Опухоль в организме человека похожа на город в состоянии войны, кишащий раковыми клетками, иммунными клетками, кровеносными сосудами, сигнальными молекулами и окружающей тканью. Простой список этих игроков предоставит некоторую основную информацию об их битве, но не скажет вам их организацию или стратегию.
Команда исследователей получила новое представление об этой организации. Они обнаружили, что иммунные клетки в некоторых колоректальных опухолях человека собираются в кластеры, как солдаты, мобилизующиеся в строю. Используя уникальную комбинацию профилей отдельных клеток и технологий визуализации, а также недавно разработанные подходы к анализу данных, ученые обнаружили уровень пространственной организации клеток, ранее не наблюдавшийся в опухолях.
Результаты, опубликованные в Cell , указывают на сети взаимодействующих иммунных клеток в определенных типах колоректальных опухолей, которые, как правило, более легко «видны» иммунной системой. Это говорит о том, что рак, содержащий эти центры, с большей вероятностью будет реагировать на противораковые препараты, называемые иммунотерапевтическими препаратами, которые побуждают иммунную систему убивать раковые клетки . Ученые из Института Броуда Массачусетского технологического института и Гарварда, Массачусетской больницы общего профиля, Массачусетского технологического института, Центра иммунологических заболеваний Эвергранд при Бригаме и женской больнице и Гарвардской медицинской школы, а также Института рака Дана-Фарбер говорят, что исследование может пролить свет на то, как сделать другие опухоли более чувствительными к такому лечению.
«Анализируя активность каждой клетки в опухоли , мы смогли прислушаться к диалогу между клетками и различить организацию, которая ранее была для нас невидима», - сказал Нир Хакоэн, соавтор исследования, содиректор. из программы Broad Institute's Cell Circuits Program, директор Центра иммунологии рака при Массачусетской больнице общего профиля и профессор Гарвардской медицинской школы.
Другими соавторами являются Ана Андерсон, член института в Броуде, доцент Гарвардской медицинской школы, ученый из Бригама и женской больницы и один из основных преподавателей Центра иммунологических заболеваний Эвергранд; Авив Регев, который был одним из основных сотрудников института Broad, когда началось исследование; и Орит Розенблатт-Розен, который во время исследования был старшим директором отдела геномики единичных клеток в обсерватории клеток Клармана в Броуде.
Опухоли с разными иммунными ответами
На генетическом и молекулярном уровне колоректальный рак можно разделить на два типа. Опухоли с дефицитом репарации несоответствия (MMRd) не исправляют должным образом ошибки в своей ДНК, которые возникают при делении клеток, что приводит к накоплению мутаций в раковых клетках. Эти опухоли часто поддаются новой иммунотерапии. С другой стороны, опухоли, способные к исправлению несоответствия (MMRp), не накапливают столько мутаций и не реагируют на существующие иммунотерапевтические методы.
Докторанты Карин Пелка, Матан Хофри и Джонатан Чен, соавторы нового исследования и сотрудники лабораторий Регева и Хакоэна, хотели исследовать различия между функцией иммунных клеток в опухолях MMRd и MMRp. В сотрудничестве с врачами нескольких больниц Бостона и иммунологами Центра Эвергранд исследователи собрали 34 MMRd и 29 MMRp колоректальных опухолей у пациентов, которые еще не получали никакого лечения. Используя возможности облачных вычислений в Broad, команда проанализировала около 400000 клеток этих опухолей, профилируя их с помощью секвенирования одноклеточной РНК, что позволило им определить, какие гены экспрессируются в каждой отдельной клетке.
«Сложные системы, такие как опухоли, требуют наличия сети исследователей с различным опытом, чтобы взять на себя задачу изучения их клеточной организации», - сказал Андерсон. «Работа с совместной командой из нескольких учреждений - вот что позволило нам провести это уникальное исследование и достичь нового взгляда на то, как иммунные клетки организованы в опухолях».
Ранее исследователи использовали данные такого рода для кластеризации клеток по дискретным категориям, а затем описали паттерны экспрессии генов каждого типа клеток. Однако Хакоэн, Регев, Пелка, Хофри и Чен разработали новый набор подходов к анализу данных для изучения более тонких программ активности генов и того, как программы в разных клетках связаны и координируются друг с другом.
Используя эти новые аналитические инструменты, команда обнаружила, что определенные генные программы и типы клеток присутствуют только в опухолях MMRd, которые более чувствительны к иммунотерапии. Более того, только некоторые подмножества опухолей MMRd показали клеточную активность и генные программы, которые связаны с противоопухолевым иммунитетом.
Хабы иммунной активности
Затем ученые искали генные программы, которые скоординированы друг с другом в разных типах клеток - когда экспрессия одной генной программы повышалась или понижалась, другая программа также изменялась согласованно.
«Мы поняли, что понимание отдельных частей опухолей и типов клеток не говорит нам всей истории», - сказал Пелка. «Нам нужно понимать, что делает каждая ячейка и как ячейки работают вместе друг с другом для выполнения своих задач».
Анализ показал, что злокачественные опухолевые клетки и два типа иммунных клеток - Т-клетки и миелоидные клетки - вероятно, взаимодействуют друг с другом и включают определенные генные программы. Чтобы увидеть, как клетки, экспрессирующие эти генные программы, могут быть организованы внутри опухолей, команда проанализировала образцы опухолей от пациентов под микроскопом, сосредоточив внимание на взаимодействиях между Т-клетками с скоординированными генными программами и раковыми клетками. Это позволило им сосредоточиться на кластерах иммунных клеток глубоко внутри опухолей.
«Изучение совместных программ в разных типах клеток позволило по-новому взглянуть на эту сложную экосистему опухоли», - сказал Регев.
Ученые также отметили более высокую частоту появления концентраторов в опухолях MMRd (которые лучше реагируют на иммунотерапию) по сравнению с опухолями MMRp. Они предполагают, что центры могут быть вовлечены в то, как опухоли реагируют на лечение.
«Было поразительно обнаружить, что некоторые из самых сильных сигналов взаимодействия, которые мы предсказали с помощью нашего вычислительного анализа, действительно наблюдались как пространственно организованные центры клеток», - сказал Хофри.
«Оказывается, иммунология этих опухолей скорее организована, чем распространена повсюду», - сказал Чен. «В частности, когда мы смотрели на опухоли MMRd, были эти четкие структуры, содержащие активные иммунные клетки ».
Исследовательская группа в настоящее время планирует исследования, в которых используются те же подходы для отслеживания того, как иммунные клетки в колоректальных опухолях изменяют свои паттерны экспрессии генов и взаимодействие друг с другом во время лечения иммунотерапией. «Мы надеемся, что это исследование обеспечит основу для будущих исследований, которые исследуют межклеточную организацию при раке», - сказал Розенблатт-Розен.
