Oamenii de știință urmăresc cele mai timpurii modificări fizice ale celulelor care provoacă cancer

Când este diagnosticat cancerul, există deja multe evenimente la nivel celular și molecular care au avut loc neobservate. Deși cancerul este clasificat în stadii incipiente și avansate în scopuri clinice, chiar și o tumoră aflată în stadiu „incipient” este rezultatul multor modificări anterioare din organism care au fost nedetectabile.

Acum, oamenii de știință de la Facultatea de Medicină a Universității Yale (YSM) și colegii lor au obținut informații detaliate despre unele dintre aceste schimbări timpurii, folosind microscopie puternică de înaltă rezoluție pentru a urmări primele modificări fizice cancerigene ale celulelor pielii șoarecilor.

Studiind șoareci purtători ai unei mutații care promovează cancerul în foliculii de păr, oamenii de știință au descoperit că primele semne ale formării cancerului apar într-un anumit moment și loc în creșterea foliculilor de păr ai șoarecilor. Mai mult, au descoperit că aceste modificări precanceroase pot fi blocate cu medicamente cunoscute sub numele de inhibitori MEK.

Echipa a fost condusă de Tianchi Xin, doctor în științe, cercetător asociat în cadrul Departamentului de Genetică al YSM, și i-a inclus pe Valentina Greco, doctor în științe, profesor de genetică la YSM și membru al Centrului de Cancer Yale și al Centrului de Celule Stem Yale, și pe Sergi Regot, doctor în științe, profesor asociat de biologie moleculară și genetică la Școala de Medicină Johns Hopkins.

Rezultatele cercetării lor au fost publicate în revista Nature Cell Biology.

Oamenii de știință au studiat șoareci care dezvoltă carcinom cutanat cu celule scuamoase, al doilea tip ca frecvență de cancer de piele la om. Acești șoareci au fost modificați genetic cu o mutație care promovează cancerul în gena KRAS, care este una dintre cele mai frecvente oncogene mutate în cancerele umane. Mutații KRAS au fost găsite și în cancerele pulmonare, pancreatice și colorectale.

Printre primele modificări studiate de oamenii de știință s-a numărat creșterea unei mici umflături anormale în foliculul de păr, care este clasificată drept o anomalie precanceroasă. „Înțelegerea acestor evenimente timpurii ne-ar putea ajuta să dezvoltăm abordări pentru a preveni formarea în cele din urmă a cancerului”, a declarat Xin, primul autor al studiului.

Deși studiul lor se concentrează pe cancerul de piele, cercetătorii cred că principiile descoperite ar putea fi aplicate multor alte tipuri de cancer cauzate de mutații KRAS, deoarece genele și proteinele cheie implicate în aceste procese sunt aceleași în toate tumorile.

Mai mult decât simpla proliferare celulară Atât la oameni, cât și la șoareci, foliculii de păr sunt în continuă creștere, eliminând părul vechi și formând altul nou. Celulele stem, care au capacitatea de a se dezvolta în diferite tipuri de celule, joacă un rol important în acest proces de reînnoire. Studiile anterioare au arătat că mutațiile KRAS duc la o proliferare crescută a celulelor stem în foliculii de păr, iar această creștere mare a numărului de celule stem se considera a fi responsabilă pentru tulburarea țesutului precanceros.

KrasG12D induce deformări tisulare specifice spatiotemporale în timpul regenerării foliculilor de păr.
A. Schemă a abordării genetice pentru a induce KrasG12D în celulele stem ale foliculilor de păr utilizând sistemul Cre-LoxP (TAM) inductibil cu tamoxifen.
B. Schemă care arată momentul inducerii și re-imagisticii KrasG12D în raport cu etapele ciclului de păr.
C. Imagini reprezentative ale foliculilor de păr de tip sălbatic, latenți și în creștere, care conțin reporterul tdTomato (Magenta) inductibil cu Cre după inducție.
D. Imagini reprezentative ale foliculilor de păr de control și KrasG12D în diferite stadii ale ciclului de păr. Deformarea țesutului sub formă de tuberculi în teaca radiculară exterioară (ORS) este indicată de linia punctată roșie.
E. Proporția foliculilor de păr KrasG12D cu deformare tisulară în diferite stadii de creștere a foliculilor de păr.
F. Proporția deformărilor tisulare care ocupă părțile superioare, inferioare și bulboase ale ORS pentru foliculii de păr KrasG12D individuali.
Sursa: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Pentru a testa această idee, echipa a folosit o formă special concepută de KRAS mutant, pe care o puteau activa în momente specifice în celulele pielii foliculilor de păr ai animalelor. Xin și colegii săi au folosit o tehnică de microscopie cunoscută sub numele de imagistică intravitală, care permite obținerea de imagini de înaltă rezoluție ale celulelor in vivo și etichetarea și urmărirea celulelor stem individuale la animale.

Când mutația KRAS a fost activată, toate celulele stem au început să prolifereze mai rapid, dar umflătură precanceroasă s-a format doar într-o anumită locație din foliculul de păr și într-un anumit stadiu de creștere, ceea ce înseamnă că creșterea generală a numărului de celule probabil nu a fost întreaga explicație.

Activarea mutației KRAS în foliculii de păr a dus la proliferarea mai rapidă a celulelor stem, la modificarea tiparelor de migrare și la divizarea în direcții diferite în comparație cu celulele fără mutația care promovează cancerul.

Mutația afectează o proteină cunoscută sub numele de ERK. Xin a reușit să monitorizeze activitatea ERK în timp real în celule stem individuale la animale vii și a descoperit o modificare specifică a activității acestei proteine cauzată de mutația KRAS. Cercetătorii au reușit, de asemenea, să oprească formarea nodulului precanceros folosind un inhibitor MEK, care blochează activitatea ERK.

Medicamentul a oprit efectele mutației asupra migrării și orientării celulelor, dar nu și asupra proliferării generale a celulelor stem, ceea ce înseamnă că formarea afecțiunii precanceroase este determinată de aceste prime două modificări, mai degrabă decât de creșterea proliferării celulare.

Urmărirea efectelor unei mutații oncogene în timp real într-un organism viu este singura modalitate prin care cercetătorii au reușit să descopere aceste principii. Acest lucru este important deoarece cancerele nu se formează în vid - ele se bazează în mare măsură pe micromediul lor pentru a crește și a se menține. De asemenea, oamenii de știință au trebuit să urmărească nu doar comportamentul celulelor individuale, ci și moleculele din interiorul acelor celule.

„Abordarea pe care am adoptat-o pentru înțelegerea acestor evenimente oncogene se referă, de fapt, la conectarea la diverse scări”, a spus Greco. „Structura și abordările utilizate de Dr. Xin și Dr. Regot ne-au permis să coborâm până la elementele moleculare, conectându-le la scara celulară și tisulară, oferindu-ne o rezolvare a acestor evenimente care este atât de dificil de realizat în afara unui organism viu.”

Cercetătorii vor acum să urmărească procesul pe o perioadă mai lungă de timp pentru a vedea ce se întâmplă după formarea umflăturii inițiale. De asemenea, vor să studieze și alte evenimente oncogene, cum ar fi inflamația, pentru a vedea dacă principiile descoperite se aplică și în alte contexte.