Custom Probe-Based Spatial Transcriptomics Enables Microbiome Detection in FFPE Colorectal Cancer Tissue

داخل كل ورم، يوجد عالم خفي. لسنوات، عرف العلماء أن البكتيريا تعيش داخل السرطانات البشرية، ليس فقط كركاب عابرين، بل كمشاركين نشطين يمكنهم التأثير على كيفية نمو المرض، وكيفية تفاعل الجهاز المناعي، وحتى مدى استجابة المريض للعلاج. هذه المجتمعات المجهرية ليست مبعثرة بشكل عشوائي؛ بل تشكل أحياءً محددة داخل الأنسجة، وتتفاعل مع الخلايا البشرية بطرق معقدة. ولفهم هذه التفاعلات، يحتاج الباحثون إلى رؤية أين تقع البكتيريا بالنسبة للخلايا البشرية، تماماً مثل خريطة توضح كلاً من المنازل والأشخاص الذين يعيشون داخلها. لفترة طويلة، كان هذا النوع من الخرائط التفصيلية ممكناً فقط باستخدام عينات الأنسجة الطازجة، وهي نادرة ويصعب جمعها. ومع ذلك، فإن الغالبية العظمى من السجلات الطبية تتكون من أنسجة تم حفظها في كتل شمعية، وهي طريقة كانت هي المعيار لعقود ولكن كان يُعتقد سابقاً أنها متدهورة للغاية لهذا النوع من العمل الاستقصائي البكتيري عالي الدقة.

لقد نجح فريق من الباحثين الآن في جسر هذه الفجوة، من خلال تطوير طريقة جديدة لرسم خرائط البكتيريا داخل هذه العينات النسيجية المحفوظة. ومن خلال تطويع تقنية مصممة لقراءة الجينات البشرية، ابتكروا مجموعة مخصصة من الأدوات الجزيئية التي يمكنها أيضاً إيجاد وتحديد موقع أنواع معينة من البكتيريا. وقد اختبروا هذا النهج على عينات من سرطان القولون والمستقيم، وهو مرض تعتبر فيه العلاقة بين البكتيريا والأورمات ذات أهمية خاصة. ويثبت عملهم أنه من الممكن رؤية الترتيب المكاني للميكروبات في العينات الطبية القديمة المؤرشفة دون فقدان القدرة على قراءة الشفرة الجينية البشرية جنباً إلى جنب معها. وهذا يفتح الباب لدراسة عقود من عينات المرضى المخزنة لفهم كيف تؤثر البكتيريا على السرطان بطرق كانت غير مرئية سابقاً.

بدأ الباحثون بتصميم مجموعة جديدة من المجسات الجزيئية، وهي في الأساس علامات صغيرة مصنوعة خصيصاً تلتصق بتسلسلات جينية محددة. وفي هذه الحالة، استهدفوا الشفرة الجينية للبكتيريا، وتحديداً المناطق المتغيرة من جزيء يسمى 16S rRNA، والذي يعمل كمعرّف فريد للمجموعات البكتيرية المختلفة. وقد بنوا هذه المجسات لتعمل مع منصة تصوير حديثة تسمى Visium CytAssist، وهو نظام يلتقط المعلومات الجينية من شرائح رقيقة من الأنسجة مع الحفاظ على شكلها وموقعها الأصليين. وكان التحدي يكمكمن في جعل هذه المجسات البكتيرية تعمل جنباً إلى جنب مع المجسات القياسية المستخدمة لقراءة الجينات البشرية، لضمان عدم تداخل النظامين مع بعضهما البعض. وقد أنشؤوا تجمعاً من 195 زوجاً من هذه المجسات، تستهدف 15 مجموعة مختلفة من البكتيريا المعروفة بارتباطها بسرطان القولون والمستقيم، وخلطوها في مجموعة اختبار قياسية.

ولاختبار ما إذا كانت هذه الطالة الجديدة تعمل، طبق الفريق هذا النهج على ست عينات من أنسجة القولون والمستقيم التي تم حفظها في كتل شمعية. ثلاث من هذه العينات كانت من أورام، وثلاث من أنسجة سليمة أُخذت من نفس المرضى بالقرب من الورم. تضمنت العملية تقطيع النسيج، ومعالجته بمزيج المجسات المخصص، ثم استخدام آلة لقراءة الإشارات الجينية. كانت النتائج فورية وواضحة: نجح النظام في اكتشاف كل من الجينات البشرية والإشارات البكتيرية في نفس مقاطع الأنسجة. والأهم من ذلك، أن وجود المجسات البكتيرية لم يعطل قراءة الجينات البشرية. وعندما حلل الباحثون البيانات الجينية البشرية، نظمت الخلايا نفسها في الأنماط المتوقعة، مع مجموعات متميزة لبطانة القولون، وطبقات العضلات، والخلاي المناعية، تماماً كما هي في الأنسجة الطازجة. وقد أكد هذا أن الطريقة الجديدة آمنة للاستخدام ولم تسبب ضرراً للمعلومات الدقيقة المخزنة في العينات المحفوظة.

