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

In elke tumor schuilt een verborgen wereld. Al jaren weten wetenschappers dat bacteriën in menselijke kankers leven, niet slechts als toevallige passagiers, maar als actieve deelnemers die kunnen beïnvloeden hoe een ziekte groeit, hoe het immuunsysteem reageert en zelfs hoe goed een patiënt op een behandeling reageert. Deze microscopische gemeenschappen zijn niet willekeurig verspreid; ze vormen specifieke buurten binnen het weefsel en interageren op complexe wijze met menselijke cellen. Om deze interacties te begrijpen, moeten onderzoekers zien waar de bacteriën zich bevinden ten opzichte van de menselijke cellen, vergelijkbaar met een kaart die zowel de huizen als de mensen die erin wonen laat zien. Lange tijd was dit soort gedetailleerde mapping alleen mogelijk met verse weefselmonsters, die zeldzaam en moeilijk te verzamelen zijn. De overgrote meerderheid van de medische dossiers bestaat echter uit weefsel dat is bewaard in wasblokken, een methode die al decennia de standaard is maar die voorheen als te gedegradeerd werd beschouwd voor dit soort hoogresolutie bacteriële detectivewerk.

Een team van onderzoekers heeft nu deze kloof overbrugd door een nieuwe manier te ontwikkelen om bacteriën in deze bewaarde weefselmonsters in kaart te brengen. Door een technologie aan te passen die ontworpen is om menselijke genen te lezen, creëerden zij een aangepaste set moleculaire instrumenten die ook specifieke typen bacteriën kunnen vinden en lokaliseren. Ze testten deze aanpak op monsters van colorectale kanker, een ziekte waarbij de relatie tussen bacteriën en tumoren bijzonder belangrijk is. Hun werk bewijst dat het mogelijk is om de ruimtelijke ordening van microben in oude, gearchiveerde medische specimens te zien zonder het vermogen te verliezen om de menselijke genetische code daarnaast te lezen. Dit opent de deur naar het bestuderen van decennia aan opgeslagen patiëntmonsters om te begrijpen hoe bacteriën kanker beïnvloeden op manieren die voorheen onzichtbaar waren.

De onderzoekers begonnen met het ontwerpen van een nieuwe set moleculaire sondes, wat in feite kleine, op maat gemaakte labels zijn die zich hechten aan specifieke genetische sequenties. In dit geval richtten zij zich op de genetische code van bacteriën, specifelijk de variabele regio's van een molecuul genaamd 16S rRNA, dat fungeert als een unieke identificatie voor verschillende bacteriële groepen. Zij bouwden deze sondes om te werken met een modern beeldvormingsplatform genaamd Visium CytAssist, een systeem dat genetische informatie vastlegt van dunne weefselcoupes terwijl de oorspronkelijke vorm en locatie intact blijven. De uitdaging was om deze bacteriële sondes te laten werken naast de standaard sondes die worden gebruikt om menselijke genen te lezen, waarbij gewaarborgd moest worden dat de twee systemen elkaar niet zouden verstoren. Zij creëerden een verzameling van 195 paren van deze sondes, gericht op 15 verschillende groepen bacteriën die relevant zijn voor colorectale kanker, en mengden deze in de standaard testkit.

Om te testen of deze nieuwe methode werkte, paste het team het toe op zes monsters van colorectaal weefsel die waren bewaard in wasblokken. Drie van deze monsters waren afkomstig van tumoren, en drie waren van gezond weefsel dat bij dezelfde patiënten nabij de tumor was weggenomen. Het proces omvatte het snijden van het weefsel, het behandelen ervan met de aangepaste sonde-mengeling, en vervolgens het gebruik van een machine om de genetische signalen af te lezen. De resultaten waren onmiddellijk en duidelijk: het systeem detecteerde succesvol zowel menselijke genen als bacteriële signalen in dezelfde weefselsecties. Cruciaal was dat de aanwezigheid van de bacteriële sondes de lezing van menselijke genen niet verstoorde. Wanneer de onderzoekers de menselijke genetische data analyseerden, organiseerden de cellen zichzelf in de verwachte patronen, met duidelijke groepen voor de bekleding van de dikke darm, de spierlagen en immuuncellen, precies zoals ze dat doen in vers weefsel. Dit bevestigde dat de nieuwe methode veilig te gebruiken is en de delicate informatie die in de bewaarde monsters is opgeslagen niet beschadigt.

