Οι επιστήμονες παρακολουθούν τις πρώτες φυσικές αλλαγές στα κύτταρα που προκαλούν καρκίνο

Όταν διαγνωστεί ο καρκίνος, υπάρχουν ήδη πολλά γεγονότα πίσω από αυτό σε κυτταρικό και μοριακό επίπεδο που συνέβησαν απαρατήρητα. Αν και ο καρκίνος ταξινομείται σε πρώιμα και όψιμα στάδια για κλινικούς σκοπούς, ακόμη και ένας όγκος "πρώιμου" σταδίου είναι το αποτέλεσμα πολλών προηγούμενων αλλαγών στο σώμα που ήταν μη ανιχνεύσιμες.

Τώρα, οι επιστήμονες της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Yale (YSM) και οι συνάδελφοί τους έχουν κατανοήσει λεπτομερώς ορισμένες από αυτές τις πρώιμες αλλαγές, χρησιμοποιώντας ισχυρό μικροσκόπιο υψηλής ανάλυσης για την παρακολούθηση των πρώτων φυσικών αλλαγών που προκαλούν καρκίνο στα κύτταρα του δέρματος του ποντικού.

Μελετώντας ποντίκια που φέρουν μια μετάλλαξη που προάγει την ανάπτυξη καρκίνου στους θύλακες των τριχών τους, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι τα πρώτα σημάδια σχηματισμού καρκίνου εμφανίζονται σε συγκεκριμένο χρόνο και τόπο στην ανάπτυξη των τριχοθυλακίων των ποντικών. Επιπλέον, διαπίστωσαν ότι αυτές οι προκαρκινικές αλλαγές μπορούν να αποκλειστούν με φάρμακα γνωστά ως αναστολείς MEK.

Η ομάδα ηγήθηκε από τον Tianchi Xin, Ph.D., μεταδιδακτορικό συνεργάτη στο YSM Department of Genetics, και περιλάμβανε τη Valentina Greco, Ph.D., καθηγήτρια Γενετικής YSM και μέλος του Κέντρου Καρκίνου του Yale και το Κέντρο Βλαστοκυττάρων του Yale και ο Sergi Regot, Ph.D., επίκουρος καθηγητής μοριακής βιολογίας και γενετικής στο Johns Hopkins School of Medicine.

Τα αποτελέσματα της έρευνάς τους δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Cell Biology.

Οι επιστήμονες μελέτησαν ποντίκια που ανέπτυξαν δερματικό ακανθοκυτταρικό καρκίνωμα, τον δεύτερο πιο κοινό τύπο καρκίνου του δέρματος στους ανθρώπους. Αυτά τα ποντίκια κατασκευάστηκαν γενετικά για να έχουν μια μετάλλαξη που προάγει τον καρκίνο στο γονίδιο KRAS, το οποίο είναι ένα από τα πιο συχνά μεταλλαγμένα ογκογονίδια σε ανθρώπινους καρκίνους. Μεταλλάξεις KRAS έχουν επίσης βρεθεί σε καρκίνους του πνεύμονα, του παγκρέατος και του παχέος εντέρου.

Οι πρώιμες αλλαγές που μελέτησαν οι επιστήμονες περιελάμβαναν την ανάπτυξη ενός μικροσκοπικού, μη φυσιολογικού εξογκώματος στο θύλακα της τρίχας, το οποίο ταξινομείται ως προκαρκινική ανωμαλία. "Η κατανόηση αυτών των πρώιμων γεγονότων μπορεί να μας βοηθήσει να αναπτύξουμε προσεγγίσεις για την πρόληψη της τελικής δημιουργίας καρκίνου", δήλωσε ο Xin, πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Αν και η μελέτη τους επικεντρώθηκε στον καρκίνο του δέρματος, οι ερευνητές πιστεύουν ότι οι αρχές που ανακάλυψαν θα μπορούσαν να εφαρμοστούν σε πολλούς άλλους καρκίνους που προκαλούνται από μεταλλάξεις KRAS, επειδή τα βασικά γονίδια και πρωτεΐνες που εμπλέκονται είναι τα ίδια σε διαφορετικούς όγκους.

Περισσότερα από τον πολλαπλασιασμό των κυττάρων τόσο στον άνθρωπο όσο και στα ποντίκια, οι θύλακες των τριχών αυξάνονται συνεχώς, αποβάλλοντας παλιά μαλλιά και σχηματίζοντας νέα. Τα βλαστοκύτταρα, τα οποία έχουν την ικανότητα να εξελίσσονται σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, παίζουν μεγάλο ρόλο σε αυτή τη διαδικασία ανανέωσης. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι μεταλλάξεις KRAS οδηγούν σε αυξημένο πολλαπλασιασμό βλαστοκυττάρων στους θύλακες των τριχών και αυτή η σημαντική αύξηση στον αριθμό των βλαστοκυττάρων πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνη για την προκαρκινική βλάβη του ιστού.

