Znanstveniki izsledili najzgodnejše fizične spremembe v celicah, ki povzročajo raka

Ko je rak diagnosticiran, se na celični in molekularni ravni že dogaja veliko dogodkov, ki so bili neopaženi. Čeprav se rak v klinične namene razvršča v zgodnje in pozne stadije, je celo tumor v "zgodnji" fazi posledica številnih predhodnih sprememb v telesu, ki so bile nezaznavne.

Znanstveniki na Medicinski fakulteti Univerze Yale (YSM) in njihovi kolegi so zdaj pridobili podroben vpogled v nekatere od teh zgodnjih sprememb z uporabo zmogljive mikroskopije visoke ločljivosti za sledenje prvih fizičnih sprememb, ki povzročajo raka, v mišjih kožnih celicah.

Z raziskovanjem miši z mutacijo, ki spodbuja raka v lasnih mešičkih, so znanstveniki ugotovili, da se prvi znaki nastanka raka pojavijo ob določenem času in na določenem mestu v rasti lasnih mešičkov pri miših. Še več, ugotovili so, da je te predrakave spremembe mogoče blokirati z zdravili, znanimi kot zaviralci MEK.

Ekipo je vodil Tianchi Xin, doktor znanosti, raziskovalni sodelavec na oddelku za genetiko Univerze v Manchesterju medicinskih sester (YSM), v njej pa sta bila tudi Valentina Greco, doktorica znanosti, profesorica genetike na YSM in članica Centra za raka Yale ter Centra za matične celice Yale, ter Sergi Regot, doktor znanosti, izredni profesor molekularne biologije in genetike na Medicinski fakulteti Johns Hopkins.

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

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

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

Čeprav se njihova študija osredotoča na kožnega raka, raziskovalci verjamejo, da bi se načela, ki so jih odkrili, lahko uporabila tudi pri mnogih drugih vrstah raka, ki jih povzročajo mutacije KRAS, saj so ključni geni in beljakovine, ki sodelujejo v teh procesih, enaki v vseh tumorjih.

Več kot le proliferacija celic Tako pri ljudeh kot pri miših lasni mešički nenehno rastejo, izgubljajo stare lase in tvorijo nove. Matične celice, ki se lahko razvijejo v različne tipe celic, igrajo veliko vlogo v tem procesu obnove. Prejšnje študije so pokazale, da mutacije KRAS vodijo do povečane proliferacije matičnih celic v lasnih mešičkih, in to veliko povečanje matičnih celic naj bi bilo odgovorno za predrakavo tkivno motnjo.

KrasG12D povzroča prostorsko-časovne deformacije tkiva med regeneracijo lasnih mešičkov.
A. Shema genetskega pristopa za indukcijo KrasG12D v matičnih celicah lasnih mešičkov z uporabo tamoksifen-inducibilnega sistema Cre-LoxP (TAM).
B. Shema, ki prikazuje čas indukcije KrasG12D in ponovnega slikanja glede na faze lasnega cikla.
C. Reprezentativne slike divjega tipa mirujočih in rastočih lasnih mešičkov, ki vsebujejo Cre-inducibilni reporter tdTomato (Magenta) po indukciji.
D. Reprezentativne slike kontrolnih in lasnih mešičkov KrasG12D v različnih fazah lasnega cikla. Deformacija tkiva kot tuberkuli v zunanji koreninski ovojnici (ORS) je označena z rdečo pikčasto črto.
E. Delež lasnih mešičkov KrasG12D z deformacijo tkiva v različnih fazah rasti lasnih mešičkov.
F. Delež deformacij tkiva, ki zasedajo zgornji, spodnji in čebulast del ORS za posamezne lasne mešičke KrasG12D.
Vir: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Za preizkus te ideje je ekipa uporabila posebej zasnovano obliko mutiranega KRAS, ki so jo lahko aktivirali ob določenih trenutkih v kožnih celicah lasnih mešičkov živali. Xin in njegovi kolegi so uporabili mikroskopsko tehniko, znano kot intravitalno slikanje, ki omogoča zajemanje visokoločljivostnih slik celic in vivo ter označevanje in sledenje posameznih matičnih celic pri živalih.

Ko je bila mutacija KRAS aktivirana, so se vse matične celice začele hitreje razmnoževati, vendar se je predrakasta izboklina oblikovala le na enem specifičnem mestu v lasnem mešičku in v eni fazi rasti, kar pomeni, da splošno povečanje števila celic verjetno ni bila celotna zgodba.

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

Mutacija vpliva na protein, znan kot ERK. Xin je lahko v realnem času spremljal aktivnost ERK v posameznih matičnih celicah živih živali in odkril specifično spremembo v aktivnosti tega proteina, ki jo povzroča mutacija KRAS. Raziskovalcem je uspelo tudi ustaviti nastanek predrakavega tumorja z uporabo zaviralca MEK, ki blokira aktivnost ERK.

Zdravilo je ustavilo učinke mutacije na migracijo in orientacijo celic, ne pa tudi na celotno proliferacijo matičnih celic, kar pomeni, da nastanek predrakavega stanja povzročata ti prvi dve spremembi in ne povečana proliferacija celic.

Predrakave spremembe v kontekstu Sledenje učinkom onkogene mutacije v realnem času v živem organizmu je edini način, s katerim so raziskovalci lahko odkrili ta načela. To je pomembno, ker se raki ne oblikujejo v vakuumu – za rast in vzdrževanje so močno odvisni od svojega mikrookolja. Znanstveniki so morali spremljati tudi ne le vedenje posameznih celic, temveč tudi molekule znotraj teh celic.

»Pristop, ki smo ga uporabili za razumevanje teh onkogenih dogodkov, v resnici temelji na povezovanju na različnih ravneh,« je dejal Greco. »Struktura in pristopi, ki sta jih uporabila dr. Xin in dr. Regot, so nam omogočili, da se spustimo do molekularnih elementov in jih povežemo s celično in tkivno ravnjo, kar nam daje ločljivost teh dogodkov, ki jo je tako težko doseči zunaj živega organizma.«

Raziskovalci želijo zdaj slediti procesu dlje časa, da bi videli, kaj se zgodi po nastanku začetne izbokline. Prav tako želijo preučiti druge onkogene dogodke, kot je vnetje, da bi ugotovili, ali se odkrita načela uporabljajo tudi v drugih kontekstih.