Wetenschappers volgen de vroegste fysieke veranderingen in cellen die kanker veroorzaken

Wanneer kanker wordt gediagnosticeerd, gaan er op cellulair en moleculair niveau al veel gebeurtenissen achter schuil die onopgemerkt zijn gebleven. Hoewel kanker voor klinische doeleinden wordt ingedeeld in vroege en late stadia, is zelfs een tumor in een 'vroeg' stadium het resultaat van vele eerdere veranderingen in het lichaam die niet detecteerbaar waren.

Nu hebben wetenschappers van de Yale University School of Medicine (YSM) en hun collega's een gedetailleerd inzicht gekregen in enkele van deze vroege veranderingen, met behulp van krachtige hoge-resolutiemicroscopie om de allereerste fysieke veranderingen te volgen die kanker veroorzaken in de huidcellen van muizen.

Door muizen te bestuderen die een mutatie dragen die de ontwikkeling van kanker in hun haarzakjes bevordert, ontdekten wetenschappers dat de eerste tekenen van kankervorming op een specifiek tijdstip en op een specifieke plaats in de groei van de haarzakjes van de muis optreden. Bovendien ontdekten ze dat deze precancereuze veranderingen kunnen worden geblokkeerd met medicijnen die bekend staan als MEK-remmers.

Het team werd geleid door Tianchi Xin, Ph.D., een postdoctoraal fellow bij de YSM Department of Genetics, en bestond uit Valentina Greco, Ph.D., een YSM Professor of Genetics en lid van het Yale Cancer Center en het Yale Stem Cell Center, en Sergi Regot, Ph.D., assistent-professor moleculaire biologie en genetica aan de Johns Hopkins School of Medicine.

De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Cell Biology.

Wetenschappers bestudeerden muizen die plaveiselcelcarcinoom van de huid ontwikkelden, het op één na meest voorkomende type huidkanker bij mensen. Deze muizen zijn genetisch gemanipuleerd om een kankerbevorderende mutatie te hebben in het KRAS-gen, een van de meest gemuteerde oncogenen bij menselijke kankers. KRAS-mutaties zijn ook gevonden bij long-, pancreas- en colorectale kanker.

Eerste veranderingen die de wetenschappers bestudeerden, waren onder meer de groei van een klein, abnormaal bultje in de haarzakjes, dat geclassificeerd wordt als een precancereuze afwijking. "Het begrijpen van deze vroege gebeurtenissen kan ons helpen benaderingen te ontwikkelen om te voorkomen dat kanker uiteindelijk ontstaat", zegt Xin, eerste auteur van het onderzoek.

Hoewel hun onderzoek zich op huidkanker concentreerde, geloven de onderzoekers dat de principes die ze ontdekten kunnen worden toegepast op veel andere vormen van kanker die worden veroorzaakt door KRAS-mutaties, omdat de belangrijkste betrokken genen en eiwitten bij verschillende tumoren hetzelfde zijn.

Meer dan alleen celproliferatie Bij zowel mensen als muizen groeien de haarzakjes voortdurend, waarbij ze oud haar afstoten en nieuwe vormen. Stamcellen, die het vermogen hebben zich te ontwikkelen tot verschillende celtypen, spelen een grote rol in dit vernieuwingsproces. Eerdere studies hebben aangetoond dat KRAS-mutaties leiden tot een verhoogde stamcelproliferatie in de haarzakjes, en men dacht dat deze significante toename in het aantal stamcellen verantwoordelijk was voor de precancereuze weefsellaesie.

