Para saintis mengesan perubahan fizikal terawal dalam sel yang menyebabkan kanser

Apabila kanser didiagnosis, sudah ada banyak peristiwa di belakangnya pada peringkat selular dan molekul yang berlaku tanpa disedari. Walaupun kanser dikelaskan kepada peringkat awal dan akhir untuk tujuan klinikal, malah tumor peringkat "awal" adalah hasil daripada banyak perubahan sebelumnya dalam badan yang tidak dapat dikesan.

Kini, saintis di Sekolah Perubatan Universiti Yale (YSM) dan rakan sekerja mereka telah memperoleh pemahaman terperinci tentang beberapa perubahan awal ini, menggunakan mikroskop resolusi tinggi yang berkuasa untuk menjejaki perubahan fizikal pertama yang menyebabkan kanser dalam sel kulit tetikus.

Dengan mengkaji tikus yang membawa mutasi yang menggalakkan perkembangan kanser dalam folikel rambut mereka, saintis mendapati bahawa tanda-tanda awal pembentukan kanser berlaku pada masa dan tempat tertentu dalam pertumbuhan folikel rambut tikus. Lebih-lebih lagi, mereka mendapati bahawa perubahan prakanser ini boleh disekat dengan ubat yang dikenali sebagai perencat MEK.

Pasukan ini diketuai oleh Tianchi Xin, Ph.D., seorang felo pascadoktoral di Jabatan Genetik YSM, dan termasuk Valentina Greco, Ph.D., Profesor Genetik YSM dan ahli Pusat Kanser Yale dan Pusat Sel Stem Yale dan Sergi Regot, Ph.D., penolong profesor biologi molekul dan genetik di Sekolah Perubatan Johns Hopkins.

Hasil penyelidikan mereka diterbitkan dalam jurnal Nature Cell Biology.

Para saintis mengkaji tikus yang mengalami karsinoma sel skuamosa kulit, jenis kanser kulit kedua paling biasa pada manusia. Tikus ini direka bentuk secara genetik untuk mempunyai mutasi yang menggalakkan kanser dalam gen KRAS, yang merupakan salah satu onkogen yang paling biasa bermutasi dalam kanser manusia. Mutasi KRAS juga ditemui pada kanser paru-paru, pankreas dan kolorektal.

Perubahan awal yang dikaji oleh saintis termasuk pertumbuhan benjolan kecil yang tidak normal pada folikel rambut, yang diklasifikasikan sebagai keabnormalan prakanser. "Memahami peristiwa awal ini boleh membantu kami membangunkan pendekatan untuk mencegah kanser daripada akhirnya terbentuk," kata Xin, pengarang pertama kajian itu.

Walaupun kajian mereka tertumpu pada kanser kulit, para penyelidik percaya prinsip yang mereka temui boleh digunakan pada banyak kanser lain yang disebabkan oleh mutasi KRAS kerana gen dan protein utama yang terlibat adalah sama merentas tumor yang berbeza.

Lebih daripada sekadar percambahan sel Dalam kedua-dua manusia dan tikus, folikel rambut sentiasa tumbuh, menggugurkan rambut lama dan membentuk yang baru. Sel stem, yang mempunyai keupayaan untuk berkembang menjadi pelbagai jenis sel, memainkan peranan yang besar dalam proses pembaharuan ini. Kajian terdahulu telah menunjukkan bahawa mutasi KRAS membawa kepada peningkatan percambahan sel stem dalam folikel rambut, dan peningkatan ketara dalam bilangan sel stem ini dianggap bertanggungjawab terhadap lesi tisu prakanser.

