Gli scienziati tracciano i primi cambiamenti fisici nelle cellule che causano il cancro

Quando viene diagnosticato un cancro, molti eventi a livello cellulare e molecolare sono già in atto e passano inosservati. Sebbene il cancro sia classificato in stadi iniziali e avanzati a fini clinici, anche un tumore in fase "iniziale" è il risultato di molti cambiamenti pregressi nell'organismo che non erano rilevabili.

Ora, gli scienziati della Yale University School of Medicine (YSM) e i loro colleghi hanno acquisito conoscenze dettagliate su alcuni di questi primi cambiamenti, utilizzando una potente microscopia ad alta risoluzione per monitorare i primissimi cambiamenti fisici cancerogeni nelle cellule della pelle dei topi.

Studiando topi portatori di una mutazione che promuove il cancro nei follicoli piliferi, gli scienziati hanno scoperto che i primi segni di formazione del cancro si verificano in un momento e in un punto specifici della crescita dei follicoli piliferi dei topi. Inoltre, hanno scoperto che queste alterazioni precancerose possono essere bloccate con farmaci noti come inibitori del MEK.

Il team era guidato da Tianchi Xin, PhD, ricercatore associato presso il Dipartimento di genetica dello YSM, e comprendeva Valentina Greco, PhD, professoressa di genetica allo YSM e membro dello Yale Cancer Center e dello Yale Stem Cell Center, e Sergi Regot, PhD, professore associato di biologia molecolare e genetica presso la Johns Hopkins School of Medicine.

I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Nature Cell Biology.

Gli scienziati hanno studiato topi che sviluppano carcinoma squamocellulare cutaneo, il secondo tipo di tumore della pelle più comune negli esseri umani. Questi topi sono stati geneticamente modificati con una mutazione che promuove il cancro nel gene KRAS, uno degli oncogeni più comunemente mutati nei tumori umani. Mutazioni di KRAS sono state riscontrate anche nei tumori del polmone, del pancreas e del colon-retto.

I primi cambiamenti studiati dagli scienziati includevano la crescita di una piccola protuberanza anomala nel follicolo pilifero, classificata come anomalia precancerosa. "Comprendere questi eventi precoci potrebbe aiutarci a sviluppare approcci per prevenire la formazione del cancro", ha affermato Xin, primo autore dello studio.

Sebbene il loro studio si concentri sul cancro della pelle, i ricercatori ritengono che i principi da loro scoperti potrebbero essere applicati a molti altri tumori causati da mutazioni del gene KRAS, perché i geni e le proteine chiave coinvolti in questi processi sono gli stessi in tutti i tumori.

Più che semplice proliferazione cellulare Sia negli esseri umani che nei topi, i follicoli piliferi sono in continua crescita, perdendo i peli vecchi e formandone di nuovi. Le cellule staminali, che hanno la capacità di svilupparsi in diversi tipi di cellule, svolgono un ruolo importante in questo processo di rinnovamento. Studi precedenti hanno dimostrato che le mutazioni di KRAS portano a una maggiore proliferazione delle cellule staminali nei follicoli piliferi, e si pensava che questo grande aumento di cellule staminali fosse responsabile della malattia tissutale precancerosa.

KrasG12D induce deformazioni tissutali specifiche spaziotemporali durante la rigenerazione del follicolo pilifero.
A. Schema dell'approccio genetico per indurre KrasG12D nelle cellule staminali del follicolo pilifero utilizzando il sistema Cre-LoxP (TAM) inducibile da tamoxifene.
B. Schema che mostra i tempi di induzione e re-imaging di KrasG12D in relazione alle fasi del ciclo pilifero.
C. Immagini rappresentative di follicoli piliferi selvatici quiescenti e in crescita contenenti il reporter tdTomato (Magenta) inducibile da Cre dopo l'induzione.
D. Immagini rappresentative di follicoli piliferi di controllo e KrasG12D in diverse fasi del ciclo pilifero. La deformazione tissutale sotto forma di tubercoli nella guaina radicolare esterna (ORS) è indicata dalla linea tratteggiata rossa.
E. Percentuale di follicoli piliferi KrasG12D con deformazione tissutale in diverse fasi di crescita del follicolo pilifero.
F. Proporzione delle deformazioni tissutali che occupano le parti superiore, inferiore e bulbosa dell'ORS per i singoli follicoli piliferi KrasG12D.
Fonte: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Per testare questa idea, il team ha utilizzato una forma di KRAS mutato appositamente progettata, che poteva essere attivata in momenti specifici nelle cellule cutanee dei follicoli piliferi degli animali. Xin e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica di microscopia nota come imaging intravitale, che consente di acquisire immagini ad alta risoluzione delle cellule in vivo e di marcare e tracciare le singole cellule staminali negli animali.

Quando la mutazione KRAS è stata attivata, tutte le cellule staminali hanno iniziato a proliferare più velocemente, ma la protuberanza precancerosa si è formata solo in un punto specifico del follicolo pilifero e in una fase di crescita, il che significa che l'aumento complessivo del numero di cellule probabilmente non era l'unico problema.

L'attivazione della mutazione KRAS nei follicoli piliferi ha portato le cellule staminali a proliferare più rapidamente, modificando i loro modelli di migrazione e dividendoli in direzioni diverse rispetto alle cellule prive della mutazione che promuove il cancro.

La mutazione colpisce una proteina nota come ERK. Xin è stato in grado di monitorare l'attività di ERK in tempo reale in singole cellule staminali di animali viventi e ha rilevato una variazione specifica nell'attività di questa proteina causata dalla mutazione KRAS. I ricercatori sono stati anche in grado di bloccare la formazione del nodulo precanceroso utilizzando un inibitore di MEK, che blocca l'attività di ERK.

Il farmaco ha bloccato gli effetti della mutazione sulla migrazione e l'orientamento delle cellule, ma non sulla proliferazione complessiva delle cellule staminali, il che significa che la formazione della condizione precancerosa è determinata da questi primi due cambiamenti, piuttosto che da un aumento della proliferazione cellulare.

Cambiamenti precancerosi nel contesto Monitorare gli effetti di una mutazione oncogenica in tempo reale in un organismo vivente è l'unico modo in cui i ricercatori sono stati in grado di scoprire questi principi. Questo è importante perché i tumori non si formano nel vuoto: dipendono fortemente dal loro microambiente per crescere e mantenersi. Gli scienziati avevano anche bisogno di monitorare non solo il comportamento delle singole cellule, ma anche delle molecole al loro interno.

"L'approccio che abbiamo adottato per comprendere questi eventi oncogeni si basa in realtà sulla connessione tra diverse scale", ha affermato Greco. "La struttura e gli approcci utilizzati dal Dott. Xin e dal Dott. Regot ci hanno permesso di scendere fino agli elementi molecolari, collegandoli alla scala cellulare e tissutale, ottenendo una risoluzione di questi eventi così difficile da ottenere al di fuori di un organismo vivente."

I ricercatori ora vogliono seguire il processo per un periodo di tempo più lungo per vedere cosa succede dopo la formazione del rigonfiamento iniziale. Vogliono anche studiare altri eventi oncogeni, come l'infiammazione, per verificare se i principi scoperti siano applicabili in altri contesti.