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

Når kræft bliver diagnosticeret, er der allerede mange hændelser bag på celle- og molekylært niveau, som skete ubemærket. Selvom kræft er klassificeret i tidlige og sene stadier til kliniske formål, er selv en tumor i "tidligt" stadium resultatet af mange tidligere ændringer i kroppen, som ikke kunne påvises.

Nu har forskere ved Yale University School of Medicine (YSM) og deres kolleger opnået en detaljeret forståelse af nogle af disse tidlige ændringer ved at bruge kraftig højopløsningsmikroskopi til at spore de allerførste fysiske ændringer, der forårsager kræft i musehudceller.

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

Holdet blev ledet af Tianchi Xin, Ph.D., en postdoc-stipendiat i YSM Department of Genetics, og omfattede Valentina Greco, Ph.D., en YSM-professor i genetik og medlem af Yale Cancer Center og Yale Stem Cell Center og Sergi Regot, Ph.D., en assisterende professor i molekylærbiologi og genetik ved Johns Hopkins School of Medicine.

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

Forskere undersøgte mus, der udviklede kutant pladecellekarcinom, den næsthyppigste type hudkræft hos mennesker. Disse mus blev gensplejset til at have en kræftfremmende mutation i KRAS-genet, som er et af de mest almindeligt muterede onkogener i humane kræftformer. KRAS-mutationer er også blevet fundet i lunge-, bugspytkirtel- og tyktarmskræft.

Tidlige ændringer, som forskerne undersøgte, omfattede væksten af en lille, unormal bump i hårsækken, som er klassificeret som en præcancerøs abnormitet. "Forståelse af disse tidlige hændelser kan hjælpe os med at udvikle tilgange til at forhindre kræft i at dannes," sagde Xin, førsteforfatter af undersøgelsen.

Selvom deres undersøgelse fokuserede på hudkræft, mener forskerne, at de principper, de opdagede, kunne anvendes på mange andre kræftformer forårsaget af KRAS-mutationer, fordi de involverede nøglegener og proteiner er de samme på tværs af forskellige tumorer.

Mere end blot celleproliferation Hos både mennesker og mus vokser hårsækkene konstant, afgiver gamle hår og danner nye. Stamceller, som har evnen til at udvikle sig til forskellige typer celler, spiller en stor rolle i denne fornyelsesproces. Tidligere undersøgelser har vist, at KRAS-mutationer fører til øget stamcelleproliferation i hårsækkene, og denne betydelige stigning i stamcelleantal blev anset for at være ansvarlig for den præcancerøse vævslæsion.

KrasG12D forårsager spatiotemporale specifikke vævsdeformationer under hårfollikelregenerering.
en. Skematisk af den genetiske tilgang til at inducere KrasG12D i hårsækkens stamceller ved hjælp af det tamoxifen-inducerbare Cre–LoxP (TAM) system.
b. Diagram, der viser tidspunktet for KrasG12D-induktion og re-billeddannelse i forhold til stadierne af hårvækstcyklussen.
c. Repræsentative billeder af vildtype hvilende og voksende hårsække, der indeholder den Cre tdTomato (Magenta) inducerbare reporter efter induktion.
d. Repræsentative billeder af kontrol og KrasG12D hårsække på forskellige stadier af hårvækstcyklussen. Vævsdeformation i form af tuberkler i den ydre rodskede (ORS) er angivet med den røde stiplede linje.
e. Andel af KrasG12D hårsække med vævsdeformation på forskellige stadier af hårsækkens vækst.
f. Andel af vævsdeformationer, der optager de øvre, nedre og løgformede dele af ORS for individuelle KrasG12D hårsække.
Kilde: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

For at teste denne hypotese brugte holdet en specielt designet form for muteret KRAS, som de kunne aktivere på bestemte tidspunkter i hudcellerne i dyrehårsækkene. Xin og hans kolleger brugte en mikroskopiteknik kendt som intravital billeddannelse, som tillader billeder i høj opløsning af celler i en levende krop og mærker og sporer individuelle stamceller i dyr.

Da KRAS-mutationen blev aktiveret, begyndte alle stamcellerne at proliferere hurtigere, men den præcancerøse bule dannedes kun på ét specifikt sted i hårsækken og på et vækststadium, hvilket betyder, at den samlede stigning i celleantal sandsynligvis ikke var ikke 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 observere ERK-aktivitet i realtid i individuelle stamceller i levende dyr og opdagede en specifik ændring i aktiviteten af dette protein forårsaget af KRAS-mutationen. Forskere var også i stand til at stoppe dannelsen af en præcancerøs bump ved hjælp af en MEK-hæmmer, som blokerer ERK-aktivitet.

Medikamentet stoppede virkningerne af mutationen på cellemigration og -orientering, men ikke på den samlede stamcelleproliferation, hvilket betyder, at dannelsen af den præcancerøse tilstand skyldes disse to første ændringer og ikke øget celleproliferation.

Forstadier til kræftforandringer i kontekst Sporing af virkningerne af en onkogen mutation i realtid i en levende organisme er den eneste måde, forskere har været i stand til at opdage disse principper på. Dette er vigtigt, fordi kræft ikke dannes i et vakuum – den er meget afhængig af sit mikromiljø for at vokse og vedligeholde sig selv. Forskere var også nødt til at spore ikke kun individuelle cellers adfærd, men også molekylerne i disse celler.

"Den tilgang, vi har taget til at forstå disse onkogene hændelser, handler i virkeligheden om at forbinde på tværs af skalaer," sagde Greco. "Rammen og tilgangene, som Dr. Xin brugte i samarbejde med Dr. Regot, gjorde det muligt for os at bevæge os ned til de molekylære elementer og forbinde dem med celle- og vævsskalaen, hvilket giver os en løsning på disse begivenheder, som er så svær at opnå udenfor den levende organisme."

Forskerne ønsker nu at spore processen over en længere periode for at se, hvad der sker, efter det første bump dannes. De ønsker også at studere andre onkogene hændelser, såsom inflammation, for at se, om de principper, de opdagede, gælder i andre sammenhænge.