Forskare spårar de tidigaste fysiska förändringarna i celler som orsakar cancer

När cancer diagnostiseras finns det redan många händelser på cellulär och molekylär nivå som har pågått obemärkt. Även om cancer klassificeras i tidiga och sena stadier för kliniska ändamål, är även en tumör i "tidigt" skede resultatet av många tidigare förändringar i kroppen som inte kunde upptäckas.

Nu har forskare vid Yale University School of Medicine (YSM) och deras kollegor fått detaljerad insikt i några av dessa tidiga förändringar, med hjälp av kraftfull högupplöst mikroskopi för att spåra de allra första cancerframkallande fysiska förändringarna i mushudceller.

Genom att studera möss som bär på en mutation som främjar cancer i deras hårsäckar, fann forskarna att de första tecknen på cancerbildning uppstår vid en specifik tidpunkt och plats i tillväxten av mössens hårsäckar. Dessutom fann de att dessa precancerösa förändringar kan blockeras med läkemedel som kallas MEK-hämmare.

Teamet leddes av Tianchi Xin, PhD, forskningsassistent vid YSM:s institution för genetik, och inkluderade Valentina Greco, PhD, professor i genetik vid YSM och medlem av Yale Cancer Center och Yale Stem Cell Center, och Sergi Regot, PhD, docent i molekylärbiologi och genetik vid Johns Hopkins School of Medicine.

Resultaten av deras forskning publicerades i tidskriften Nature Cell Biology.

Forskarna studerade möss som utvecklar kutant skivepitelcancer, den näst vanligaste typen av hudcancer hos människor. Dessa möss var genetiskt modifierade med en cancerframkallande mutation i KRAS-genen, som är en av de vanligast muterade onkogenerna i mänskliga cancerformer. KRAS-mutationer har också hittats i lung-, bukspottkörtel- och kolorektalcancer.

De tidiga förändringarna som forskarna studerade inkluderade tillväxten av en liten, onormal knöl i hårsäcken, vilket klassificeras som en precancerös abnormitet. "Att förstå dessa tidiga händelser kan hjälpa oss att utveckla metoder för att förhindra att cancer så småningom bildas", säger Xin, studiens förstaförfattare.

Även om deras studie fokuserar på hudcancer, tror forskarna att de principer de upptäckte skulle kunna tillämpas på många andra cancerformer orsakade av KRAS-mutationer eftersom de viktigaste generna och proteinerna som är involverade i dessa processer är desamma i alla tumörer.

Mer än bara cellproliferation Hos både människor och möss växer hårsäckarna ständigt, de fäller gammalt hår och bildar nytt. Stamceller, som har förmågan att utvecklas till olika celltyper, spelar en stor roll i denna förnyelseprocess. Tidigare studier har visat att KRAS-mutationer leder till ökad stamcellsproliferation i hårsäckarna, och denna stora ökning av stamceller ansågs vara ansvarig för den precancerösa vävnadssjukdomen.

KrasG12D inducerar spatiotemporala specifika vävnadsdeformationer under hårsäcksregenerering.
A. Schematisk bild av den genetiska metoden för att inducera KrasG12D i hårsäcksstamceller med hjälp av det tamoxifen-inducerbara Cre-LoxP (TAM)-systemet.
B. Schematisk bild som visar tidpunkten för KrasG12D-induktion och omavbildning i förhållande till hårcykelstadier.
C. Representativa bilder av vilande och växande hårsäckar av vildtyp innehållande Cre-inducerbar tdTomato (Magenta)-reporter efter induktion.
D. Representativa bilder av kontroll- och KrasG12D-hårsäckar vid olika hårcykelstadier. Vävnadsdeformation som tuberkler i den yttre rotskidan (ORS) indikeras av den röda streckade linjen.
E. Andel KrasG12D-hårsäckar med vävnadsdeformation vid olika stadier av hårsäckstillväxt.
F. Andel vävnadsdeformationer som upptar de övre, nedre och bulbous delarna av ORS för individuella KrasG12D-hårsäckar.
Källa: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

För att testa denna idé använde teamet en specialkonstruerad form av muterad KRAS som de kunde aktivera vid specifika tidpunkter i hudcellerna i djurens hårsäckar. Xin och hans kollegor använde en mikroskopiteknik som kallas intravital avbildning, vilket gör det möjligt att ta högupplösta bilder av celler in vivo, och att märka och spåra enskilda stamceller hos djuren.

När KRAS-mutationen aktiverades började alla stamceller att föröka sig snabbare, men den precancerösa knölen bildades endast på en specifik plats i hårsäcken och i ett tillväxtstadium, vilket innebar att den totala ökningen av cellantal sannolikt inte var hela historien.

Aktivering av KRAS-mutationen i hårsäckar resulterade i att stamceller förökade sig snabbare, ändrade sina migrationsmönster och delade sig i olika riktningar jämfört med celler utan den cancerframkallande mutationen.

Mutationen påverkar ett protein som kallas ERK. Xin kunde övervaka ERK-aktivitet i realtid i individuella stamceller hos levande djur och fann en specifik förändring i proteinets aktivitet orsakad av KRAS-mutationen. Forskarna kunde också stoppa bildandet av den precancerösa knölen med hjälp av en MEK-hämmare, som blockerar ERK-aktivitet.

Läkemedlet stoppade mutationens effekter på cellmigration och orientering, men inte på den totala stamcellsproliferationen, vilket innebär att bildandet av det precancerösa tillståndet drivs av dessa två första förändringar, snarare än ökad cellproliferation.

Precancerösa förändringar i kontext Att spåra effekterna av en onkogen mutation i realtid i en levande organism är det enda sättet forskarna har kunnat avslöja dessa principer. Detta är viktigt eftersom cancer inte bildas i ett vakuum – de är starkt beroende av sin mikromiljö för att växa och vidmakthålla sig själva. Forskarna behövde också spåra inte bara enskilda cellers beteende, utan även molekylerna inuti dessa celler.

"Det tillvägagångssätt vi har använt för att förstå dessa onkogena händelser handlar egentligen om att koppla samman över skalor", sa Greco. "Strukturen och de tillvägagångssätt som Dr. Xin och Dr. Regot har använt har gjort det möjligt för oss att gå ner till de molekylära elementen, koppla dem till cell- och vävnadsskalan, vilket ger oss en lösning på dessa händelser som är så svår att uppnå utanför en levande organism."

Forskarna vill nu följa processen över en längre tidsperiod för att se vad som händer efter att den initiala utbuktningen bildats. De vill också studera andra onkogena händelser, såsom inflammation, för att se om de principer de har upptäckt gäller i andra sammanhang.