Vorhersage gezielter traditioneller chinesischer Medizin anhand unterschiedlicher Gene und Immuninvasionsmechanismen bei Bauchspeicheldrüsenkrebs auf der Grundlage eines bioinformatischen Screenings
Die weltweite Belastung durch das duktale Adenokarzinom der Bauchspeicheldrüse (PDAC) hat sich in den letzten 25 Jahren mehr als verdoppelt, und es wird erwartet, dass es bis 2030 die zweithäufigste krebsbedingte Todesursache sein wird. Die durchschnittliche Fünf-Jahres-Überlebensrate von PDAC-Patienten beträgt nur 8%, und bei bis zu 71% der Patienten besteht selbst nach vollständiger chirurgischer Resektion die Gefahr eines Rückfalls. Diese Tumoreigenschaft der hohen Letalität und der hohen Rezidivrate wird durch die dichte Matrixkomponente (physikalische Barriere) des PDAC bestimmt, die das Eindringen von Immuneffektorzellen in den Tumor verhindert und es den Bauchspeicheldrüsenkrebszellen ermöglicht, der Immunüberwachung zu entgehen. Derzeit wird in vielen klinischen Studien versucht, die Gesamtwirksamkeit bei PDAC-Patienten durch eine Immuntherapie zu verbessern, darunter Immun-Checkpoint-Inhibitoren, Krebsimpfstoffe, adoptive Zellmetastasen usw. Die klinische Wirksamkeit der Therapie mit monoklonalen Antikörpern ist gering und der Durchbruch ist noch nicht gelungen.

Mit dem Aufkommen der genetischen Hochdurchsatzanalyse hat sich die Erstellung von Genexpressionsprofilen zu einer wirksamen Methode zur Identifizierung von Genen entwickelt, die bei verschiedenen Krankheiten unterschiedlich exprimiert werden. CIBERSORT ist ein Analysewerkzeug, das Microarray-Daten oder RNA-Sequenzierungsdaten verwendet, um die Expression von Immunzellen in einer Probe zu bewerten und verschiedene Immunzell-Verhältnisse zu ermitteln. Obwohl mehrere bioinformatische Analysen zu differenziell exprimierten Genen bei PDAC durchgeführt wurden, fehlt es an weiterer eingehender Forschung zu Immunmechanismen und therapeutischen Zielvorhersagen, insbesondere im Hinblick auf das therapeutische Potenzial von Kräutermedizin. Die traditionelle chinesische Medizin hat ein systematisches Verständnis für häufige Krankheiten wie Gelbsucht und Aszites in Verbindung mit PDAC entwickelt. Gleichzeitig kann die traditionelle chinesische Medizin aufgrund ihres natürlichen Vorteils, dass sie auf mehrere Ziele abzielt, wirksam in komplexe Immunmikroumgebungen eingreifen, was eine weitere Erforschung wert ist. Daher wurde in dieser Studie die Gene Expression Omnibus (GEO)-Datenbank genutzt, um gepaarte Gewebeproben von PDAC-Patienten für eine Korrelationsanalyse auszuwählen. Der Krankheitsmechanismus wurde auf genetischer Ebene erforscht, Überlebensunterschiede und immunbezogene Analysen wurden durchgeführt. Der CIBERSORT-Entfaltungsalgorithmus wurde verwendet, um das Muster der Immunzellinfiltration in PDAC-Gewebe darzustellen. Schließlich wurden potenziell wirksame traditionelle chinesische Arzneimittel umfassend vorhergesagt und untersucht, was eine Grundlage für die Auswahl und Entwicklung klinischer Arzneimittel darstellt.

