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

Όταν διαγιγνώσκεται ο καρκίνος, υπάρχουν ήδη πολλά συμβάντα σε κυτταρικό και μοριακό επίπεδο που συμβαίνουν απαρατήρητα. Αν και ο καρκίνος ταξινομείται σε πρώιμο και όψιμο στάδιο για κλινικούς σκοπούς, ακόμη και ένας όγκος σε «πρώιμο» στάδιο είναι το αποτέλεσμα πολλών προηγούμενων αλλαγών στο σώμα που ήταν μη ανιχνεύσιμες.

Τώρα, επιστήμονες της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Γέιλ (YSM) και οι συνάδελφοί τους έχουν αποκτήσει λεπτομερή εικόνα για ορισμένες από αυτές τις πρώιμες αλλαγές, χρησιμοποιώντας ισχυρή μικροσκοπία υψηλής ανάλυσης για να παρακολουθήσουν τις πρώτες φυσικές αλλαγές που προκαλούν καρκίνο στα κύτταρα του δέρματος των ποντικών.

Μελετώντας ποντίκια που έφεραν μια μετάλλαξη που προάγει τον καρκίνο στους θύλακες των τριχών τους, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι τα πρώτα σημάδια σχηματισμού καρκίνου εμφανίζονται σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή και τόπο στην ανάπτυξη των θυλάκων των τριχών των ποντικών. Επιπλέον, διαπίστωσαν ότι αυτές οι προκαρκινικές αλλαγές μπορούν να μπλοκαριστούν με φάρμακα γνωστά ως αναστολείς MEK.

Η ομάδα διοικούνταν από τον Tianchi Xin, PhD, ερευνητικό συνεργάτη στο Τμήμα Γενετικής του YSM, και περιλάμβανε την Valentina Greco, PhD, καθηγήτρια γενετικής στο YSM και μέλος του Κέντρου Καρκίνου του Yale και του Κέντρου Βλαστοκυττάρων του Yale, και τον Sergi Regot, PhD, αναπληρωτή καθηγητή μοριακής βιολογίας και γενετικής στην Ιατρική Σχολή Johns Hopkins.

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

Οι επιστήμονες μελέτησαν ποντίκια που ανέπτυξαν πλακώδες καρκίνωμα του δέρματος, τον δεύτερο πιο συχνό τύπο καρκίνου του δέρματος στους ανθρώπους. Αυτά τα ποντίκια τροποποιήθηκαν γενετικά με μια μετάλλαξη που προάγει τον καρκίνο στο γονίδιο KRAS, το οποίο είναι ένα από τα πιο συχνά μεταλλαγμένα ογκογονίδια στους 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, ανώμαλου 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 του τελικού σχηματισμού καρκίνου», δήλωσε ο Xin, ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Αν και η μελέτη τους επικεντρώνεται 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 οι πρωτεΐνες που εμπλέκονται σε αυτές τις διεργασίες είναι τα ίδια σε όλους τους όγκους.

Περισσότερο από απλός πολλαπλασιασμός των κυττάρων Τόσο στους ανθρώπους όσο και στα ποντίκια, οι θύλακες των τριχών αναπτύσσονται συνεχώς, αποβάλλοντας τα παλιά μαλλιά και σχηματίζοντας νέα. Τα βλαστοκύτταρα, τα οποία έχουν την ικανότητα να αναπτύσσονται σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων, παίζουν σημαντικό ρόλο σε αυτή τη διαδικασία ανανέωσης. Προηγούμενες μελέτες έχουν δείξει ότι οι μεταλλάξεις KRAS οδηγούν σε αυξημένο πολλαπλασιασμό των βλαστοκυττάρων στους θύλακες των τριχών και αυτή η μεγάλη αύξηση των βλαστοκυττάρων θεωρήθηκε υπεύθυνη για την προκαρκινική διαταραχή των ιστών.

Το KrasG12D προκαλεί χωροχρονικές παραμορφώσεις ιστών κατά την αναγέννηση των τριχοθυλακίων.
Α. Σχηματική αναπαράσταση της γενετικής προσέγγισης για την επαγωγή του KrasG12D σε βλαστοκύτταρα τριχοθυλακίων χρησιμοποιώντας το σύστημα Cre-LoxP (TAM) που επάγεται από την ταμοξιφαίνη.
Β. Σχηματική αναπαράσταση που δείχνει τον χρόνο επαγωγής και την επανααπεικόνιση του KrasG12D σε σχέση με τα στάδια του κύκλου της τρίχας.
Γ. Αντιπροσωπευτικές εικόνες τριχοθυλακίων άγριου τύπου σε ηρεμία και ανάπτυξη που περιέχουν τον tdTomato (Magenta) που επάγεται από το Cre μετά την επαγωγή.
Δ. Αντιπροσωπευτικές εικόνες τριχοθυλακίων ελέγχου και τριχοθυλακίων KrasG12D σε διαφορετικά στάδια του κύκλου της τρίχας. Η παραμόρφωση του ιστού ως βλεννογόνοι στο εξωτερικό έλυτρο της ρίζας (ORS) υποδεικνύεται από την κόκκινη διακεκομμένη γραμμή.
Ε. Ποσοστό τριχοθυλακίων KrasG12D με παραμόρφωση ιστού σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης τριχοθυλακίων.
ΣΤ. Ποσοστό ιστών που καταλαμβάνουν τα άνω, κάτω και βολβώδη μέρη του ORS για μεμονωμένα τριχοθυλάκια KrasG12D.
Πηγή: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Για να δοκιμάσουν αυτήν την ιδέα, η ομάδα χρησιμοποίησε μια ειδικά σχεδιασμένη μορφή μεταλλαγμένου KRAS που μπορούσαν να ενεργοποιήσουν σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές στα δερματικά κύτταρα των τριχοθυλακίων των ζώων. Ο Xin και οι συνάδελφοί του χρησιμοποίησαν μια τεχνική μικροσκοπίας γνωστή ως ενδοκοιλιακή απεικόνιση, η οποία επιτρέπει τη λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης κυττάρων in vivo και την επισήμανση και παρακολούθηση μεμονωμένων βλαστοκυττάρων στα ζώα.

