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

Quando viene diagnosticato un cancro, dietro di esso si nascondono già molti eventi a livello cellulare e molecolare che sono accaduti inosservati. Sebbene il cancro venga classificato in stadio precoce e tardivo per scopi clinici, anche un tumore allo stadio "iniziale" è il risultato di molti cambiamenti precedenti nel corpo che non erano rilevabili.

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

Studiando topi portatori di una mutazione che promuove lo sviluppo del cancro nei follicoli piliferi, gli scienziati hanno scoperto che i primi segni di formazione del cancro si verificano in un momento e in un luogo specifici durante la crescita dei follicoli piliferi dei topi. Inoltre, hanno scoperto che questi cambiamenti precancerosi possono essere bloccati con farmaci noti come inibitori del MEK.

Il team era guidato da Tianchi Xin, Ph.D., un ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Genetica dell'YSM, e comprendeva Valentina Greco, Ph.D., Professore di Genetica dell'YSM e membro dello Yale Cancer Center e lo Yale Stem Cell Center e Sergi Regot, Ph.D., assistente professore 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 sviluppavano un carcinoma cutaneo a cellule squamose, il secondo tipo più comune di cancro della pelle negli esseri umani. Questi topi sono stati geneticamente modificati per avere una mutazione che promuove il cancro nel gene KRAS, che è uno degli oncogeni più comunemente mutati nei tumori umani. Mutazioni KRAS sono state trovate 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 un'anomalia precancerosa. "Comprendere questi eventi precoci può aiutarci a sviluppare approcci per prevenire la formazione del cancro", ha affermato Xin, primo autore dello studio.

Sebbene il loro studio si sia concentrato sul cancro della pelle, i ricercatori ritengono che i principi da loro scoperti potrebbero essere applicati a molti altri tumori causati da mutazioni KRAS perché i geni chiave e le proteine coinvolte sono gli stessi in diversi tumori.

Molto più che una semplice proliferazione cellulare Sia negli esseri umani che nei topi, i follicoli piliferi crescono costantemente, perdendo i vecchi peli 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 ad un aumento della proliferazione delle cellule staminali nei follicoli piliferi e si ritiene che questo aumento significativo del numero di cellule staminali sia responsabile della lesione precancerosa del tessuto.

KrasG12D provoca deformazioni tissutali spazio-temporali specifiche durante la rigenerazione del follicolo pilifero.
UN. Schema dell'approccio genetico per indurre KrasG12D nelle cellule staminali del follicolo pilifero utilizzando il sistema Cre-LoxP (TAM) inducibile dal tamoxifene.
B. Diagramma che mostra i tempi di induzione e re-imaging di KrasG12D in relazione alle fasi del ciclo di crescita dei capelli.
C. Immagini rappresentative di follicoli piliferi di tipo selvatico a riposo e in crescita contenenti il reporter inducibile Cre tdTomato (Magenta) dopo l'induzione.
D. Immagini rappresentative dei follicoli piliferi di controllo e KrasG12D nelle diverse fasi del ciclo di crescita dei capelli. La deformazione del tessuto sotto forma di tubercoli nella guaina esterna della radice (ORS) è indicata dalla linea tratteggiata rossa.
e. Proporzione di follicoli piliferi KrasG12D con deformazione dei tessuti nei diversi stadi di crescita del follicolo pilifero.
F. Proporzione di deformazioni tissutali che occupano le porzioni superiore, inferiore e bulbosa dell'ORS per i singoli follicoli piliferi KrasG12D.
Fonte: Biologia cellulare naturale (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Per testare questa ipotesi, il team ha utilizzato una forma appositamente progettata di KRAS mutato che poteva attivarsi in momenti specifici nelle cellule della pelle dei follicoli piliferi degli animali. Xin e i suoi colleghi hanno utilizzato una tecnica di microscopia nota come imaging intravitale, che consente immagini ad alta risoluzione di cellule in un corpo vivente e tagga e traccia 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 una posizione specifica nel follicolo pilifero e in uno stadio di crescita, il che significa che l'aumento complessivo del numero di cellule probabilmente è stato questa è tutta la storia.

L'attivazione della mutazione KRAS nei follicoli piliferi ha portato le cellule staminali a proliferare più rapidamente, a modificare i loro modelli migratori e a dividersi in direzioni diverse rispetto alle cellule prive della mutazione promotrice del cancro.

La mutazione colpisce una proteina nota come ERK. Xin è riuscito a osservare l'attività di ERK in tempo reale nelle singole cellule staminali di animali vivi e ha scoperto un cambiamento specifico nell'attività di questa proteina causato dalla mutazione KRAS. I ricercatori sono anche riusciti a fermare la formazione di una protuberanza precancerosa utilizzando un inibitore MEK, che blocca l'attività di ERK.

Il farmaco ha interrotto gli effetti della mutazione sulla migrazione e sull'orientamento cellulare, ma non sulla proliferazione complessiva delle cellule staminali, il che significa che la formazione della condizione precancerosa è dovuta a questi primi due cambiamenti e non all'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 riusciti a scoprire questi principi. Questo è importante perché il cancro non si forma nel vuoto: dipende fortemente dal suo microambiente per crescere e mantenersi. Gli scienziati dovevano inoltre monitorare non solo il comportamento delle singole cellule, ma anche le molecole al loro interno.

"L'approccio che abbiamo adottato per comprendere questi eventi oncogenici riguarda in realtà la connessione su più scale", ha affermato Greco. "La struttura e gli approcci utilizzati dal Dr. Xin in collaborazione con il Dr. Regot ci hanno permesso di scendere fino agli elementi molecolari, collegandoli alla scala cellulare e tissutale, il che ci dà una risoluzione a questi eventi che è così difficile da ottenere all'esterno l'organismo vivente."

I ricercatori ora vogliono monitorare il processo per un periodo di tempo più lungo per vedere cosa succede dopo la formazione della protuberanza iniziale. Vogliono anche studiare altri eventi oncogeni, come l'infiammazione, per vedere se i principi che hanno scoperto si applicano in altri contesti.