Gegenwärtig hat die Immuntherapie des Bauchspeicheldrüsenkrebses einige Fortschritte gemacht, die der klinischen Behandlung von Bauchspeicheldrüsenkrebs Hoffnung geben. Da die Mikroumgebung von Bauchspeicheldrüsenkrebs jedoch in der Regel eine immunsuppressive Zellproliferation, eine Inaktivierung der Immunzellen und eine geringe Mutationslast des Tumors aufweist, sind die meisten Ergebnisse der Immuntherapie nicht zufriedenstellend. Mit der Entwicklung der Hochdurchsatztechnologie verwendeten Lv et al. mehrere Datensätze, um die differenziellen Kerngene von Bauchspeicheldrüsenkrebs zu ermitteln, Xiao et al. verwendeten differenzielle "Entzündungskrebs"-Gene, um die traditionelle chinesische Medizin zu ermitteln, usw., die alle das Verständnis des molekularen Mechanismus von Bauchspeicheldrüsenkrebs vertieft haben. Die Arbeiten zu den immunologischen Mechanismen dieser Krankheit sind jedoch unzureichend, was der Verbesserung der langfristigen Überlebensprognose der Patienten nicht förderlich ist. Daher ist diese Studie die erste, die die relevanten Mechanismen der Immuninfiltration und potenziell wirksame traditionelle chinesische Medizin auf der Grundlage von Differenzialgenen weiter erforscht, mit dem Ziel, die Mechanismen zu verbessern und die Arzneimittelentwicklung zu fördern. In dieser Studie wurden zunächst geeignete Genchips in der GEO-Datenbank gescreent und die Genexpressionsprofile von Pankreastumor- und Normalgewebeproben desselben Patienten verglichen, wobei 2653 unterschiedlich exprimierte Gene ermittelt wurden. Die wichtigsten unterschiedlich exprimierten Gene wurden durch PPI identifiziert, darunter Gene, die mit extrazellulärem Matrixgewebe und Kollagenfasern zusammenhängen (COL1A2, COL1A1, COL3A1, COL5A1, COL5A2), ADAM-Metallopeptidase (ADAMTS2), Basalmembran-Polysaccharid (LUM), Integrin-Untereinheit Alpha 2 (ITGA2), Fibronektin (FN1) und Matrix-Metalloproteinase (MMP2). Die oben genannten, unterschiedlich exprimierten Gene sind nachweislich in Tumorgeweben hochreguliert, stehen mit dem Kollagenstoffwechsel in Zusammenhang und gehören hauptsächlich zu den COL1-, COL3- und COL5-Familien. Unter ihnen wurde die Expression von COL1A2 durch qRT-PCR als die höchste im Gewebe bestätigt, was auf die hohe Zuverlässigkeit dieses Ergebnisses hinweist. Im Gegensatz zu anderen soliden Tumoren ist die Mikroumgebung des PDAC-Tumors eine dichte Matrixumgebung, die Pankreas-Stellatzellen, krebsbedingte Fibroblasten, Immunzellen und eine übermäßige Fibrose der extrazellulären Matrix enthält. Die dichte Fibrosereaktion in der Matrix und Veränderungen in der Immunumgebung des Tumors werden als Hauptgründe für das derzeitige Scheitern der PDAC-Behandlung angesehen. Eine weitere Überlebensanalyse ergab, dass diese differenziell exprimierten Kerngene signifikant mit dem RFS bei PDAC-Patienten korrelieren und positiv mit dem Grad der Infiltration verschiedener Tumorzellen korrelieren, was darauf hindeutet, dass diese Gene die klinische Prognose von PDAC-Patienten durch Veränderung der immunen Mikroumgebung des Tumors beeinflussen können. Die Frage, wie man diesen Punkt nutzen kann, um die klinischen Ergebnisse zu verändern, ist zu einem der möglichen Durchbrüche geworden.
Weitere GO- und KEGG-Anreicherungsanalysen der differentiell exprimierten Gene deuten darauf hin, dass ihre biologischen Prozesse mit neutrophiler Degranulation, Migration, Chemokinen, T-Helferzelldifferenzierung, humoraler Immunantwort und anderen Prozessen zusammenhängen. Die PDAC-Mikroumgebung ist im Wesentlichen entzündlich, und die Tatsache, dass Chemokine und andere Faktoren die entzündliche Mikroumgebung von Tumoren fördern, ist ebenfalls erwiesen. Neben Zytokinen und Chemokinen ist die Aktivierung von neutrophilen Granulozyten oft das erste molekulare Ereignis, gefolgt von der Migration in Richtung Tumorgewebe. Es ist klar, dass PDAC-Krebszellen polymorphkernige Neutrophile in die Nähe des Tumors rekrutieren können, aber die meisten von ihnen können keine Antitumorreaktion hervorrufen. Jüngste In-vitro-Experimente haben gezeigt, dass Bauchspeicheldrüsenkrebszellen die Bildung von extrazellulären Fallen für Neutrophile induzieren und dadurch das Auftreten von Mikrometastasen in der Leber fördern. Gleichzeitig bestimmt die lokale Hypoxie, die durch die hohe Fibrose verursacht wird, die Immunumgebung, und die kontinuierliche Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies führt zu lokaler Hypoxie, wodurch die Infiltration von Neutrophilen gefördert wird. Daher spielen Neutrophile eine entscheidende Rolle in der Mikroumgebung von Bauchspeicheldrüsenkrebs. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse dieser Studie darauf hin, dass die unterschiedlich exprimierten Gene direkt an der T-Zell-Differenzierung und der humoralen Immunregulation beteiligt sind.

