Background: Differences in the embryonic development of the colonic mucosa determine the physiological embryonic-anatomical asymmetry of its structure and can manifest themselves via different molecular phenotypes (expression profiles) of the colon segments. These molecular characteristics are hypothesized to determine differences in the carcinogenesis mechanisms and influence the prognosis of right- or left-sided colorectal cancer (CRC). Studies of the tumors molecular phenotypes depending on their localization may be of interest for assessment of the prognosis and choice of treatment for CRC.
Aim: To perform comparative analysis of molecular phenotypes of the normal colonic mucosa and adenocarcinoma CRC tissues depending on the natural embryonic anatomic asymmetry of the colon.
Materials and methods: We performed a retrospective study of molecular phenotypes (mRNA expression of 61 genes) from different embryonic-anatomical parts of healthy colon and CRC. The normal group included 254 samples of mucosa from three different parts of the colon from 74 healthy donors who had no cancer and no organic abnormalities of the colon, including 90 samples from the right colon, 116 from the left colon, and 48 from the rectum. The CRC group consisted of 154 samples of localized stage T1–4N0–2M0 adenocarcinoma from 154 patients who had not received neoadjuvant radio- and chemotherapy, including 40 samples from the right colon, 54 from the left colon, and 60 from the rectum. The relative mRNA abundance of 61 genes was assessed by reverse-transcriptase polymerase chain reaction. In both groups, the resulting expression phenotypes were compared between the anatomical parts of the colon. Statistical management of the data included the discriminant analysis with stepwise inclusion of variables.
Results: Based on the assessment of the mRNA level of the studied genes, a discriminant model was built that allows for classification of the normal group samples according to their anatomic origin in the colon with an accuracy of 95.8%. The most significant (p < 0.05) for classification are the following 19 genes: CCND1, SCUBE2, TERT, BAG1, NDRG, IL1b, IL2Ra, IL7, ESR1, TGFb, IGF1, MMP9, MMP11, PAPPA, CD45, CD69, TLR2, TLR4, LIFR. The discriminant model built for the CRC group included 27 genes and made it possible to differentiate samples from three parts of colon with an accuracy of 75.2%. A statistically significant (p < 0.05) contribution to the samples differentiation by the discriminant model was made by the COX-2, BIRC5, LIFR, TPA, IL1b, MMP11, MMP7, and P16INK4A genes. When combining samples from the two groups into one model in accordance with their embryonic-anatomical origin, there was a clear separation of tumor tissue samples and healthy colonic mucosa in the discriminant function space.
Conclusion: The analysis of CRC gene expression profiles using the discriminant model showed that genetic changes in the colonic mucosa in CRC flatten the molecular phenotypic boundaries of the embryonic-anatomical parts. These changes are specific to CRC, forming a particular “pathological” molecular phenotype.
Обоснование. Различия в эмбриональном развитии слизистой оболочки отделов толстой кишки (ТК) определяют физиологическую эмбрионально-анатомическую асимметрию ее строения и проявляются в молекулярных фенотипах (экспрессионных профилях) отделов ТК. Эти молекулярные характеристики, предположительно, обусловливают различия в механизмах канцерогенеза и влияют на прогноз в случае развития колоректального рака (КРР) правосторонней или левосторонней локализации. Исследование молекулярных фенотипов опухолей в зависимости от локализации может представлять интерес для оценки прогноза и выбора программы лечения КРР.
Цель – провести сравнительный анализ молекулярных фенотипов нормальной слизистой оболочки ТК и тканей аденокарциномы при КРР в зависимости от естественной эмбрионально-анатомической асимметрии ТК.
Материал и методы. Проведено ретроспективное исследование молекулярных фенотипов (уровни экспрессии мРНК 61 гена) эмбрионально-анатомических отделов ТК в норме и при КРР. В группу «Норма» включены 254 образца нормальной слизистой оболочки трех отделов ТК 74 здоровых доноров, у которых отсутствовали онкологические заболевания и органические изменения слизистой оболочки ТК, в том числе 90 образцов из правой ободочной кишки, 116 – из левой ободочной кишки, 48 – из прямой кишки. Группа «КРР» включала 154 образца аденокарциномы локализованной стадии T1–4N0–2M0 от 154 пациентов, которым не проводилась неоадъювантная лучевая и химиотерапия. В группу вошли 40 образцов из правой ободочной кишки, 54 – из левой, 60 – из прямой кишки. Относительное количество мРНК 61 гена оценивали методом полимеразной цепной реакции с обратной транскрипцией. В группах сопоставляли полученные экспрессионные фенотипы с анатомическими отделами ТК. Статистическую обработку проводили, применяя метод дискриминантного анализа с пошаговым включением переменных.
Результаты. На основании оценки уровня мРНК исследуемых генов построена дискриминантная модель, позволяющая классифицировать образцы из группы «Норма» по принадлежности к анатомическому отделу ТК с точностью 95,8%. Наиболее значимыми (р < 0,05) для классификации были следующие 19 генов: CCND1, SCUBE2, TERT, BAG1, NDRG, IL1b, IL2Ra, IL7, ESR1, TGFb, IGF1, MMP9, MMP11, PAPPA, СD45, CD69, TLR2, TLR4, LIFR. Дискриминантная модель, построенная для группы «КРР», включала 27 генов и позволяла дифференцировать образцы по принадлежности к трем отделам ТК с точностью 75,2%. Статистически значимый (p < 0,05) вклад в дифференцировку образцов дискриминантной моделью вносили гены COX-2, BIRC5, LIFR, TPA, IL1b, MMP11, MMP7 и P16INK4A. При объединении в модели образцов двух групп в соответствии с эмбрионально-анатомическим делением показано четкое распределение образцов тканей опухоли и здоровой слизистой оболочки ТК в пространстве дискриминантных функций.
Заключение. Анализ экспрессионных профилей образцов колоректальной аденокарциномы с использованием дискриминантной модели показал, что генетические изменения слизистой оболочки ТК при КРР сглаживают молекулярно-фенотипические границы эмбрионально-анатомических отделов. Эти изменения являются специфическими для КРР, формируя особый «патологический» молекулярный фенотип.