本库中四种临床药物的药理分型(n = 29,颜色表示原始CMS)。通过荧光素酶测量评估单一培养物 (O) 和共培养物 (O+F) 中的肿瘤细胞活力。通过除以每种药物的最大 AUC 值来计算归一化 AUC。, P < 0.0001;n.s.,P > 0.05 (Wilcoxon matched-pairs signed rank 检验)。
B 和 C,药物反应与生长特征(B;数据来自图 4)或原始肿瘤亚型 (C) 之间的 Spearman 相关性。具有 >1,000 个体细胞改变的类器官被定义为 dMMR。显著变化标记为:*,P < 0.05;**,P < 0.01(Mann-Whitney U 检验)。Gef,吉非替尼;Oxa,奥沙利铂;Rel luc,相对荧光素酶。
D和E,不同药物治疗之间的Pearson相关性。单一栽培中的AUC和CAF存在下药物敏感性的相对变化(E;AUCco/AUCmono)被显示。
F,存在 CAF 时差异药物敏感性的热图。数据根据 CAF 药物影响进行排序,代表所有四种治疗的平均相对变化。标记原始肿瘤的CMS。
G 和 H,CAF 药物影响之间的亚型比较,(G) 和单一栽培中的平均 (Avg.) AUC (H)。中位数被标记。与 CMS2 衍生模型相比,共培养在 CMS4- 中诱导的抗性显着更高。Mann-Whitney U 检验 (*, P = 0.029; n.s., P > 0.05)。
I-K,药理学筛查显示患者和治疗特异性耐药机制。在O14和O23中与F14共培养中测试了包含186种药物的化学基因组文库。通过单独或与亚致死浓度的吉非替尼 (I/J) 或 SN-38 (K) 进行比较来分析基质诱导的耐药性。通过转基因类器官中的荧光素酶测量来评估肿瘤细胞活力。显示了来自两个实验重复的平均数据。热门产品包括MET抑制剂(METi;BAY-474)和其他RTK/RAS通路相关蛋白(红色)、BD蛋白抑制剂(蓝色)和细胞凋亡调节因子(紫色)。
L,MET抑制剂治疗以克服吉非替尼耐药性。热图显示了耐药共培养物(AUCco/AUCmono)中吉非替尼的差异反应。添加 1 μmol/L BAY-474 可恢复 9 种测试共培养物中 8 种的灵敏度。**,P < 0.01(Wilcoxon 匹配对有符号秩检验)。米,共培养物(O14 和 O23)中的双荧光素酶测定;1 μmol/L BAY-474 诱导肿瘤细胞(萤火虫,绿色)的脆弱性,但不诱导 CAF(Renilla,红色)的脆弱性。相对于单独使用DMSO的平均活力(三式三份孔中的+SD)。实验独立重复两次。
见图七
类器官基质生物样本库中的药物反应与不同的结直肠癌患者预后有关。

图七
A 一个药物转录组学特征的识别策略(见方法)。
B,小提琴图显示了斯皮尔曼相关系数 (rho) 的转录组分布。过滤敏感性(红色)和抗性(蓝色)基因(rho < −0.5、rho >0.35 和 P < 0.05)。与单一培养和共培养中的绝对反应(5-FU、奥沙利铂、SN-38 和吉非替尼的平均 AUC)和定义为 CAF 药物影响的相对反应(AUCco/AUCmono)的相关性。
C 和 D,与药物敏感性相关的特征的预后价值。公共队列 (GSE39582) 分为高表达组和低表达组。
C,森林图显示高表达组 RFS 的 HR 具有 95% 置信区间 (CI)。特征来自单独使用每种药物的单一培养、共培养和相对变化(AUCco/AUCmono)和平均值的 AUC。对于每个签名,列出基因数量和对数秩统计量(P值)。NA,GSE39582中不存在相关基因。
D,敏感性特征(CAF 药物影响)高(红色)和低(灰色)表达的 Kaplan-Meier 图。
E和F,耐药性相关基因的预后价值。数据如上所示。F,Kaplan-Meier分析,具有源自CAF药物影响的耐药性特征。使用单变量对数秩检验计算 C–F 的 P 值。
02
研究结论
然而,CAF仅代表由免疫细胞和血管细胞等其他元素组成的复杂TME的一个方面。加入巨噬细胞等免疫调节元件 (49) 有助于提供信息丰富的临床前模型,特别是用于免疫治疗 (50)。我们观察到 PDTO 在指导亚型特异性基质变化方面的能力未被重视,这表明共培养中的自组织过程可能被用于解锁癌症的表型可塑性 (51)。然而,在这种复杂性可以被忠实地建模和体外利用之前,我们的结果提供了证据,证明类器官-CAF共培养物有助于释放PDTOs在个性化肿瘤学中的全部潜力。
好了,今天的文献解读就到这儿来,我们下期再见!如果你正在开展临床研究.需要方案设计.数据管理. 数据分析等支持.也随时可以联系我们。
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