Nat Med | 통합 종양 매핑을 위한 다중 오믹스 접근법

Nat Med | 대장암의 통합된 종양, 면역 및 미생물 환경을 매핑하기 위한 다중 오믹스 접근법은 미생물 군집과 면역 체계의 상호 작용을 밝힙니다.
최근 몇 년 동안 원발성 대장암 바이오마커에 대한 연구가 활발히 진행되었지만, 현재의 임상 지침은 표준 병리 검사 외에도 종양-림프절-전이 병기 결정과 DNA 불일치 복구(MMR) 결함 또는 현미부수체 불안정성(MSI) 검출에만 의존하여 치료 권고안을 결정합니다. 연구자들은 암 유전체 아틀라스(TCGA) 대장암 코호트에서 유전자 발현 기반 면역 반응, 미생물 프로파일, 종양 기질과 환자 생존율 간의 연관성이 부족하다는 점을 지적했습니다.

연구가 진행됨에 따라 암세포, 면역, 기질 또는 미생물의 특성을 포함한 원발성 대장암의 양적 특성이 임상적 결과와 유의미하게 상관관계가 있는 것으로 보고되었지만 이러한 특성의 상호 작용이 환자 결과에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해는 여전히 제한적입니다.
표현형 복잡성과 예후 간의 관계를 분석하기 위해, 카타르 시드라 의학연구소 연구팀은 최근 미생물군집 특성과 면역거부상수(ICR)를 결합하여 우수한 생존율을 보이는 환자군을 식별하는 통합 점수(mICRoScore)를 개발하고 검증했습니다. 연구팀은 원발성 대장암 환자 348명의 신선 동결 검체에 대한 포괄적인 유전체 분석을 수행했습니다. 이 분석에는 종양과 건강한 대장 조직의 RNA 염기서열 분석, 전체 엑솜 염기서열 분석, 심부 T 세포 수용체 및 16S 박테리아 rRNA 유전자 염기서열 분석이 포함되었으며, 미생물군집의 특성을 더욱 명확히 규명하기 위해 전체 종양 유전체 염기서열 분석이 추가로 수행되었습니다. 이 연구는 Nature Medicine에 "대장암의 통합 종양, 면역 및 미생물군집 지도(An integrated tumor, immunity and microbiome atlas of colon cancer)"라는 제목으로 게재되었습니다.

Nature Medicine에 게재된 논문

AC-ICAM 개요

연구진은 직교 유전체 플랫폼을 사용하여 전신 치료를 받지 않은 대장암 조직학적 진단을 받은 환자의 신선 동결 종양 샘플과 인접한 건강한 대장 조직(종양-정상 쌍)을 분석했습니다. 전체 엑솜 시퀀싱(WES), RNA-seq 데이터 품질 관리, 그리고 포함 기준 스크리닝을 기반으로 348명의 환자로부터 얻은 유전체 데이터를 확보하여 후속 분석에 사용했으며, 추적 기간은 중앙값 4.6년이었습니다. 연구팀은 이 자료에 "Sidra-LUMC AC-ICAM: 면역-암-미생물군집 상호작용 지도 및 가이드(그림 1)"라는 이름을 붙였습니다.

ICR을 이용한 분자 분류

연구팀은 지속적인 암 면역 감시를 위한 모듈형 면역 유전자 마커 세트인 면역 거부 상수(ICR)를 확보하고, 이를 흑색종, 방광암, 유방암 등 다양한 암 유형을 포괄하는 20개 유전자 패널로 압축하여 최적화했습니다. ICR은 유방암을 포함한 다양한 암 유형에서 면역요법 반응과도 관련이 있는 것으로 나타났습니다.

먼저, 연구진은 ICR 유전자 기반 공동 분류법을 사용하여 AC-ICAM 코호트의 ICR 특징을 검증했습니다. 이 코호트를 세 가지 클러스터/면역 아형, 즉 높은 ICR(열성 종양), 중간 ICR, 낮은 ICR(냉성 종양)으로 분류했습니다(그림 1b). 연구진은 전사체 기반 대장암 분류인 합의 분자 아형(CMS)과 관련된 면역 성향을 분석했습니다. CMS 범주에는 CMS1/면역, CMS2/정형, CMS3/대사, CMS4/중간엽이 포함되었습니다. 분석 결과, ICR 점수는 모든 CMS 아형에서 특정 암세포 경로와 음의 상관관계를 보였으며, 면역억제 및 기질 관련 경로와는 CMS4 종양에서만 양의 상관관계가 관찰되었습니다.

모든 CMS에서 자연 살해 세포(NK)와 T 세포 하위 집단의 풍부함은 ICR 높은 면역 하위 집단에서 가장 높았고, 다른 백혈구 하위 집단에서 더 큰 변동성을 보였습니다(그림 1c). ICR 면역 하위 집단은 OS와 PFS가 달랐으며, ICR은 낮음에서 높음으로 점진적으로 증가했습니다(그림 1d). 이는 대장암에서 ICR의 예후적 역할을 입증했습니다.

