Forskere sporer de tidligste fysiske endringene i celler som forårsaker kreft

Når kreft diagnostiseres, er det allerede mange hendelser på celle- og molekylært nivå som har foregått ubemerket. Selv om kreft klassifiseres i tidlige og sene stadier for kliniske formål, er selv en svulst i et "tidlig" stadium et resultat av mange tidligere endringer i kroppen som ikke kunne oppdages.

Nå har forskere ved Yale University School of Medicine (YSM) og kollegene deres fått detaljert innsikt i noen av disse tidlige endringene, ved å bruke kraftig høyoppløselig mikroskopi for å spore de aller første kreftfremkallende fysiske endringene i musehudceller.

Ved å studere mus som bærer en mutasjon som fremmer kreft i hårsekkene deres, fant forskerne at de første tegnene på kreftdannelse oppstår på et bestemt tidspunkt og sted i veksten av musenes hårsekker. Dessuten fant de at disse precancerøse endringene kan blokkeres med legemidler kjent som MEK-hemmere.

Teamet ble ledet av Tianchi Xin, PhD, en forskningsmedarbeider ved YSMs avdeling for genetikk, og inkluderte Valentina Greco, PhD, professor i genetikk ved YSM og medlem av Yale Cancer Center og Yale Stem Cell Center, og Sergi Regot, PhD, en førsteamanuensis i molekylærbiologi og genetikk ved Johns Hopkins School of Medicine.

Resultatene av forskningen deres ble publisert i tidsskriftet Nature Cell Biology.

Forskerne studerte mus som utvikler kutant plateepitelkarsinom, den nest vanligste typen hudkreft hos mennesker. Disse musene ble genetisk modifisert med en kreftfremmende mutasjon i KRAS-genet, som er et av de mest vanlige muterte onkogenene i menneskelige kreftformer. KRAS-mutasjoner er også funnet i lunge-, bukspyttkjertel- og kolorektalkreft.

De tidlige endringene forskerne studerte inkluderte veksten av en liten, unormal kul i hårsekken, som er klassifisert som en precancerøs abnormalitet. «Å forstå disse tidlige hendelsene kan hjelpe oss med å utvikle tilnærminger for å forhindre at kreft til slutt dannes», sa Xin, studiens førsteforfatter.

Selv om studien deres fokuserer på hudkreft, mener forskerne at prinsippene de oppdaget kan anvendes på mange andre kreftformer forårsaket av KRAS-mutasjoner fordi nøkkelgenene og proteinene som er involvert i disse prosessene er de samme på tvers av svulster.

Mer enn bare celleproliferasjon Hos både mennesker og mus vokser hårsekkene stadig, de feller av gammelt hår og danner nytt. Stamceller, som har evnen til å utvikle seg til forskjellige celletyper, spiller en stor rolle i denne fornyelsesprosessen. Tidligere studier har vist at KRAS-mutasjoner fører til økt stamcelleproliferasjon i hårsekkene, og denne store økningen i stamceller ble antatt å være ansvarlig for den precancerøse vevssykdommen.

KrasG12D induserer spatiotemporale spesifikke vevsdeformasjoner under hårsekkregenerering.
A. Skjematisk fremstilling av den genetiske tilnærmingen for å indusere KrasG12D i hårsekkstamceller ved bruk av det tamoksifen-induserbare Cre-LoxP (TAM)-systemet.
B. Skjematisk fremstilling som viser tidspunktet for KrasG12D-induksjon og reavbildning i forhold til hårsyklusstadier.
C. Representative bilder av villtype hvilende og voksende hårsekker som inneholder Cre-induserbar tdTomato (Magenta)-reporter etter induksjon.
D. Representative bilder av kontroll- og KrasG12D-hårsekker ved forskjellige hårsyklusstadier. Vevsdeformasjon som tuberkler i den ytre rotskjeden (ORS) er indikert med den røde stiplede linjen.
E. Andel KrasG12D-hårsekker med vevsdeformasjon ved forskjellige stadier av hårsekkvekst.
F. Andel vevsdeformasjoner som opptar de øvre, nedre og bulbøse delene av ORS for individuelle KrasG12D-hårsekker.
Kilde: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

For å teste denne ideen brukte teamet en spesialkonstruert form for mutert KRAS som de kunne aktivere på bestemte tidspunkter i hudcellene i dyrenes hårsekker. Xin og kollegene hans brukte en mikroskopiteknikk kjent som intravital avbildning, som gjør det mulig å ta høyoppløselige bilder av celler in vivo, og å merke og spore individuelle stamceller hos dyrene.

Da KRAS-mutasjonen ble aktivert, begynte alle stamcellene å formere seg raskere, men den precancerøse kulen dannet seg bare på ett spesifikt sted i hårsekken og på ett vekststadium, noe som betyr at den totale økningen i celletall sannsynligvis ikke var hele historien.

Aktivering av KRAS-mutasjonen i hårsekkene førte til at stamceller prolifererte raskere, endret migrasjonsmønstre og delte seg i forskjellige retninger sammenlignet med celler uten den kreftfremmende mutasjonen.

Mutasjonen påvirker et protein kjent som ERK. Xin var i stand til å overvåke ERK-aktivitet i sanntid i individuelle stamceller hos levende dyr og fant en spesifikk endring i aktiviteten til dette proteinet forårsaket av KRAS-mutasjonen. Forskerne var også i stand til å stoppe dannelsen av den precancerøse klumpen ved hjelp av en MEK-hemmer, som blokkerer ERK-aktivitet.

Legemidlet stoppet mutasjonens effekter på cellemigrasjon og -orientering, men ikke på den generelle stamcelleproliferasjonen, noe som betyr at dannelsen av den precancerøse tilstanden er drevet av disse to første endringene, snarere enn økt celleproliferasjon.

Precancerøse endringer i kontekst Den eneste måten forskerne har klart å avdekke disse prinsippene på er å spore effektene av en onkogen mutasjon i sanntid i en levende organisme. Dette er viktig fordi kreft ikke dannes i et vakuum – de er sterkt avhengige av mikromiljøet sitt for å vokse og opprettholde seg selv. Forskerne trengte også å spore ikke bare oppførselen til individuelle celler, men også molekylene inne i disse cellene.

«Tilnærmingen vi har tatt for å forstå disse onkogene hendelsene handler egentlig om å koble sammen på tvers av skalaer», sa Greco. «Strukturen og tilnærmingene som Dr. Xin og Dr. Regot har brukt, har tillatt oss å gå ned til de molekylære elementene, koble dem til celle- og vevsskalaen, noe som gir oss en løsning på disse hendelsene som er så vanskelig å oppnå utenfor en levende organisme.»

Forskerne ønsker nå å følge prosessen over en lengre periode for å se hva som skjer etter at den første bulen dannes. De ønsker også å studere andre onkogene hendelser, som betennelse, for å se om prinsippene de har oppdaget gjelder i andre sammenhenger.