Para ilmuwan melacak perubahan fisik paling awal dalam sel yang menyebabkan kanker

Ketika kanker didiagnosis, sudah ada banyak kejadian di tingkat sel dan molekul yang berlangsung tanpa disadari. Meskipun kanker diklasifikasikan menjadi stadium awal dan stadium akhir untuk tujuan klinis, bahkan tumor stadium "awal" pun merupakan hasil dari banyak perubahan sebelumnya dalam tubuh yang tidak terdeteksi.

Kini, para ilmuwan di Fakultas Kedokteran Universitas Yale (YSM) dan rekan-rekan mereka telah memperoleh wawasan terperinci tentang beberapa perubahan awal ini, menggunakan mikroskopi resolusi tinggi yang canggih untuk melacak perubahan fisik pertama yang menyebabkan kanker pada sel-sel kulit tikus.

Dengan mempelajari tikus yang membawa mutasi yang memicu kanker pada folikel rambut mereka, para ilmuwan menemukan bahwa tanda-tanda pertama pembentukan kanker terjadi pada waktu dan tempat tertentu dalam pertumbuhan folikel rambut tikus. Lebih dari itu, mereka menemukan bahwa perubahan prakanker ini dapat dihambat dengan obat yang dikenal sebagai inhibitor MEK.

Tim tersebut dipimpin oleh Tianchi Xin, PhD, seorang peneliti asosiasi di Departemen Genetika YSM, dan beranggotakan Valentina Greco, PhD, seorang profesor genetika di YSM dan anggota Pusat Kanker Yale dan Pusat Sel Punca Yale, dan Sergi Regot, PhD, seorang profesor madya biologi molekuler dan genetika di Sekolah Kedokteran Johns Hopkins.

Hasil penelitian mereka dipublikasikan dalam jurnal Nature Cell Biology.

Para ilmuwan mempelajari tikus yang mengembangkan karsinoma sel skuamosa kulit, jenis kanker kulit paling umum kedua pada manusia. Tikus-tikus ini dimodifikasi secara genetik dengan mutasi pemicu kanker pada gen KRAS, yang merupakan salah satu onkogen yang paling sering bermutasi pada kanker manusia. Mutasi KRAS juga ditemukan pada kanker paru-paru, pankreas, dan kolorektal.

Perubahan awal yang diteliti para ilmuwan mencakup pertumbuhan benjolan kecil yang tidak normal pada folikel rambut, yang tergolong sebagai kelainan prakanker. "Memahami kejadian awal ini dapat membantu kita mengembangkan pendekatan untuk mencegah kanker terbentuk," kata Xin, penulis pertama penelitian tersebut.

Meskipun penelitian mereka berfokus pada kanker kulit, para peneliti percaya prinsip yang mereka temukan dapat diterapkan pada banyak kanker lain yang disebabkan oleh mutasi KRAS karena gen dan protein utama yang terlibat dalam proses ini sama di semua tumor.

Lebih dari sekadar proliferasi sel Pada manusia dan tikus, folikel rambut terus tumbuh, melepaskan rambut lama dan membentuk rambut baru. Sel punca, yang memiliki kemampuan untuk berkembang menjadi berbagai jenis sel, memainkan peran besar dalam proses pembaruan ini. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa mutasi KRAS menyebabkan peningkatan proliferasi sel punca dalam folikel rambut, dan peningkatan besar dalam sel punca ini dianggap bertanggung jawab atas gangguan jaringan prakanker.

