Revealing molecular mechanisms of early-onset tongue cancer by spatial transcriptomics
กลไกระดับโมเลกุลของมะเร็งลิ้นที่เกิดขึ้นในผู้อายุน้อย
ด้วยเทคโนโลยีถอดรหัสทรานสคริปต์ตามตำแหน่ง Spatial Transcriptomics
มะเร็งลิ้นชนิด squamous cell carcinoma (TSCC) ถือเป็นหนึ่งในมะเร็งที่พบได้บ่อยที่สุดในช่องปาก โดยเฉพาะในผู้ที่มีปัจจัยเสี่ยงชัดเจน เช่น การสูบบุหรี่ ดื่มแอลกอฮอล์ หรือการติดเชื้อ HPV อย่างไรก็ตาม แนวโน้มที่น่าสนใจในช่วงทศวรรษหลังคือการเพิ่มขึ้นของ ผู้ป่วย TSCC ในกลุ่มอายุน้อย (early-onset; <50 ปี) ที่มักไม่มีปัจจัยเสี่ยงแบบดั้งเดิม โดยเฉพาะในผู้หญิง มีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในแต่ละปี การเปลี่ยนแปลงทางระบาดวิทยานี้นำไปสู่คำถามสำคัญทางการแพทย์และวิทยาศาสตร์ว่า อะไรคือกลไกระดับโมเลกุลที่ทำให้เกิดมะเร็งในคนอายุน้อย โดยไม่มีปัจจัยเสี่ยงแบบดั้งเดิม และมะเร็งในกลุ่มนี้แตกต่างจากมะเร็งในผู้สูงอายุอย่างไรในเชิงชีววิทยา
เทคโนโลยี spatial transcriptomics ช่วยให้สามารถวิเคราะห์ transcriptome ของเซลล์แต่ละเซลล์ได้ในตำแหน่งที่เป็นต้นกำเนิดของมันภายในเนื้อเยื่อ งานวิจัยล่าสุดได้สร้างแผนที่ spatial transcriptome ของมะเร็งช่องปากระยะเริ่มต้น รอยโรคลักษณะก่อนมะเร็งที่อยู่ติดกัน และบริเวณปกติที่จับคู่กัน พบว่าเทคนิคนี้สามารถแยกความแตกต่างทางชีววิทยาระหว่างบริเวณแกนกลางกับขอบของเนื้องอก และตรวจพบรูปแบบการแสดงออกของยีนที่สัมพันธ์กับพยากรณ์โรค
ในการศึกษานี้ มีวัตถุประสงค์เพื่อสำรวจลักษณะทาง transcriptomics ของ TSCC ที่เกิดขึ้นในวัยหนุ่มสาวเทียบกับผู้สูงอายุ โดยพบว่ามียีนใน MAPK Pathway และ JAK-STAT Pathway แสดงออกในเซลล์เนื้องอก พร้อมทั้งการลดลงของแอนติเจน และการเพิ่มขึ้นของเซลล์กดภูมิคุ้มกัน myeloid-derived suppressor cell และแมคโครฟาจที่เกี่ยวข้องกับเนื้องอก ซึ่งร่วมกันส่งเสริมการเกิด vascular mimicry (การเลียนแบบโครงสร้างหลอดเลือด) นอกจากนี้ยังพบการสะสมของพลาสมาเซลล์และลิมโฟไซต์ในโครงสร้างต่อมน้ำเหลืองทุติยภูมิ (tertiary lymphoid structures, TLSs) ที่บริเวณหน้ารุกลามของเนื้องอกในผู้ป่วยอายุน้อย ผลลัพธ์เหล่านี้ร่วมกันให้ข้อมูลสำคัญที่อาจอธิบายกลไกของ TSCC ที่เกิดขึ้นตั้งแต่อายุน้อย และสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการศึกษาต่อไปในอนาคต
ภาพ 1 การศึกษาทรานสคริปโตมิกส์เชิงพื้นที่ของมะเร็งลิ้นชนิดเซลล์สแควมัสที่เกิดในวัยหนุ่มสาว (early-onset TSCC)
A. ภาพรวมของกลุ่มตัวอย่าง
- ภาพรวมของชนิดเซลล์ที่ตรวจพบ
C. การระบุคลัสเตอร์โดยใช้ตัวบ่งชี้ชนิดเซลล์
D. แผนภาพแสดงค่าเฉลี่ยสะสมของ logFC (log fold change) สำหรับยีน (p ปรับแก้ < 0.05) ที่มีการแสดงออกต่างกันระหว่างมะเร็งลิ้นที่เกิดในวัยหนุ่มสาวและในวัยสูงอายุ:
- logFC > 0 หมายถึงยีนที่มีการแสดงออกเพิ่มขึ้นในมะเร็งลิ้นที่เกิดในวัยหนุ่มสาว
- logFC < 0 หมายถึงยีนที่มีการแสดงออกลดลงในมะเร็งลิ้นที่เกิดในวัยหนุ่มสาว
(ใช้การทดสอบ Wilcoxon rank-sum แบบสองด้าน พร้อมการปรับค่าโดยวิธี Bonferroni)
เทคโนโลยี Spatial Transcriptomics: เปลี่ยนภาพ "มะเร็ง" จาก 2D เป็น 3D
เพื่อไขคำตอบนี้ นักวิจัยนำเทคโนโลยีล้ำสมัยอย่าง Spatial Transcriptomics เข้ามาช่วยวิเคราะห์ โดยความโดดเด่นของเทคโนโลยีนี้คือ:
- วิเคราะห์การแสดงออกของยีนได้พร้อมกับรู้ “ตำแหน่งที่แน่นอน” ของเซลล์ในเนื้อเยื่อ
- เชื่อมโยงระหว่างโครงสร้างทางกายภาพของเนื้อเยื่อกับกิจกรรมระดับโมเลกุลของเซลล์
- เปิดเผย heterogeneity ของเนื้องอกอย่างที่ RNA-seq แบบเดิมทำไม่ได้
การศึกษานี้ใช้เนื้อเยื่อจากผู้ป่วย TSCC จำนวน 22 ราย แบ่งเป็นกลุ่มอายุน้อย (early-onset) และกลุ่มอายุมาก (late-onset) โดยสุ่มตัวอย่างจากตำแหน่งสำคัญ ได้แก่ tumor core และ invasive front และนำมาทำ spatial transcriptomics โดยใช้แพลตฟอร์ม 10x Genomics Visium พร้อมเชื่อมโยงกับฐานข้อมูล single-cell RNA-seq ที่มีอยู่
ค้นพบอะไรจากเนื้อเยื่อมะเร็งเหล่านี้?
