Вчені відстежують найперші фізичні зміни в клітинах, які викликають рак

Коли діагностовано рак, за ним вже є багато подій на клітинному та молекулярному рівнях, які відбулися непоміченими. Хоча для клінічних цілей рак класифікують на ранню та пізню стадії, навіть пухлина на «ранній» стадії є результатом багатьох попередніх змін в організмі, які неможливо було виявити.

Тепер вчені з Медичної школи Єльського університету (YSM) та їхні колеги отримали детальне розуміння деяких із цих ранніх змін, використовуючи потужну мікроскопію з високою роздільною здатністю для відстеження найперших фізичних змін, які викликають рак у клітинах шкіри мишей.

Досліджуючи мишей, які є носіями мутації, яка сприяє розвитку раку у їхніх волосяних фолікулах, вчені виявили, що перші ознаки утворення раку виникають у певний час і в певному місці росту волосяних фолікулів мишей. Більше того, вони виявили, що ці передракові зміни можна блокувати за допомогою препаратів, відомих як інгібітори MEK.

Команду очолював Тяньчі Сінь, доктор філософії, докторант кафедри генетики YSM, і включала Валентину Греко, доктора філософії, професора генетики YSM і члена Єльського онкологічного центру та Єльського центру стовбурових клітин та Сергі Регот, доктор філософії, доцент кафедри молекулярної біології та генетики Медичної школи Джона Гопкінса.

Результати їхнього дослідження були опубліковані в журналі Nature Cell Biology.

Вчені досліджували мишей, у яких розвивається плоскоклітинний рак шкіри, другий за поширеністю тип раку шкіри у людей. Ці миші були генетично модифіковані, щоб мати сприяючу раку мутацію в гені KRAS, який є одним із найбільш часто мутованих онкогенів у ракових захворюваннях людини. Мутації KRAS також були виявлені в раку легенів, підшлункової залози та колоректального раку.

Ранні зміни, які досліджували вчені, включали зростання крихітної ненормальної шишки у волосяному фолікулі, яка класифікується як передракова аномалія. «Розуміння цих ранніх подій може допомогти нам розробити підходи до запобігання розвитку раку», — сказав Сінь, перший автор дослідження.

Хоча їх дослідження було зосереджено на раку шкіри, дослідники вважають, що виявлені ними принципи можна застосувати до багатьох інших видів раку, спричинених мутаціями KRAS, оскільки ключові гени та білки, які беруть участь у цьому, однакові для різних пухлин.

Більше, ніж просто проліферація клітин У людей і мишей волосяні фолікули постійно ростуть, втрачаючи старе волосся та утворюючи нове. Стовбурові клітини, які мають здатність розвиватися в різні типи клітин, відіграють велику роль у цьому процесі оновлення. Попередні дослідження показали, що мутації KRAS призводять до збільшення проліферації стовбурових клітин у волосяних фолікулах, і вважалося, що це значне збільшення кількості стовбурових клітин відповідає за передракові ураження тканин.

KrasG12D викликає просторово-часові специфічні деформації тканин під час регенерації волосяного фолікула.
a. Схема генетичного підходу до індукції KrasG12D у стовбурових клітинах волосяного фолікула з використанням індукованої тамоксифеном системи Cre–LoxP (TAM).
b. Діаграма, що показує час індукції KrasG12D і повторного візуалізації по відношенню до стадій циклу росту волосся.
в. Репрезентативні зображення волосяних фолікулів дикого типу у стані спокою та росту, що містять індуцибельний репортер Cre tdTomato (Magenta) після індукції.
d. Репрезентативні зображення контрольних і KrasG12D волосяних фолікулів на різних стадіях циклу росту волосся. Червоним пунктиром позначено деформацію тканини у вигляді горбків у зовнішньому кореневому чохлі (ЗКЗ).
д. Частка волосяних фолікулів KrasG12D з деформацією тканини на різних стадіях росту волосяних фолікулів.
f. Частка деформацій тканин, що займають верхню, нижню та цибулинну частини ORS для окремих волосяних фолікулів KrasG12D.
Джерело: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Щоб перевірити цю гіпотезу, команда використала спеціально розроблену форму мутованого KRAS, яку вони могли активувати в певний час у клітинах шкіри волосяних фолікулів тварин. Сінь та його колеги використовували техніку мікроскопії, відому як прижиттєва візуалізація, яка дозволяє отримати зображення клітин у живому організмі з високою роздільною здатністю та позначати та відстежувати окремі стовбурові клітини тварин.

Коли мутація KRAS була активована, усі стовбурові клітини почали розмножуватися швидше, але передракова шишка утворилася лише в одному конкретному місці волосяного фолікула та на одній стадії росту, що означає, що загальне збільшення кількості клітин, ймовірно, не було не вся історія.

Активація мутації KRAS у волосяних фолікулах призвела до швидшої проліферації стовбурових клітин, зміни їхніх моделей міграції та поділу в різних напрямках порівняно з клітинами без мутації, що сприяє раку.

Мутація впливає на білок, відомий як ERK. Сін зміг спостерігати активність ERK в реальному часі в окремих стовбурових клітинах живих тварин і виявив специфічну зміну в активності цього білка, спричинену мутацією KRAS. Дослідники також змогли зупинити утворення передракової шишки за допомогою інгібітора MEK, який блокує активність ERK.

Препарат зупинив вплив мутації на міграцію та орієнтацію клітин, але не на загальну проліферацію стовбурових клітин, тобто утворення передракового стану спричинене цими першими двома змінами, а не збільшенням проліферації клітин.

Передракові зміни в контексті Відстеження наслідків онкогенної мутації в реальному часі в живому організмі — єдиний спосіб, яким дослідники змогли виявити ці принципи. Це важливо, оскільки рак не утворюється у вакуумі – він сильно залежить від свого мікросередовища, щоб розвиватися та підтримуватися. Вченим також потрібно було відстежувати не лише поведінку окремих клітин, а й молекули в цих клітинах.

«Підхід, який ми застосували до розуміння цих онкогенних подій, насправді полягає в зв’язку між масштабами», — сказав Греко. «Основи та підходи, які використовував доктор Сін у співпраці з доктором Реготом, дозволили нам перейти до молекулярних елементів, пов’язуючи їх із клітинним і тканинним масштабом, що дає нам дозвіл на ці події, чого так важко досягти за межами живий організм."

Тепер дослідники хочуть відстежувати процес протягом більш тривалого періоду часу, щоб побачити, що відбувається після початкової форми горбка. Вони також хочуть вивчити інші онкогенні події, такі як запалення, щоб побачити, чи принципи, які вони виявили, застосовуються в інших контекстах.