그림 1. AC-ICAM 연구 설계, 면역 관련 유전자 특징, 면역 및 분자 하위 유형과 생존.
ICR은 종양이 풍부하고 클론적으로 증폭된 T 세포를 포착합니다.
종양 조직에 침투하는 T 세포 중 소수(10% 미만)만이 종양 항원에 특이적인 것으로 보고되었습니다. 따라서 종양 내 T 세포의 대부분은 방관자 T 세포(bystander T cells)로 불립니다. 생산적인 TCR을 가진 기존 T 세포의 수와 가장 강한 상관관계는 기질 세포 및 백혈구 아형(RNA-seq로 검출)에서 관찰되었으며, 이는 T 세포 아형을 추정하는 데 사용될 수 있습니다(그림 2a). ICR 클러스터(전체 및 CMS 분류)에서 면역 SEQ TCR의 가장 높은 클론성은 ICR-high 및 CMS 아형 CMS1/immune 군에서 관찰되었으며(그림 2c), ICR-high 종양의 비율이 가장 높았습니다. 전체 전사체(18,270개 유전자)를 분석한 결과, 6개의 ICR 유전자(IFNG, STAT1, IRF1, CCL5, GZMA, CXCL10)가 TCR 면역 서열 클론성과 양의 상관관계를 보이는 상위 10개 유전자에 포함되었습니다(그림 2d). ImmunoSEQ TCR 클론성은 종양 반응성 CD8+ 마커를 사용하여 관찰된 상관관계보다 대부분의 ICR 유전자와 더 강한 상관관계를 보였습니다(그림 2f 및 2g). 결론적으로, 위 분석은 ICR 시그니처가 종양이 풍부하고 클론적으로 증폭된 T 세포의 존재를 포착하며, 그 예후적 의미를 설명할 수 있음을 시사합니다.

그림 2. TCR 지표와 면역 관련 유전자, 면역 및 분자 하위 유형과의 상관관계.
건강한 조직과 대장암 조직의 미생물군 구성
연구진은 246명의 환자로부터 일치하는 종양 조직과 건강한 대장 조직에서 추출한 DNA를 사용하여 16S rRNA 시퀀싱을 수행했습니다(그림 3a). 검증을 위해, 연구진은 분석에 사용할 수 있는 정상 DNA가 일치하지 않는 42개의 종양 샘플에서 얻은 16S rRNA 유전자 시퀀싱 데이터를 추가로 분석했습니다. 먼저, 연구진은 일치하는 종양과 건강한 대장 조직 간의 상대적인 미생물 군집 풍부도를 비교했습니다. 건강한 샘플에 비해 종양에서 클로스트리디움 퍼프린젠스가 유의하게 증가했습니다(그림 3a-3d). 종양 샘플과 건강한 샘플 간에 알파 다양성(단일 샘플 내 종의 다양성과 풍부도)에는 유의한 차이가 없었으며, ICR-높은 종양에서 ICR-낮은 종양에 비해 미생물 다양성이 약간 감소한 것으로 관찰되었습니다.
미생물 프로필과 임상 결과 간의 임상적으로 유의미한 연관성을 파악하기 위해, 연구진은 16S rRNA 유전자 시퀀싱 데이터를 사용하여 생존을 예측하는 미생물군집 특징을 파악하고자 했습니다. AC-ICAM246에서 연구진은 MBR 분류기라고 불리는 계수가 0이 아닌(차등 사망 위험과 관련됨) 41개의 특징을 선택하여 OS Cox 회귀 모델을 실행했습니다(그림 3f).
이 훈련 코호트(ICAM246)에서 낮은 MBR 점수(MBR<0, 낮은 MBR)는 사망 위험(85%)을 유의하게 낮추는 것과 관련이 있었습니다. 연구진은 독립적으로 검증된 두 코호트(ICAM42 및 TCGA-COAD)에서 낮은 MBR(위험)과 장기 생존(OS) 간의 연관성을 확인했습니다. (그림 3) 이 연구는 위내 구균과 MBR 점수 사이에 강한 상관관계를 보였으며, 종양 조직과 건강한 대장 조직에서 이러한 상관관계는 유사했습니다.

그림 3. 종양 조직과 건강한 조직의 미생물 군집과 ICR 및 환자 생존율과의 관계.
결론
본 연구에서 사용된 다중 오믹스 접근법은 대장암에서 면역 반응의 분자적 특징을 철저히 검출하고 분석할 수 있게 하며, 미생물군집과 면역 체계 간의 상호작용을 밝혀냅니다. 종양 및 건강한 조직의 심층 TCR 시퀀싱을 통해 ICR의 예후 효과는 종양이 풍부하고 종양 항원 특이적인 T 세포 클론을 포획하는 능력 때문일 수 있음을 확인했습니다.

연구팀은 AC-ICAM 샘플에서 16S rRNA 유전자 시퀀싱을 사용하여 종양 마이크로바이옴 구성을 분석함으로써 강력한 예후적 가치를 지닌 마이크로바이옴 시그니처(MBR 위험 점수)를 확인했습니다. 이 시그니처는 종양 샘플에서 추출되었지만, 건강한 대장과 종양 MBR 위험 점수 사이에는 강한 상관관계가 존재하여, 이 시그니처가 환자의 장내 마이크로바이옴 구성을 포착할 수 있음을 시사합니다. ICR 점수와 MBR 점수를 결합하여 대장암 환자의 생존율을 예측하는 다중 오믹 학생 바이오마커를 확인하고 검증할 수 있었습니다. 이 연구의 다중 오믹 데이터세트는 대장암 생물학을 더 잘 이해하고 개인 맞춤형 치료 접근법을 개발하는 데 도움이 되는 자료를 제공합니다.

참조:
Roelands, J., Kuppen, PJK, Ahmed, EI 등. 대장암의 통합된 종양, 면역 및 미생물군집 지도입니다. Nat Med 29, 1273–1286(2023).