Um die Rolle der Immuninfiltration in der Pathogenese des PDAC weiter zu untersuchen, wurden in dieser Studie die gesamten Tumorproben mit der CIBERSORT-Dekonvolutionsmethode analysiert. Im Vergleich zu normalem Pankreasgewebe waren M2-Makrophagen und CD4+T-Gedächtniszellen im Tumorgewebe signifikant erhöht, während CD8+T-Zellen signifikant verringert waren. Derselbe Trend wurde in gepaarten Proben beobachtet. M2-Makrophagen produzieren entzündungshemmende Signale, die das Fortschreiten des Tumors fördern, was nachweislich einer der Indikatoren für eine schlechte Prognose bei Bauchspeicheldrüsenkrebs ist. Eine Studie aus dem Jahr 2013, in der der Grad der Immunzellinfiltration bei PDAC-Patienten mittels IHC untersucht wurde, zeigte, dass ein höherer Anteil an tumorinfiltrierenden M2-Makrophagen, Tregs und CD4+T signifikant mit einem kürzeren Überleben verbunden war. Im PDAC-Mausmodell konnte gezeigt werden, dass tumorassoziierte Makrophagen durch die Freisetzung von Zytokinen, Proteasen und Wachstumsfaktoren die Immunsuppression und Angiogenese vermitteln und die Tumorprogression fördern. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die Hemmung von CCR2 die Wirksamkeit der Chemotherapie erhöht, die Metastasierung hemmt, die Wirksamkeit der Strahlentherapie verbessert und die T-Zell-Immuninfiltration erhöht, indem die Rekrutierung von Monozyten in die Tumormikroumgebung blockiert wird. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass Makrophagen zu potenziellen Zielen für neue therapeutische Strategien gegen das humane PDAC werden. Bisher ging man davon aus, dass die immunsuppressive Mikroumgebung von PDAC, die aus Fibroblasten und Fibroblasten besteht, die Infiltration von T-Zellen einschränken würde. Neuere Forschungen haben jedoch die spezifische räumliche Verteilung von T-Zellen aufgedeckt, da die Korrelations-Heatmap zeigt, dass es eine signifikante negative Korrelation zwischen den CD4+T-Zellen im Ruhezustand und den CD8+T-Zellen im Bauchspeicheldrüsenkrebsgewebe gibt (r=-0,64), was sich als einer der Indikatoren für eine schlechte Prognose, insbesondere bei PDAC, erwiesen hat. Die Infiltration von CD8+T-Zellen im Tumorgewebe steht in engem Zusammenhang mit den Tumorzellen und der Überlebensrate der Patienten. In jüngster Zeit haben Wissenschaftler hervorgehoben, dass eine erfolgreiche Immunität bei Langzeitüberlebenden eine hohe Anzahl von CD8+T-Zellen im Tumor voraussetzt. Das Verständnis der treibenden Faktoren von CD8+T-Zellen und des Infiltrationsmechanismus von CD8+T-Zellen ist entscheidend für die Weiterentwicklung von PDAC-Behandlungsplänen. Derzeit fehlt es an einer groß angelegten Validierung der Assoziation zwischen immuninfiltrierenden PDAC-Zellen, und diese Vorhersage hat eine gewisse Referenzbedeutung.
