Forskere sporer de tidligste fysiske ændringer i celler, der forårsager kræft

Når kræft diagnosticeres, er der allerede mange begivenheder på cellulært og molekylært niveau, som har fundet sted ubemærket. Selvom kræft klassificeres i tidlige og sene stadier til kliniske formål, er selv en tumor i et "tidligt" stadie resultatet af mange tidligere ændringer i kroppen, som ikke kunne opdages.

Nu har forskere ved Yale University School of Medicine (YSM) og deres kolleger fået detaljeret indsigt i nogle af disse tidlige ændringer ved at bruge kraftig højopløsningsmikroskopi til at spore de allerførste kræftfremkaldende fysiske ændringer i musehudceller.

Ved at studere mus, der bærer en mutation, der fremmer kræft i deres hårsække, fandt forskerne, at de første tegn på kræftdannelse opstår på et bestemt tidspunkt og sted i væksten af musenes hårsække. Desuden fandt de, at disse præcancerøse forandringer kan blokeres med lægemidler kendt som MEK-hæmmere.

Holdet blev ledet af Tianchi Xin, PhD, en forskningsassistent ved YSM's Institut for Genetik, og bestod af Valentina Greco, PhD, professor i genetik ved YSM og medlem af Yale Cancer Center og Yale Stem Cell Center, og Sergi Regot, PhD, lektor i molekylærbiologi og genetik ved Johns Hopkins School of Medicine.

Resultaterne af deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Cell Biology.

Forskerne studerede mus, der udvikler kutant pladecellecarcinom, den næstmest almindelige type hudkræft hos mennesker. Disse mus blev genetisk modificeret med en kræftfremmende mutation i KRAS-genet, som er et af de mest almindeligt muterede onkogener i menneskelige kræftformer. KRAS-mutationer er også blevet fundet i lunge-, bugspytkirtel- og kolorektalkræft.

De tidlige ændringer, som forskerne studerede, omfattede væksten af en lille, unormal bule i hårsækken, hvilket er klassificeret som en præcancerøs abnormalitet. "Forståelse af disse tidlige begivenheder kan hjælpe os med at udvikle tilgange til at forhindre kræft i at dannes," sagde Xin, studiets førsteforfatter.

Selvom deres undersøgelse fokuserer på hudkræft, mener forskerne, at de principper, de opdagede, kan anvendes på mange andre kræftformer forårsaget af KRAS-mutationer, fordi de vigtigste gener og proteiner, der er involveret i disse processer, er de samme på tværs af tumorer.

Mere end blot celleproliferation Hos både mennesker og mus vokser hårsækkene konstant, hvor de fælder gammelt hår og danner nyt. Stamceller, som har evnen til at udvikle sig til forskellige celletyper, spiller en stor rolle i denne fornyelsesproces. Tidligere undersøgelser har vist, at KRAS-mutationer fører til øget stamcelleproliferation i hårsækkene, og denne store stigning i stamceller blev anset for at være ansvarlig for den præcancerøse vævssygdom.

KrasG12D inducerer spatiotemporale specifikke vævsdeformationer under hårsækkens regenerering.
A. Skematisk oversigt over den genetiske tilgang til at inducere KrasG12D i hårsækkens stamceller ved hjælp af det tamoxifen-inducerbare Cre-LoxP (TAM) system.
B. Skematisk oversigt over timingen af KrasG12D induktion og re-imaging i forhold til hårcyklusstadier.
C. Repræsentative billeder af vildtype hvilende og voksende hårsækker indeholdende den Cre-inducerbare tdTomato (Magenta) reporter efter induktion.
D. Repræsentative billeder af kontrol- og KrasG12D hårsækker på forskellige hårcyklusstadier. Vævsdeformation som tuberkler i den ydre rodskede (ORS) er angivet med den røde stiplede linje.
E. Andel af KrasG12D hårsækker med vævsdeformation på forskellige stadier af hårsækkens vækst.
F. Andel af vævsdeformationer, der optager de øvre, nedre og bulbøse dele af ORS for individuelle KrasG12D hårsækker.
Kilde: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

For at teste denne idé brugte teamet en specielt konstrueret form for muteret KRAS, som de kunne aktivere på bestemte tidspunkter i hudcellerne i dyrenes hårsække. Xin og hans kolleger brugte en mikroskopiteknik kendt som intravital billeddannelse, som gør det muligt at tage billeder af celler i høj opløsning in vivo og at mærke og spore individuelle stamceller i dyrene.

Da KRAS-mutationen blev aktiveret, begyndte alle stamcellerne at formere sig hurtigere, men den præcancerøse bule dannedes kun ét specifikt sted i hårsækken og på ét vækststadium, hvilket betød, at den samlede stigning i celleantal sandsynligvis ikke var hele historien.

Aktivering af KRAS-mutationen i hårsækkene resulterede i, at stamceller prolifererede hurtigere, ændrede deres migrationsmønstre og delte sig i forskellige retninger sammenlignet med celler uden den kræftfremmende mutation.

Mutationen påvirker et protein kendt som ERK. Xin var i stand til at overvåge ERK-aktivitet i realtid i individuelle stamceller hos levende dyr og fandt en specifik ændring i aktiviteten af dette protein forårsaget af KRAS-mutationen. Forskerne var også i stand til at stoppe dannelsen af den præcancerøse klump ved hjælp af en MEK-hæmmer, som blokerer ERK-aktivitet.

Lægemidlet stoppede mutationens virkninger på cellemigration og -orientering, men ikke på den samlede stamcelleproliferation, hvilket betyder, at dannelsen af den præcancerøse tilstand er drevet af disse to første ændringer snarere end øget celleproliferation.

Prækancerøse ændringer i kontekst Den eneste måde, forskerne har været i stand til at afdække disse principper på, er at spore virkningerne af en onkogen mutation i realtid i en levende organisme. Dette er vigtigt, fordi kræft ikke dannes i et vakuum - de er i høj grad afhængige af deres mikromiljø for at vokse og vedligeholde sig selv. Forskerne skulle også spore ikke kun de enkelte cellers adfærd, men også molekylerne inde i disse celler.

"Den tilgang, vi har taget til at forstå disse onkogene begivenheder, handler i virkeligheden om at forbinde på tværs af skalaer," sagde Greco. "Strukturen og tilgangene, som Dr. Xin og Dr. Regot har brugt, har givet os mulighed for at gå ned til de molekylære elementer og forbinde dem med den cellulære og vævsmæssige skala, hvilket giver os en løsning på disse begivenheder, der er så vanskelig at opnå uden for en levende organisme."

Forskerne ønsker nu at følge processen over en længere periode for at se, hvad der sker, efter den første udbuling dannes. De ønsker også at studere andre onkogene hændelser, såsom inflammation, for at se, om de principper, de har opdaget, gælder i andre sammenhænge.