KrasG12D menyebabkan ubah bentuk tisu khusus spatiotemporal semasa penjanaan semula folikel rambut.
a. Skema pendekatan genetik untuk mendorong KrasG12D dalam sel stem folikel rambut menggunakan sistem Cre-LoxP (TAM) yang boleh diinduksi tamoxifen.
b. Rajah menunjukkan masa induksi dan pengimejan semula KrasG12D berhubung dengan peringkat kitaran pertumbuhan rambut.
c. Imej perwakilan jenis liar yang sedang berehat dan tumbuh folikel rambut mengandungi wartawan teraruh Cre tdTomato (Magenta) selepas induksi.
d. Imej perwakilan kawalan dan folikel rambut KrasG12D pada peringkat berbeza kitaran pertumbuhan rambut. Ubah bentuk tisu dalam bentuk tuberkel dalam sarung akar luar (ORS) ditunjukkan oleh garis putus-putus merah.
e. Bahagian folikel rambut KrasG12D dengan ubah bentuk tisu pada peringkat pertumbuhan folikel rambut yang berbeza.
f. Bahagian ubah bentuk tisu yang menduduki bahagian atas, inferior dan bulbous ORS untuk folikel rambut KrasG12D individu.
Sumber: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Untuk menguji hipotesis ini, pasukan menggunakan bentuk KRAS bermutasi yang direka khas yang boleh mereka aktifkan pada masa tertentu dalam sel kulit folikel rambut haiwan. Xin dan rakan sekerjanya menggunakan teknik mikroskop yang dikenali sebagai pengimejan intravital, yang membolehkan imej resolusi tinggi sel dalam badan hidup dan menandakan serta menjejaki sel stem individu dalam haiwan.

Apabila mutasi KRAS diaktifkan, semua sel stem mula membiak dengan lebih cepat, tetapi benjolan prakanser hanya terbentuk pada satu lokasi tertentu dalam folikel rambut dan pada satu peringkat pertumbuhan, bermakna peningkatan keseluruhan bilangan sel mungkin tidak 't keseluruhan cerita.

Pengaktifan mutasi KRAS dalam folikel rambut menyebabkan sel stem membiak dengan lebih cepat, mengubah corak migrasinya dan membahagi ke arah yang berbeza berbanding dengan sel tanpa mutasi yang menggalakkan kanser.

Mutasi mempengaruhi protein yang dikenali sebagai ERK. Xin dapat memerhati aktiviti ERK dalam masa nyata dalam sel stem individu dalam haiwan hidup dan menemui perubahan khusus dalam aktiviti protein ini yang disebabkan oleh mutasi KRAS. Penyelidik juga dapat menghentikan pembentukan benjolan prakanser menggunakan perencat MEK, yang menyekat aktiviti ERK.

Ubat itu menghentikan kesan mutasi pada penghijrahan dan orientasi sel, tetapi bukan pada percambahan sel stem keseluruhan, bermakna pembentukan keadaan prakanser adalah disebabkan oleh dua perubahan pertama ini dan bukan peningkatan percambahan sel.

Perubahan prakanser dalam konteks Mengesan kesan mutasi onkogenik dalam masa nyata dalam organisma hidup ialah satu-satunya cara penyelidik dapat menemui prinsip ini. Ini penting kerana kanser tidak terbentuk dalam vakum - ia sangat bergantung kepada persekitaran mikronya untuk membesar dan mengekalkan dirinya. Para saintis juga perlu menjejaki bukan sahaja tingkah laku sel individu, tetapi juga molekul dalam sel tersebut.

"Pendekatan yang kami ambil untuk memahami peristiwa onkogenik ini benar-benar mengenai penyambungan merentas skala," kata Greco. "Rangka kerja dan pendekatan yang digunakan oleh Dr. Xin dengan kerjasama Dr. Regot membolehkan kami beralih ke unsur molekul, menghubungkannya dengan skala selular dan tisu, yang memberikan kami resolusi kepada peristiwa ini yang sangat sukar dicapai di luar. Organisma hidup."

Para penyelidik kini ingin menjejaki proses dalam tempoh yang lebih lama untuk melihat apa yang berlaku selepas benjolan awal terbentuk. Mereka juga ingin mengkaji peristiwa onkogenik lain, seperti keradangan, untuk melihat sama ada prinsip yang mereka temui terpakai dalam konteks lain.