Para saintis mengesan perubahan fizikal paling awal dalam sel yang menyebabkan kanser

Apabila kanser didiagnosis, sudah ada banyak peristiwa di peringkat selular dan molekul yang telah berlaku tanpa disedari. Walaupun kanser diklasifikasikan 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 gambaran terperinci tentang beberapa perubahan awal ini, menggunakan mikroskop resolusi tinggi yang berkuasa untuk menjejaki perubahan fizikal pertama yang menyebabkan kanser dalam sel kulit tikus.

Dengan mengkaji tikus yang membawa mutasi yang menggalakkan kanser dalam folikel rambut mereka, para 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 itu diketuai oleh Tianchi Xin, PhD, sekutu penyelidik di Jabatan Genetik YSM, dan termasuk Valentina Greco, PhD, seorang profesor genetik di YSM dan ahli Pusat Kanser Yale dan Pusat Sel Stem Yale, dan Sergi Regot, PhD, profesor bersekutu biologi molekul dan genetik di Sekolah Perubatan Johns Hopkins.

Hasil penyelidikan mereka diterbitkan dalam jurnal Nature Cell Biology.

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

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

Walaupun kajian mereka memberi tumpuan kepada kanser kulit, para penyelidik percaya prinsip yang mereka temui boleh digunakan untuk banyak kanser lain yang disebabkan oleh mutasi KRAS kerana gen dan protein utama yang terlibat dalam proses ini adalah sama merentas tumor.

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 jenis sel yang berbeza, memainkan peranan yang besar dalam proses pembaharuan ini. Kajian terdahulu telah menunjukkan bahawa mutasi KRAS membawa kepada peningkatan proliferasi sel stem dalam folikel rambut, dan peningkatan besar dalam sel stem ini dianggap bertanggungjawab untuk gangguan tisu prakanser.

KrasG12D mendorong 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. Skema yang menunjukkan masa induksi dan pengimejan semula KrasG12D berbanding peringkat kitaran rambut.
C. Imej perwakilan folikel rambut senyap dan tumbuh jenis liar yang mengandungi wartawan Cre-inducible tdTomato (Magenta) selepas induksi.
D. Imej perwakilan kawalan dan folikel rambut KrasG12D pada peringkat kitaran rambut yang berbeza. Ubah bentuk tisu sebagai tuberkel dalam sarung akar luar (ORS) ditunjukkan oleh garis putus-putus merah.
E. Perkadaran folikel rambut KrasG12D dengan ubah bentuk tisu pada peringkat pertumbuhan folikel rambut yang berbeza.
F. Perkadaran ubah bentuk tisu yang menduduki bahagian atas, bawah dan bulbous ORS untuk folikel rambut KrasG12D individu.
Sumber: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Untuk menguji idea ini, pasukan menggunakan bentuk KRAS bermutasi yang direka khas yang mereka boleh aktifkan pada masa tertentu dalam sel kulit folikel rambut haiwan itu. Xin dan rakan-rakannya menggunakan teknik mikroskop yang dikenali sebagai pengimejan intravital, yang membolehkan imej sel beresolusi tinggi diambil secara in vivo, dan untuk menandakan dan menjejaki sel stem individu dalam haiwan.

Apabila mutasi KRAS diaktifkan, semua sel stem mula membiak lebih cepat, tetapi benjolan prakanser terbentuk hanya di satu lokasi tertentu dalam folikel rambut dan pada satu peringkat pertumbuhan, bermakna peningkatan keseluruhan dalam bilangan sel mungkin bukan keseluruhan cerita.

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

Mutasi mempengaruhi protein yang dikenali sebagai ERK. Xin dapat memantau aktiviti ERK dalam masa nyata dalam sel stem individu dalam haiwan hidup dan mendapati perubahan khusus dalam aktiviti protein ini disebabkan oleh mutasi KRAS. Para penyelidik juga dapat menghentikan pembentukan ketulan prakanser menggunakan perencat MEK, yang menghalang aktiviti ERK.

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

Perubahan Prakanser dalam Konteks Mengesan kesan mutasi onkogenik dalam masa nyata dalam organisma hidup adalah satu-satunya cara penyelidik dapat mendedahkan prinsip ini. Ini penting kerana kanser tidak terbentuk dalam vakum — mereka sangat bergantung pada persekitaran mikro mereka untuk membesar dan mengekalkan diri mereka sendiri. Para saintis juga perlu menjejaki bukan sahaja tingkah laku sel individu, tetapi juga molekul di dalam sel tersebut.

"Pendekatan yang kami ambil untuk memahami peristiwa onkogenik ini benar-benar mengenai penyambungan merentas skala," kata Greco. "Struktur dan pendekatan yang telah digunakan oleh Dr. Xin dan Dr. Regot telah membolehkan kita turun ke unsur molekul, menghubungkannya dengan skala selular dan tisu, memberikan kita resolusi kejadian ini yang sangat sukar dicapai di luar organisma hidup."

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