Znanstveniki spremljajo najzgodnejše fizične spremembe v celicah, ki povzročajo raka

Ko je rak diagnosticiran, je za njim že veliko dogodkov na celični in molekularni ravni, ki so se zgodili neopaženo. Čeprav je rak za klinične namene razvrščen v zgodnje in pozne stadije, je celo "zgodnji" stadij tumorja posledica številnih predhodnih sprememb v telesu, ki jih ni bilo mogoče zaznati.

Zdaj so znanstveniki na Medicinski fakulteti univerze Yale (YSM) in njihovi kolegi pridobili podrobno razumevanje nekaterih od teh zgodnjih sprememb z uporabo zmogljive mikroskopije visoke ločljivosti za sledenje prvim fizičnim spremembam, ki povzročajo raka v kožnih celicah miši.

S preučevanjem miši, ki nosijo mutacijo, ki spodbuja razvoj raka v njihovih lasnih mešičkih, so znanstveniki odkrili, da se prvi znaki nastanka raka pojavijo ob določenem času in na določenem mestu med rastjo lasnih mešičkov miši. Še več, ugotovili so, da je mogoče te predrakave spremembe blokirati z zdravili, znanimi kot zaviralci MEK.

Ekipo je vodil dr. Tianchi Xin, podoktorski sodelavec na oddelku za genetiko YSM, vključevala pa je tudi dr. Valentino Greco, profesorico genetike YSM in članico Yale Cancer Center in Center za matične celice Yale in dr. Sergi Regot, docent za molekularno biologijo in genetiko na Medicinski fakulteti Johns Hopkins.

Rezultati njihove raziskave so bili objavljeni v reviji Nature Cell Biology.

Znanstveniki so preučevali miši, pri katerih se je razvil kožni ploščatocelični karcinom, druga najpogostejša vrsta kožnega raka pri ljudeh. Te miši so bile gensko spremenjene, da imajo mutacijo gena KRAS, ki spodbuja raka, ki je eden najpogosteje mutiranih onkogenov pri raku pri ljudeh. Mutacije KRAS so odkrili tudi pri raku pljuč, trebušne slinavke in debelega črevesa in danke.

Zgodnje spremembe, ki so jih preučevali znanstveniki, so vključevale rast drobne, nenormalne izbokline v lasnem mešičku, ki je razvrščena kot predrakava nenormalnost. "Razumevanje teh zgodnjih dogodkov nam lahko pomaga razviti pristope za preprečevanje končnega nastanka raka," je dejal Xin, prvi avtor študije.

Čeprav se je njihova študija osredotočila na kožnega raka, raziskovalci verjamejo, da bi načela, ki so jih odkrili, lahko uporabili za številne druge vrste raka, ki jih povzročajo mutacije KRAS, ker so ključni geni in proteini, ki so vključeni, enaki pri različnih tumorjih.

Več kot le razmnoževanje celic Tako pri ljudeh kot pri miših lasni mešički nenehno rastejo, odpadajo stare dlake in tvorijo nove. Matične celice, ki se lahko razvijejo v različne vrste celic, igrajo veliko vlogo v tem procesu obnavljanja. Prejšnje študije so pokazale, da mutacije KRAS vodijo do povečane proliferacije matičnih celic v lasnih mešičkih in to znatno povečanje števila matičnih celic naj bi bilo odgovorno za predrakavo lezijo tkiva.

KrasG12D povzroča prostorsko-časovne specifične deformacije tkiva med regeneracijo lasnega mešička.
a. Shema genetskega pristopa za induciranje KrasG12D v matičnih celicah lasnega mešička z uporabo sistema Cre–LoxP (TAM), inducibilnega s tamoksifenom.
b. Diagram, ki prikazuje čas indukcije KrasG12D in ponovnega slikanja glede na stopnje cikla rasti las.
c. Reprezentativne slike divjih lasnih mešičkov v mirovanju in rasti, ki vsebujejo inducibilni reporter Cre tdTomato (Magenta) po indukciji.
d. Reprezentativne slike kontrolnih in KrasG12D lasnih mešičkov na različnih stopnjah cikla rasti las. Z rdečo pikčasto črto je označena deformacija tkiva v obliki tuberkulozov v zunanjem koreninskem ovoju (ORS).
e. Delež lasnih mešičkov KrasG12D z deformacijo tkiva na različnih stopnjah rasti lasnih mešičkov.
f. Delež deformacij tkiva, ki zasedajo zgornji, spodnji in bulbozni del ORS za posamezne lasne mešičke KrasG12D.
Vir: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Za preizkušanje te hipoteze je ekipa uporabila posebej zasnovano obliko mutiranega KRAS, ki so jo lahko aktivirali ob določenih časih v kožnih celicah živalskih lasnih mešičkov. Xin in njegovi kolegi so uporabili mikroskopsko tehniko, znano kot intravitalno slikanje, ki omogoča visokoločljive slike celic v živem telesu ter označuje in sledi posameznim izvornim celicam v živalih.

Ko je bila aktivirana mutacija KRAS, so se vse matične celice začele razmnoževati hitreje, vendar se je predrakava izboklina oblikovala le na eni določeni lokaciji v lasnem mešičku in na eni stopnji rasti, kar pomeni, da splošno povečanje števila celic verjetno ni bilo ni cela zgodba.

Aktivacija mutacije KRAS v lasnih mešičkih je povzročila hitrejšo proliferacijo izvornih celic, spremembo njihovih migracijskih vzorcev in delitev v različnih smereh v primerjavi s celicami brez mutacije, ki spodbuja raka.

Mutacija vpliva na beljakovino, znano kot ERK. Xin je lahko opazoval aktivnost ERK v realnem času v posameznih izvornih celicah v živih živalih in odkril specifično spremembo v aktivnosti tega proteina, ki jo povzroča mutacija KRAS. Raziskovalci so prav tako lahko ustavili nastanek predrakave izbokline z uporabo inhibitorja MEK, ki blokira aktivnost ERK.

Zdravilo je ustavilo učinke mutacije na celično migracijo in orientacijo, ne pa tudi na celotno proliferacijo matičnih celic, kar pomeni, da je nastanek predrakavih stanj posledica teh prvih dveh sprememb in ne povečane celične proliferacije.

Predrakave spremembe v kontekstu Sledenje učinkom onkogene mutacije v živem organizmu v realnem času je edini način, na katerega so raziskovalci lahko odkrili ta načela. To je pomembno, ker rak ne nastane v vakuumu – za rast in vzdrževanje je zelo odvisen od svojega mikrookolja. Znanstveniki so prav tako morali slediti ne samo obnašanju posameznih celic, ampak tudi molekulam v teh celicah.

"Pristop, ki smo ga ubrali k razumevanju teh onkogenih dogodkov, je v resnici povezovanje na različnih lestvicah," je dejal Greco. "Okvir in pristopi, ki jih je dr. Xin uporabil v sodelovanju z dr. Regotom, so nam omogočili, da se premaknemo navzdol do molekularnih elementov in jih povežemo s celičnim in tkivnim nivojem, kar nam daje rešitev teh dogodkov, ki jo je tako težko doseči zunaj živi organizem."

Raziskovalci zdaj želijo slediti procesu v daljšem časovnem obdobju, da bi videli, kaj se zgodi po začetni izboklini. Prav tako želijo preučiti druge onkogene dogodke, kot je vnetje, da bi ugotovili, ali načela, ki so jih odkrili, veljajo tudi v drugih kontekstih.