- องค์ประกอบเซลล์ที่ซับซ้อนของ TSCC
- จำแนกเซลล์ได้หลายชนิด: เซลล์มะเร็ง (malignant epithelial cells), fibroblasts, endothelial cells, macrophages, B/T lymphocytes
- พบว่าโครงสร้างและองค์ประกอบของเซลล์ในบริเวณ invasive front มีความแตกต่างจาก tumor core อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะในกลุ่มอายุน้อย
- กลุ่มอายุน้อยแสดงออกของยีนที่รุกรานมากกว่า
- พบการเพิ่มขึ้นของยีนในกลุ่ม WNT signaling, TGF-β signaling, และ EMT (epithelial-to-mesenchymal transition) ซึ่งเกี่ยวข้องกับการรุกราน การแพร่กระจาย และการดื้อต่อการรักษา
- เซลล์มะเร็งในบริเวณ invasive front ของผู้ป่วยอายุน้อยมีการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับ ECM remodeling และ metastasis สูงกว่ากลุ่มอายุมาก
- ภูมิคุ้มกันในบริเวณขอบมะเร็ง (immune microenvironment)
- บริเวณ invasive front ในกลุ่มอายุน้อยแสดงออกถึงลักษณะของ “immune-hot tumor” โดยมีการสะสมของ CD8+ T cells และเซลล์ dendritic
เนื้อเยื่อมะเร็งเป็นระบบที่มีความซับซ้อนสูง ประกอบด้วยการสื่อสารระหว่างเซลล์มะเร็งและเซลล์ในไมโครสิ่งแวดล้อมโดยรอบ การทำความเข้าใจลักษณะการแสดงออกของยีนในระดับเซลล์เดี่ยว (single-cell) ภายในบริบทของเนื้อเยื่อจริงจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะในการแยกแยะความแตกต่างระหว่างบริเวณแกนกลางของเนื้องอกและบริเวณขอบเขตที่มีการแพร่กระจายของเซลล์มะเร็ง รวมถึงการค้นหารูปแบบการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการพยากรณ์โรค
คณะนักวิจัยจาก Tomsk National Research Medical Center ได้ตีพิมพ์งานวิจัยในวารสาร Scientific Reports โดยประยุกต์ใช้เทคโนโลยี spatial transcriptomics ในการศึกษามะเร็งลิ้นชนิด squamous cell carcinoma ที่เกิดในผู้ป่วยวัยหนุ่มสาว (early-onset TSCC) การศึกษาดำเนินการบนตัวอย่างเนื้อเยื่อมะเร็งจำนวน 9 ตัวอย่าง ร่วมกับการทำ single-cell transcriptomics ในตัวอย่างเพิ่มเติมอีก 2 ราย
งานวิจัยนี้อาศัยเทคโนโลยีและเครื่องมือของ GeneMind โดยเฉพาะแพลตฟอร์ม GenoLab M สำหรับการทำ sequencing แบบ spatial transcriptomics และ single-cell transcriptomics บนตัวอย่างมะเร็งลิ้นชนิด squamous cell carcinoma (TSCC) จากผู้ป่วยอายุน้อย แพลตฟอร์ม GenoLab M เป็นระบบ sequencing ความละเอียดสูง ใช้เทคนิค surface-restricted fluorescence sequencing ที่ให้ผลลัพธ์คุณภาพสูง มีความแม่นยำและความไวสูง และการวิเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลการศึกษาช่วยเผยคุณลักษณะเฉพาะของการแสดงออกของยีนและกลไกโมเลกุลในมะเร็งลิ้นผู้ป่วยอายุน้อย ซึ่งเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการวิจัยทางชีวการแพทย์และการพัฒนาการรักษาแบบแม่นยำ (personalized therapy) ในอนาคต
Patysheva, M.R., Kolegova, E.S., Khozyainova, A.A., Prostakishina, E.A., Korobeynikov, V.Y., Menyailo, M.E., Iamshchikov, P.S., Loos, D.M., Kovalev, O.I., Zavyalova, M.V. and Fedorova, I.K., 2024. Revealing molecular mechanisms of early-onset tongue cancer by spatial transcriptomics. Scientific Reports, 14(1), p.26255.