Το KrasG12D προκαλεί χωροχρονικές παραμορφώσεις ειδικών ιστών κατά την αναγέννηση των τριχοθυλακίων.
ένα. Σχηματική της γενετικής προσέγγισης για την επαγωγή του KrasG12D σε βλαστοκύτταρα τριχοθυλακίου χρησιμοποιώντας το επαγόμενο από ταμοξιφαίνη σύστημα Cre–LoxP (TAM).
σι. Διάγραμμα που δείχνει το χρόνο επαγωγής και επαναληπτικής απεικόνισης του KrasG12D σε σχέση με τα στάδια του κύκλου ανάπτυξης της τρίχας.
ντο. Αντιπροσωπευτικές εικόνες άγριου τύπου σε ηρεμία και ανάπτυξη τριχοθυλακίων που περιέχουν τον επαγόμενο ανταποκριτή Cre tdTomato (Magenta) μετά την επαγωγή.
ρε. Αντιπροσωπευτικές εικόνες ελέγχου και τριχοθυλακίων KrasG12D σε διαφορετικά στάδια του κύκλου ανάπτυξης της τρίχας. Η παραμόρφωση του ιστού με τη μορφή φυματίων στο εξωτερικό περίβλημα της ρίζας (ORS) υποδεικνύεται από την κόκκινη διακεκομμένη γραμμή.
μι. Αναλογία τριχοθυλακίων KrasG12D με παραμόρφωση ιστού σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης των τριχοθυλακίων.
φά. Αναλογία παραμορφώσεων ιστών που καταλαμβάνουν το ανώτερο, το κατώτερο και το βολβώδες τμήμα του ORS για μεμονωμένα τριχοθυλάκια KrasG12D.
Πηγή: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Για να ελέγξει αυτήν την υπόθεση, η ομάδα χρησιμοποίησε μια ειδικά σχεδιασμένη μορφή μεταλλαγμένου KRAS που θα μπορούσε να ενεργοποιήσει σε συγκεκριμένους χρόνους στα κύτταρα του δέρματος των τριχοθυλακίων των ζώων. Ο Xin και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν μια τεχνική μικροσκοπίας γνωστή ως ενδοβιολογική απεικόνιση, η οποία επιτρέπει εικόνες υψηλής ανάλυσης κυττάρων σε ζωντανό σώμα και ετικέτες και παρακολούθηση μεμονωμένων βλαστοκυττάρων σε ζώα.

Όταν ενεργοποιήθηκε η μετάλλαξη KRAS, όλα τα βλαστοκύτταρα άρχισαν να πολλαπλασιάζονται γρηγορότερα, αλλά το προκαρκινικό εξόγκωμα σχηματίστηκε μόνο σε μια συγκεκριμένη θέση στον θύλακα της τρίχας και σε ένα στάδιο ανάπτυξης, πράγμα που σημαίνει ότι η συνολική αύξηση στον αριθμό των κυττάρων πιθανότατα δεν ήταν δεν είναι όλη η ιστορία.

Η ενεργοποίηση της μετάλλαξης KRAS στους θύλακες των τριχών είχε ως αποτέλεσμα τα βλαστοκύτταρα να πολλαπλασιάζονται ταχύτερα, να αλλάζουν τα μεταναστευτικά τους πρότυπα και να διαιρούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις σε σύγκριση με κύτταρα χωρίς τη μετάλλαξη που προάγει τον καρκίνο.

Η μετάλλαξη επηρεάζει μια πρωτεΐνη γνωστή ως ERK. Το Xin μπόρεσε να παρατηρήσει τη δραστηριότητα ERK σε πραγματικό χρόνο σε μεμονωμένα βλαστοκύτταρα σε ζωντανά ζώα και ανακάλυψε μια συγκεκριμένη αλλαγή στη δραστηριότητα αυτής της πρωτεΐνης που προκαλείται από τη μετάλλαξη KRAS. Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να σταματήσουν τον σχηματισμό ενός προκαρκινικού εξογκώματος χρησιμοποιώντας έναν αναστολέα MEK, ο οποίος εμποδίζει τη δραστηριότητα ERK.

Το φάρμακο σταμάτησε τις επιδράσεις της μετάλλαξης στη μετανάστευση και τον προσανατολισμό των κυττάρων, αλλά όχι στον συνολικό πολλαπλασιασμό των βλαστοκυττάρων, πράγμα που σημαίνει ότι ο σχηματισμός της προκαρκινικής κατάστασης οφείλεται σε αυτές τις δύο πρώτες αλλαγές και όχι σε αυξημένο κυτταρικό πολλαπλασιασμό.

Προκαρκινικές αλλαγές στο πλαίσιο Η παρακολούθηση των επιπτώσεων μιας ογκογόνου μετάλλαξης σε πραγματικό χρόνο σε έναν ζωντανό οργανισμό είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι ερευνητές μπόρεσαν να ανακαλύψουν αυτές τις αρχές. Αυτό είναι σημαντικό επειδή ο καρκίνος δεν σχηματίζεται στο κενό - εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το μικροπεριβάλλον του για να αναπτυχθεί και να διατηρηθεί. Οι επιστήμονες έπρεπε επίσης να παρακολουθούν όχι μόνο τη συμπεριφορά μεμονωμένων κυττάρων, αλλά και τα μόρια μέσα σε αυτά τα κύτταρα.

"Η προσέγγιση που ακολουθήσαμε για την κατανόηση αυτών των ογκογόνων συμβάντων αφορά πραγματικά τη σύνδεση σε κλίμακες", είπε ο Γκρέκο. «Το πλαίσιο και οι προσεγγίσεις που χρησιμοποίησε ο Δρ Xin σε συνεργασία με τον Δρ. Regot μας επέτρεψαν να προχωρήσουμε στα μοριακά στοιχεία, συνδέοντάς τα με την κυτταρική και ιστική κλίμακα, κάτι που μας δίνει μια λύση σε αυτά τα γεγονότα που είναι τόσο δύσκολο να επιτευχθούν έξω ο ζωντανός οργανισμός."

Οι ερευνητές θέλουν τώρα να παρακολουθήσουν τη διαδικασία για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να δουν τι θα συμβεί μετά τη δημιουργία της αρχικής πρόσκρουσης. Θέλουν επίσης να μελετήσουν άλλα ογκογόνα συμβάντα, όπως η φλεγμονή, για να δουν εάν οι αρχές που ανακάλυψαν ισχύουν σε άλλα πλαίσια.