جاء الاكتشاف الأكثر إثارة عندما نظر الباحثون في مكان وجود البكتيريا. ففي عينات الأنسجة السليمة، وجدت الإشارات البكتيرية غالباً عند السطح تماماً، حيث تبطن الجزء الداخلي من القولون، وهو ما يتوافق مع ما هو معروف حول كيفية عيش البكتيريا طبيعياً في الأمعاء السليمة. ومع ذلك، حكت عينات الورم قصة أكثر تعقيداً. ففي معظم عينات الورم، وُجدت البكتيريا في مجموعات مركزة صغيرة. لكن عينة ورم واحدة برزت بشكل دراماتيكي؛ إذ احتوت على كمية أكبر بكثير من الإشارة البكتيرية مقارنة بالأخرى، ولم تكن هذه البكتيريا جالسة على السطح فحسب، بل كانت مغروسة بعمق داخل نسيج الورم نفسه.

وعندما نظر الباحثون عن كثب في أنواع البكتيريا في هذا الورم ذي الإشارة العالية، وجدوا مجموعتين رئيسيتين: إحداهما مرتبطة بجنس يسمى Porphyromonas، والأخرى مرتبطة بـ Bacteroides-Phocaeicola. وبينما كانت كلتا المجموعتين موجودتين في جميع أنحاء الورم، إلا أنهما اتبعتا مسارات مختلفة أثناء تحركهما في عمق النسيج. بدا أن إحدى المجموعات تخترق الورم في اتجاه مختلف أو بمعدل مختلف عن الأخرى. وهذا يشير إلى أن أنواعاً مختلفة من البكتيريا قد تغزو الورم بطرق فريدة، مما قد يؤدي للتفاعل مع الخلايا البشرية المحيطة بها بشكل مختلف. إن القدرة على رؤية هذه الأنماط المتميزة في عينة واحدة هي شيء لم تستطع الطرق القديمة تحقيقه، حيث كانت تلك الطرق ستخلط جميع أنواع البكتيريا معاً، مما يؤدي لفقدان المعلومات حول مكان عيش كل نوع منها فعلياً.

لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت لغز كيفية تسبب البكتيريا في السرطان، ولا تثبت أن هذه البكتيريا المحددة هي المحرك الوحيد للمرض. بدلاً من ذلك، هي تؤسس لقدرة جديدة. فهي تظهر أن العلماء يمكنهم الآن أخذ الأرشيفات الضخمة من عينات الأنسجة المحفوظة من المستشفيات حول العالم والبدء في رسم خرائط المجتمعات البكتيرية داخلها بدقة عالية. وأشار الباحثون إلى أنه نظراً لأن طريقتهم تستخدم مجسات محددة، فإنهم يمكنهم فقط العثى البكتيريا التي صمموا المجسات لها، مما يعني أنهم لا يستطيعون اكتشاف أنواع جديدة تماماً وغير معروفة بهذا الإعداد المحدد. ومع ذلك، فإن النظام مرن بما يكفي للتوسع بمزيد من المجسات في المستقبل.

كما تسلط النتائج الضوء على أهمية النظر في الترتيب المكاني للميكروبات. فالحقيقة التي تشير إلى أن البكتيريا المختلفة أظهرت أنماط توزيع مختلفة داخل نفس الورم توحي بأن موقعها أمر بالغ الأهمية. فبعضها قد يتربص على السطح، بينما يخترق البعض الآخر قلب السرطان بنشاط. هذا المستوى من التفاصيل كان مستحيلاً الحصول عليه سابقاً من النوع الأكثر شيوعاً من العينات الطبية. ومن خلال إثبات أن هذه التقنية تعمل على الأنسجة المثبتة بالفورمالين والمحفوظة في البارافين، قدم الباحثون إطاراً عاماً يمكن تطبيقه على أمراض أخرى وأنواع أخرى من العينات المحفوظة. إنها تغير الطريقة التي يمكن للعلماء من خلالها النظر إلى التاريخ الطبي، مما يسمح لهم بطرح أسئلة جديدة حول العالم الميكروبي الخفي الذي يعيش داخل أجسادنا وكيف يشكل صحتنا.