KrasG12D veroorzaakt spatiotemporele weefselvervormingen tijdens de regeneratie van de haarzakjes.
A. Schematische weergave van de genetische benadering om KrasG12D te induceren in haarfollikelstamcellen met behulp van het tamoxifen-induceerbare Cre-LoxP (TAM)-systeem.
B. Diagram dat de timing van KrasG12D-inductie en herbeeldvorming toont in relatie tot de stadia van de haargroeicyclus.
C. Representatieve afbeeldingen van rustende en groeiende haarzakjes van het wildtype die na inductie de Cre tdTomato (Magenta) induceerbare reporter bevatten.
D. Representatieve beelden van controle- en KrasG12D-haarzakjes in verschillende stadia van de haargroeicyclus. Weefselvervorming in de vorm van knobbeltjes in de buitenste wortelschede (ORS) wordt aangegeven door de rode stippellijn.
e. Aandeel KrasG12D-haarzakjes met weefseldeformatie in verschillende stadia van haarfollikelgroei.
f. Aandeel weefseldeformaties die de superieure, inferieure en bolvormige delen van de ORS bezetten voor individuele KrasG12D-haarzakjes.
Bron: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Om deze hypothese te testen, gebruikte het team een speciaal ontworpen vorm van gemuteerd KRAS dat ze op specifieke tijdstippen konden activeren in de huidcellen van dierlijke haarzakjes. Xin en zijn collega's gebruikten een microscopietechniek die bekendstaat als intravitale beeldvorming, waarmee cellen in een levend lichaam met een hoge resolutie kunnen worden afgebeeld en individuele stamcellen in dieren kunnen worden getagd en gevolgd.

Toen de KRAS-mutatie werd geactiveerd, begonnen alle stamcellen sneller te prolifereren, maar de precancereuze bult vormde zich alleen op één specifieke locatie in de haarfollikel en in één groeifase, wat betekent dat de algehele toename van het aantal cellen waarschijnlijk niet het hele verhaal was.

Activering van de KRAS-mutatie in haarfollikels resulteerde in snellere proliferatie van stamcellen, verandering van hun migratiepatronen en deling in andere richtingen vergeleken met cellen zonder de kankerbevorderende mutatie.

De mutatie beïnvloedt een eiwit dat bekendstaat als ERK. Xin was in staat om ERK-activiteit in realtime te observeren in individuele stamcellen in levende dieren en ontdekte een specifieke verandering in de activiteit van dit eiwit veroorzaakt door de KRAS-mutatie. Onderzoekers konden ook de vorming van een precancereuze bult stoppen met behulp van een MEK-remmer, die ERK-activiteit blokkeert.

Het medicijn stopte de effecten van de mutatie op celmigratie en -oriëntatie, maar niet op de algehele proliferatie van stamcellen, wat betekent dat de vorming van de precancereuze aandoening te wijten is aan deze eerste twee veranderingen en niet aan toegenomen celproliferatie.

Precancereuze veranderingen in context Het volgen van de effecten van een oncogene mutatie in realtime in een levend organisme is de enige manier waarop onderzoekers deze principes hebben kunnen ontdekken. Dit is belangrijk omdat kanker zich niet in een vacuüm vormt - het is sterk afhankelijk van zijn micro-omgeving om zichzelf te laten groeien en in stand te houden. Wetenschappers moesten ook niet alleen het gedrag van individuele cellen volgen, maar ook de moleculen in die cellen.

"De aanpak die we hebben gekozen om deze oncogene gebeurtenissen te begrijpen, gaat echt over het verbinden over schalen heen," zei Greco. "Het raamwerk en de benaderingen die Dr. Xin gebruikte in samenwerking met Dr. Regot, stelden ons in staat om door te dringen tot de moleculaire elementen, en deze te koppelen aan de cellulaire en weefselschaal, wat ons een oplossing biedt voor deze gebeurtenissen die zo moeilijk te bereiken is buiten het levende organisme."

De onderzoekers willen het proces nu over een langere periode volgen om te zien wat er gebeurt nadat de eerste hobbel is gevormd. Ze willen ook andere oncogene gebeurtenissen bestuderen, zoals ontstekingen, om te zien of de principes die ze ontdekten ook in andere contexten van toepassing zijn.