Forskare spårar de tidigaste fysiska förändringarna i celler som orsakar cancer

När cancer diagnostiseras finns det redan många händelser bakom det på cellulär och molekylär nivå som inträffade obemärkt. Även om cancer klassificeras i tidiga och sena stadier för kliniska syften, är även en tumör i "tidigt" stadium resultatet av många tidigare förändringar i kroppen som inte gick att upptäcka.

Nu har forskare vid Yale University School of Medicine (YSM) och deras kollegor fått en detaljerad förståelse för några av dessa tidiga förändringar, genom att använda kraftfull högupplöst mikroskopi för att spåra de allra första fysiska förändringarna som orsakar cancer i mushudceller.

Genom att studera möss som bär på en mutation som främjar utvecklingen av cancer i deras hårsäckar, upptäckte forskare att de första tecknen på cancerbildning inträffar 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, Ph.D., en postdoktor vid YSM Department of Genetics, och inkluderade Valentina Greco, Ph.D., en YSM-professor i genetik och en medlem av Yale Cancer Center och Yale Stem Cell Center och Sergi Regot, Ph.D., biträdande professor i molekylärbiologi och genetik vid Johns Hopkins School of Medicine.

Resultaten av deras forskning publicerades i tidskriften Nature Cell Biology.

Forskare studerade möss som utvecklar kutant skivepitelcancer, den näst vanligaste typen av hudcancer hos människor. Dessa möss var genetiskt modifierade för att ha en cancerfrämjande mutation i KRAS-genen, som är en av de vanligast muterade onkogenerna i humana cancerformer. KRAS-mutationer har också hittats i lungcancer, pankreascancer och kolorektal cancer.

Tidiga förändringar som forskarna studerade inkluderade tillväxten av en liten, onormal bula i hårsäcken, som 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, första författare till studien.

Även om deras studie fokuserade på hudcancer, tror forskarna att principerna de upptäckt kan tillämpas på många andra cancerformer orsakade av KRAS-mutationer eftersom nyckelgener och proteiner som är involverade är desamma i olika tumörer.

Mer än bara cellproliferation Hos både människor och möss växer hårsäckarna ständigt, tappar gammalt hår och bildar nya. Stamceller, som har förmågan att utvecklas till olika typer av celler, spelar en stor roll i denna förnyelseprocess. Tidigare studier har visat att KRAS-mutationer leder till ökad stamcellsproliferation i hårsäckar, och denna betydande ökning av stamcellsantalet ansågs vara ansvarig för den precancerösa vävnaden.

KrasG12D orsakar spatiotemporala specifika vävnadsdeformationer under hårsäcksregenerering.
a. Schematisk beskrivning av det genetiska tillvägagångssättet för att inducera KrasG12D i hårsäcksstamceller med det tamoxifen-inducerbara Cre–LoxP (TAM)-systemet.
b. Diagram som visar tidpunkten för KrasG12D-induktion och återbildande i förhållande till stadierna av hårväxtcykeln.
c. Representativa bilder av vilda och växande hårsäckar som innehåller den inducerbara Cre tdTomato (Magenta) reportern efter induktion.
d. Representativa bilder av kontroll och KrasG12D hårsäckar i olika stadier av hårväxtcykeln. Vävnadsdeformation i form av tuberkler i den yttre rotskidan (ORS) indikeras med den röda prickade linjen.
e. Andel KrasG12D hårsäckar med vävnadsdeformation i 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 hypotes använde teamet en specialdesignad form av muterad KRAS som de kunde aktivera vid specifika tidpunkter i hudcellerna hos djurhårsäckar. Xin och hans kollegor använde en mikroskopiteknik känd som intravital avbildning, som tillåter högupplösta bilder av celler i en levande kropp och taggar och spårar individuella stamceller hos djur.

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

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

Mutationen påverkar ett protein som kallas ERK. Xin kunde observera ERK-aktivitet i realtid i individuella stamceller hos levande djur och upptäckte en specifik förändring i aktiviteten hos detta protein orsakad av KRAS-mutationen. Forskare kunde också stoppa bildandet av en precancerös bula med hjälp av en MEK-hämmare, som blockerar ERK-aktivitet.

Läkemedlet stoppade effekterna av mutationen på cellmigration och -orientering, men inte på den totala stamcellsproliferationen, vilket innebär att bildandet av det precancerösa tillståndet beror på dessa två första förändringar och inte på ökad cellproliferation.

Precancerösa förändringar i sammanhanget Att spåra effekterna av en onkogen mutation i realtid i en levande organism är det enda sättet som forskare har kunnat upptäcka dessa principer. Detta är viktigt eftersom cancer inte bildas i ett vakuum – den är starkt beroende av sin mikromiljö för att växa och underhålla sig själv. Forskare behövde också spåra inte bara beteendet hos enskilda celler utan även molekylerna i dessa celler.

"Tillvägagångssättet vi har använt för att förstå dessa onkogena händelser handlar egentligen om att ansluta över skalor," sa Greco. "Ramverket och tillvägagångssätten som Dr. Xin använde i samarbete med Dr. Regot gjorde 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 den levande organismen."

Forskarna vill nu spåra processen över en längre tidsperiod för att se vad som händer efter att den första stöten bildas. De vill också studera andra onkogena händelser, såsom inflammation, för att se om principerna de upptäckt gäller i andra sammanhang.