De meest opwindende ontdekking kwam toen de onderzoekers keken naar waar de bacteriën zich bevonden. In de gezonde weefselmonsters werden de bacteriële signalen voornamelijk gevonden aan het uiterste oppervlak, de binnenkant van de dikke darm te bekleden, wat overeenkomt met de bekende manier waarop bacteriën in een gezonde darm leven. De tumormonsters vertelden echter een complexer verhaal. In de meeste tumormonsters werden de bacteriën gevonden in kleine, geconcentreerde clusters. Maar één specifiek tumormonster viel echter dramatisch op. Het bevatte een veel hogere hoeveelheid bacterieel signaal dan de andere, en deze bacteriën zaten niet alleen aan het oppervlak; ze waren diep ingebed in het tumorweefsel zelf.

Toen de onderzoekers nauwer keken naar de typen bacteriën in deze hoog-signaal tumor, vonden zij twee hoofdgroepen: één gerelateerd aan een genus genaamd Porphyromonas en een andere gerelateerd aan Bacteroides-Phocaeicola. Hoewel beide groepen door de hele tumor aanwezig waren, volgden ze verschillende paden terwijl ze dieper in het weefsel bewogen. De ene groep leek de tumor in een andere richting of met een andere snelheid te penetreren dan de andere. Dit suggereert dat verschillende typen bacteriën de tumor op unieke wijzen kunnen binnendringen, wat potentieel anders interageert met de menselijke cellen om hen heen. Het vermogen om deze onderscheidende patronen in een enkel monster te zien, is iets wat oudere methoden niet konden bereiken, aangezien die methoden alle bacteriën zouden hebben samengevoegd, waardoor de informatie over waar elk type daadwerkelijk leefde, verloren zou gaan.

Deze studie beweert niet het mysterie te hebben opgelost van hoe bacteriën kanker veroorzaken, noch bewijst het dat deze specifieke bacteriën de enige drijvers van de ziekte zijn. In plaats daarvan vestigt het een nieuwe capaciteit. Het toont aan dat wetenschappers nu de enorme archieven van bewaarde weefselmonsters uit ziekenhuizen over de hele wereld kunnen nemen en de bacteriële gemeenschappen daarin met hoge precisie in kaart kunnen brengen. De onderzoekers merkten op dat omdat hun methode specifieke sondes gebruikt, zij alleen de bacteriën kunnen vinden waarvoor zij de sondes hebben ontworpen, wat betekent dat zij niet volledig nieuwe, onbekende soorten kunnen ontdekken met deze specifieke opstelling. Echter, het systeem is flexibel genoeg om in de toekomst uitgebreid te worden met meer sondes.

De bevindingen benadrukken ook het belang van het kijken naar de ruimtelijke ordening van microben. Het feit dat verschillende bacteriën verschillende distributiepatronen vertoonden binnen dezelfde tumor, sugg�으로ert dat hun locatie ertoe doet. Sommigen kunnen op het oppervlak loeren, terwijl anderen actief de kern van de kanker infiltreren. Dit niveau van detail was voorheen onmogelijk te verkrijgen van het meest voorkomende type medisch specimen. Door te bewijzen dat deze techniek werkt op formaline-gefixeerd, paraffine-ingebed weefsel, hebben de onderzoekers een algemeen kader geboden dat kan worden toegepast op andere ziekten en andere soorten bewaarde monsters. Het transformeert de manier waarop wetenschappers terug kunnen kijken op de medische geschiedenis, waardoor zij nieuwe vragen kunnen stellen over de onzichtbare microbiële wereld die in ons lichaam leeft en hoe deze onze gezondheid vormgeeft.