Όταν ενεργοποιήθηκε η μετάλλαξη KRAS, όλα τα βλαστοκύτταρα άρχισαν να πολλαπλασιάζονται ταχύτερα, αλλά το προκαρκινικό εξόγκωμα σχηματίστηκε μόνο σε μία συγκεκριμένη θέση στον θύλακα της τρίχας και σε ένα στάδιο ανάπτυξης, πράγμα που σημαίνει ότι η συνολική αύξηση του αριθμού των κυττάρων πιθανότατα δεν ήταν η μόνη αιτία.

Η ενεργοποίηση της μετάλλαξης KRAS στους θύλακες των τριχών είχε ως αποτέλεσμα τον ταχύτερο πολλαπλασιασμό των βλαστοκυττάρων, αλλάζοντας τα πρότυπα μετανάστευσής τους και διαιρούμενοι σε διαφορετικές κατευθύνσεις σε σύγκριση με τα κύτταρα χωρίς τη μετάλλαξη που προάγει τον καρκίνο.

Η μετάλλαξη επηρεάζει μια πρωτεΐνη γνωστή ως ERK. Η Xin μπόρεσε να παρακολουθήσει τη δραστηριότητα της ERK σε πραγματικό χρόνο σε μεμονωμένα βλαστοκύτταρα σε ζωντανά ζώα και διαπίστωσε μια συγκεκριμένη αλλαγή στη δραστηριότητα αυτής της πρωτεΐνης που προκλήθηκε από τη μετάλλαξη KRAS. Οι ερευνητές μπόρεσαν επίσης να σταματήσουν τον σχηματισμό του προκαρκινικού όγκου χρησιμοποιώντας έναν αναστολέα MEK, ο οποίος μπλοκάρει τη δραστηριότητα της ERK.

Το φάρμακο σταμάτησε τις επιπτώσεις της μετάλλαξης στη μετανάστευση και τον προσανατολισμό των κυττάρων, αλλά όχι στον συνολικό πολλαπλασιασμό των βλαστικών κυττάρων, πράγμα που σημαίνει ότι ο σχηματισμός της προκαρκινικής κατάστασης καθοδηγείται από αυτές τις δύο πρώτες αλλαγές και όχι από τον αυξημένο πολλαπλασιασμό των κυττάρων.

Προκαρκινικές Αλλαγές στο Πλαίσιο Η παρακολούθηση των επιπτώσεων μιας ογκογενούς μετάλλαξης σε πραγματικό χρόνο σε έναν ζωντανό οργανισμό είναι ο μόνος τρόπος με τον οποίο οι ερευνητές μπόρεσαν να αποκαλύψουν αυτές τις αρχές. Αυτό είναι σημαντικό επειδή οι καρκίνοι δεν σχηματίζονται στο κενό — εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από το μικροπεριβάλλον τους για να αναπτυχθούν και να συντηρηθούν. Οι επιστήμονες έπρεπε επίσης να παρακολουθήσουν όχι μόνο τη συμπεριφορά μεμονωμένων κυττάρων, αλλά και τα μόρια μέσα σε αυτά τα κύτταρα.

«Η προσέγγιση που έχουμε υιοθετήσει για την κατανόηση αυτών των ογκογενετικών γεγονότων αφορά στην πραγματικότητα τη σύνδεση μεταξύ διαφορετικών κλιμάκων», δήλωσε ο Γκρέκο. «Η δομή και οι προσεγγίσεις που έχουν χρησιμοποιήσει οι Δρ. Ξιν και Δρ. Ρεγκότ μας έχουν επιτρέψει να εμβαθύνουμε στα μοριακά στοιχεία, συνδέοντάς τα με την κυτταρική και ιστική κλίμακα, δίνοντάς μας μια ανάλυση αυτών των γεγονότων που είναι τόσο δύσκολο να επιτευχθεί εκτός ενός ζωντανού οργανισμού».

Οι ερευνητές θέλουν τώρα να παρακολουθήσουν τη διαδικασία για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα για να δουν τι συμβαίνει μετά τον αρχικό σχηματισμό της διόγκωσης. Θέλουν επίσης να μελετήσουν άλλα ογκογόνα συμβάντα, όπως η φλεγμονή, για να δουν αν οι αρχές που έχουν ανακαλύψει εφαρμόζονται σε άλλα πλαίσια.