Учените проследяват най-ранните физически промени в клетките, които причиняват рак

Когато ракът е диагностициран, зад него вече има много събития на клетъчно и молекулярно ниво, които са се случили незабелязано. Въпреки че ракът се класифицира на ранен и късен етап за клинични цели, дори туморът в „ранен“ стадий е резултат от много предишни промени в тялото, които са били неоткриваеми.

Сега учени от Медицинския факултет на Йейлския университет (YSM) и техните колеги придобиха подробно разбиране за някои от тези ранни промени, използвайки мощна микроскопия с висока разделителна способност, за да проследят първите физически промени, които причиняват рак в клетките на кожата на мишката.

Чрез изследване на мишки, които носят мутация, която насърчава развитието на рак в техните космени фоликули, учените откриха, че първите признаци на образуване на рак се появяват в определено време и място в растежа на космените фоликули на мишките. Нещо повече, те откриха, че тези предракови промени могат да бъдат блокирани с лекарства, известни като MEK инхибитори.

Екипът беше ръководен от Tianchi Xin, Ph.D., постдокторант в отдела по генетика на YSM, и включваше Валентина Греко, Ph.D., професор по генетика на YSM и член на Yale Cancer Center и Центърът за стволови клетки на Йейл и Серги Регот, доктор по философия, асистент по молекулярна биология и генетика в Медицинското училище Джон Хопкинс.

Резултатите от тяхното изследване са публикувани в списанието Nature Cell Biology.

Учените са изследвали мишки, развиващи кожен плоскоклетъчен карцином, вторият най-често срещан тип рак на кожата при хората. Тези мишки са генетично конструирани да имат мутация, насърчаваща рака, в гена KRAS, който е един от най-често мутиралите онкогени при човешки рак. KRAS мутации са открити и при рак на белия дроб, панкреаса и колоректален рак.

Ранните промени, изследвани от учените, включват растеж на малка, анормална издатина в космения фоликул, която се класифицира като предракова аномалия. „Разбирането на тези ранни събития може да ни помогне да разработим подходи за предотвратяване на евентуално образуване на рак“, каза Xin, първи автор на изследването.

Въпреки че изследването им се фокусира върху рака на кожата, изследователите вярват, че откритите от тях принципи могат да бъдат приложени към много други видове рак, причинени от мутации на KRAS, тъй като участващите ключови гени и протеини са едни и същи при различните тумори.

Повече от просто клетъчна пролиферация И при хората, и при мишките, космените фоликули непрекъснато растат, отделят стари косми и образуват нови. Стволовите клетки, които имат способността да се развиват в различни видове клетки, играят голяма роля в този процес на обновяване. Предишни проучвания показват, че мутациите на KRAS водят до повишена пролиферация на стволови клетки в космените фоликули и се смята, че това значително увеличение на броя на стволовите клетки е отговорно за предраковата тъканна лезия.

KrasG12D причинява пространствено-времеви специфични тъканни деформации по време на регенерацията на космения фоликул.
а. Схема на генетичния подход за индуциране на KrasG12D в стволови клетки на космения фоликул с помощта на тамоксифен-индуцируемата система Cre–LoxP (TAM).
b. Диаграма, показваща времето на индукция и повторно изобразяване на KrasG12D във връзка с етапите на цикъла на растеж на косата.
° С. Представителни изображения на див тип почиващи и растящи космени фоликули, съдържащи Cre tdTomato (Magenta) индуцируем репортер след индукция.
д. Представителни изображения на контролни и KrasG12D космени фоликули на различни етапи от цикъла на растеж на косата. Тъканната деформация под формата на туберкули във външната обвивка на корена (ORS) е обозначена с червена пунктирана линия.
д. Пропорция на KrasG12D космени фоликули с тъканна деформация на различни етапи от растежа на космения фоликул.
f. Съотношение на тъканни деформации, заемащи горната, долната и луковичната част на ORS за отделни космени фоликули KrasG12D.
Източник: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

За да тества тази хипотеза, екипът използва специално проектирана форма на мутирал KRAS, която може да активира в определени моменти в кожните клетки на животинските космени фоликули. Xin и колегите му използваха микроскопска техника, известна като интравитално изображение, която позволява изображения с висока разделителна способност на клетки в живо тяло и маркира и проследява отделни стволови клетки в животни.

Когато KRAS мутацията беше активирана, всички стволови клетки започнаха да се размножават по-бързо, но предраковата издатина се образува само на едно конкретно място в космения фоликул и на един етап от растежа, което означава, че общото увеличение на броя на клетките вероятно не е не цялата история.

Активирането на мутацията на KRAS в космените фоликули доведе до по-бърза пролиферация на стволови клетки, промяна на моделите им на миграция и делене в различни посоки в сравнение с клетки без мутация, насърчаваща рака.

Мутацията засяга протеин, известен като ERK. Xin успя да наблюдава активността на ERK в реално време в отделни стволови клетки в живи животни и откри специфична промяна в активността на този протеин, причинена от мутацията на KRAS. Изследователите също са успели да спрат образуването на предракова подутина с помощта на MEK инхибитор, който блокира активността на ERK.

Лекарството спря ефектите на мутацията върху клетъчната миграция и ориентация, но не и върху цялостната пролиферация на стволови клетки, което означава, че образуването на предраково състояние се дължи на тези първи две промени, а не на повишена клетъчна пролиферация.

Предракови промени в контекста Проследяването на ефектите от онкогенна мутация в реално време в жив организъм е единственият начин, по който изследователите са успели да открият тези принципи. Това е важно, защото ракът не се образува във вакуум - той е силно зависим от своята микросреда, за да расте и да се поддържа. Учените също трябваше да проследят не само поведението на отделните клетки, но и молекулите в тези клетки.

„Подходът, който сме възприели, за да разберем тези онкогенни събития, всъщност е свързан с свързването в различни мащаби“, каза Греко. „Рамката и подходите, които д-р Xin използва в сътрудничество с д-р Regot, ни позволиха да преминем към молекулярните елементи, свързвайки ги с клетъчния и тъканния мащаб, което ни дава разрешение на тези събития, което е толкова трудно да се постигне навън живия организъм."

Сега изследователите искат да проследят процеса за по-дълъг период от време, за да видят какво се случва след формирането на първоначалната издатина. Те също така искат да проучат други онкогенни събития, като възпаление, за да видят дали принципите, които са открили, се прилагат в други контексти.