In der traditionellen chinesischen Medizin wird das PDAC in die Kategorien "Milzstauung", "gezieltes Qi", "Stauung", "Qi-Stagnation" und "Fu Liang" eingeordnet. Die Ergebnisse von Literaturrecherchen zu Fallserien und Meta-Analysen deuten darauf hin, dass die kombinierte Behandlung von PDAC mit traditioneller chinesischer Medizin die Sterblichkeit der Patienten wirksam verringern und die Langzeitprognose verbessern kann. Die jüngste Grundlagenforschung hat gezeigt, dass der Mechanismus der traditionellen chinesischen Medizin bei der Behandlung von PDAC hauptsächlich in der Verbesserung der Mikroumgebung des Tumors besteht, was indirekt die medizinischen Ergebnisse verbessert. Daher ist die Erforschung der immunologischen Mikroumgebung des Tumors entscheidend für die Suche nach wirksamen traditionellen chinesischen Arzneimitteln. Gegenwärtig wird in der traditionellen chinesischen Medizin die Pathogenese des Adenokarzinoms meist als "Mangel an Ursprung, aber Überschuss an Essenz" angesehen, wobei der Schwerpunkt auf der Ansammlung von feuchter Hitze und Toxinen liegt. In dieser Studie wird jedoch vorausgesagt, dass die Wirksamkeit der traditionellen chinesischen Medizin vor allem in die Kategorie der hitzelösenden Mittel (Scutellaria baicalensis, Sagittaria angustifolia, Pfingstrosenrinde, Purpurgras usw.) fällt, gefolgt von Stärkungsmitteln (Ginseng, Eucommia ulmoides, Zitronengras, Schildkrötenpanzer, Eselshautleim usw.), was mit der Pathogenese der traditionellen chinesischen Medizin übereinstimmt. Unter dem Gesichtspunkt der Lokalisierung der Krankheit, verglichen mit den Beschreibungen der anatomischen Lage und der physiologischen Funktion in den Büchern der alten chinesischen Medizin, befürworten die meisten Gelehrten die Zuordnung der Bauchspeicheldrüse zur Milz unter den fünf Organen. Diese Studie zeigt jedoch, dass die überwiegende Mehrheit der wirksamen Vorhersagen der traditionellen chinesischen Medizin zum Lebermeridian gehören, gefolgt von den Lungen- und Nierenmeridianen, was darauf hindeutet, dass vielleicht die Behandlung von feuchter Hitze aus der Lebertheorie in Kombination mit der Unterstützung von Milzmangel die Behandlungseffizienz weiter verbessern kann. Nach Recherchen wurde festgestellt, dass es zu dieser Theorie verstreute Erfahrungen und Übersichtsberichte gibt, die es wert sind, weiter untersucht zu werden, um ein systematisches Verständnis zu entwickeln. Darüber hinaus wurde in dieser Studie die umgekehrte Vorhersage verwendet, um mehrere traditionelle chinesische Arzneimittel zu erhalten. Unter den chinesischen Arzneimitteln mit hoher Korrelation wurde festgestellt, dass Ginsenoside die Angiogenese und die Nährstoffversorgung von Tumorzellen reduzieren können, indem sie die Expression von MMP2 und anderen Faktoren herunterregulieren; Curcumin hemmt die Selbsterneuerung von PDAC-Stammzellen durch die Aktivität des Wnt/β-Catenin-Signalwegs und kann die lokale Mikrozirkulation im PDAC-Tumormodellgewebe der subkutanen Transplantation verbessern, die Blut- und Sauerstoffversorgung in der Tumormikroumgebung erhöhen und die hypoxische Stressreaktion von Tumorzellen und Stromazellen hemmen; Die oben genannte Literatur unterstützt einige der vorhergesagten Ergebnisse dieser Studie, aber es gibt immer noch einen Mangel an Forschung über die Immunmechanismen im Zusammenhang mit der traditionellen chinesischen Medizin Behandlung von PDAC.
In dieser Studie wurden beim Screening von Genchips individuelle Unterschiede bei der Analyse von Immunmechanismen berücksichtigt und experimentelle PDAC-Daten mithilfe der Analyse gepaarter Proben rigoros überprüft. Gleichzeitig, wenn man bedenkt, dass diese Studie im Wesentlichen ein sekundäres Mining von früheren einzelnen GSE-Daten ist, wurden verschiedene Ebenen verwendet, um die Expression der wichtigsten differenziell exprimierten Gene zu überprüfen, wodurch das Risiko reduziert wird. Diese Studie hat jedoch noch folgende Mängel: (1) Aufgrund der geringen Stichprobengröße weist die Datenanalyse eine gewisse Verzerrung auf, und in einer späteren Phase werden weitere Datensätze, die die Anforderungen erfüllen, für die Analyse einbezogen; (2) Die Analyse des CIBERSORT-Dekonvolution-Algorithmus basiert auf begrenzten genetischen Daten, die von zellulären heterotypischen Interaktionen, krankheitsauslösenden Faktoren und der Plastizität von Krankheitsphänotypen abweichen können. Klinische und Grundlagenstudien können den individuellen Immunstatus umfassender und objektiver widerspiegeln. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie die erste ist, die bioinformatische Techniken in Kombination mit dem CIBERSORT-Entfaltungsalgorithmus einsetzt, um den Mechanismus der Immuninfiltration von PDAC zu erforschen und potenziell wirksame traditionelle chinesische Arzneimittel vorherzusagen, was für die künftige Forschung auf diesem Gebiet von großem Wert ist.