KrasG12D menginduksi deformasi jaringan spesifik spasiotemporal selama regenerasi folikel rambut.
A. Skema pendekatan genetik untuk menginduksi KrasG12D dalam sel induk folikel rambut menggunakan sistem Cre–LoxP (TAM) yang dapat diinduksi tamoxifen.
B. Skema yang menunjukkan waktu induksi dan pencitraan ulang KrasG12D relatif terhadap tahap siklus rambut.
C. Gambar representatif folikel rambut tipe liar yang diam dan tumbuh yang mengandung reporter tdTomato (Magenta) yang dapat diinduksi Cre setelah induksi.
D. Gambar representatif folikel rambut kontrol dan KrasG12D pada berbagai tahap siklus rambut. Deformasi jaringan sebagai tuberkel di selubung akar luar (ORS) ditunjukkan oleh garis putus-putus merah.
E. Proporsi folikel rambut KrasG12D dengan deformasi jaringan pada berbagai tahap pertumbuhan folikel rambut.
F. Proporsi deformasi jaringan yang menempati bagian atas, bawah, dan bulat dari ORS untuk masing-masing folikel rambut KrasG12D.
Sumber: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Untuk menguji gagasan ini, tim menggunakan bentuk rekayasa khusus dari mutasi KRAS yang dapat diaktifkan pada waktu tertentu di sel-sel kulit folikel rambut hewan. Xin dan rekan-rekannya menggunakan teknik mikroskopi yang dikenal sebagai pencitraan intravital, yang memungkinkan gambar sel beresolusi tinggi diambil secara in vivo, dan untuk menandai dan melacak sel-sel induk individual pada hewan.

Ketika mutasi KRAS diaktifkan, semua sel induk mulai berkembang biak lebih cepat, tetapi benjolan prakanker hanya terbentuk di satu lokasi spesifik di folikel rambut dan pada satu tahap pertumbuhan, yang berarti peningkatan keseluruhan dalam jumlah sel kemungkinan bukan keseluruhan ceritanya.

Aktivasi mutasi KRAS pada folikel rambut mengakibatkan sel punca berkembang biak lebih cepat, mengubah pola migrasi dan membelah ke berbagai arah dibandingkan dengan sel tanpa mutasi pemicu kanker.

Mutasi tersebut memengaruhi protein yang dikenal sebagai ERK. Xin mampu memantau aktivitas ERK secara langsung pada sel induk individu pada hewan hidup dan menemukan perubahan spesifik dalam aktivitas protein ini yang disebabkan oleh mutasi KRAS. Para peneliti juga mampu menghentikan pembentukan benjolan prakanker menggunakan penghambat MEK, yang menghambat aktivitas ERK.

Obat tersebut menghentikan efek mutasi pada migrasi dan orientasi sel, tetapi tidak pada proliferasi sel induk secara keseluruhan, yang berarti bahwa pembentukan kondisi prakanker didorong oleh dua perubahan pertama ini, bukan peningkatan proliferasi sel.

Perubahan Prakanker dalam Konteks Melacak efek mutasi onkogenik secara langsung pada organisme hidup adalah satu-satunya cara para peneliti dapat mengungkap prinsip-prinsip ini. Hal ini penting karena kanker tidak terbentuk dalam ruang hampa — kanker sangat bergantung pada lingkungan mikronya untuk tumbuh dan mempertahankan diri. Para ilmuwan juga perlu melacak tidak hanya perilaku sel-sel individual, tetapi juga molekul-molekul di dalam sel-sel tersebut.

"Pendekatan yang kami ambil untuk memahami peristiwa onkogenik ini benar-benar tentang menghubungkan lintas skala," kata Greco. "Struktur dan pendekatan yang digunakan Dr. Xin dan Dr. Regot telah memungkinkan kami untuk menelusuri elemen molekuler, menghubungkannya ke skala seluler dan jaringan, sehingga kami memperoleh penyelesaian atas peristiwa ini yang sangat sulit dicapai di luar organisme hidup."

Para peneliti kini ingin mengikuti proses tersebut dalam jangka waktu yang lebih lama untuk melihat apa yang terjadi setelah tonjolan awal terbentuk. Mereka juga ingin mempelajari kejadian onkogenik lainnya, seperti peradangan, untuk melihat apakah prinsip yang mereka temukan berlaku dalam konteks lain.