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

Saat kanker terdiagnosis, sudah banyak kejadian di baliknya pada tingkat seluler dan molekuler yang terjadi tanpa disadari. Meskipun kanker diklasifikasikan menjadi stadium awal dan akhir untuk tujuan klinis, bahkan tumor stadium "awal" pun merupakan hasil dari banyak perubahan sebelumnya pada tubuh yang tidak terdeteksi.

Sekarang, para ilmuwan di Yale University School of Medicine (YSM) dan rekan-rekan mereka telah memperoleh pemahaman rinci tentang beberapa perubahan awal ini, menggunakan mikroskop resolusi tinggi yang kuat untuk melacak perubahan fisik pertama yang menyebabkan kanker pada sel kulit tikus..

Dengan mempelajari tikus yang membawa mutasi yang mendorong perkembangan 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. Terlebih lagi, mereka menemukan bahwa perubahan prakanker ini dapat dihambat dengan obat yang dikenal sebagai inhibitor MEK.

Tim ini dipimpin oleh Tianchi Xin, Ph.D., seorang rekan postdoctoral di Departemen Genetika YSM, dan termasuk Valentina Greco, Ph.D., seorang Profesor Genetika YSM dan anggota dari Yale Cancer Center dan Yale Stem Cell Center, dan Sergi Regot, Ph.D., asisten profesor biologi molekuler dan genetika di Johns Hopkins School of Medicine.

Hasil penelitian mereka dipublikasikan di jurnal Nature Cell Biology.

Para ilmuwan mempelajari tikus yang mengidap karsinoma sel skuamosa kulit, jenis kanker kulit kedua yang paling umum pada manusia. Tikus-tikus ini direkayasa secara genetis untuk memiliki 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 dipelajari para ilmuwan mencakup pertumbuhan benjolan kecil dan tidak normal pada folikel rambut, yang diklasifikasikan sebagai kelainan prakanker. “Memahami peristiwa-peristiwa awal ini dapat membantu kita mengembangkan pendekatan untuk mencegah terbentuknya kanker,” kata Xin, penulis pertama studi tersebut.

Meskipun penelitian mereka berfokus pada kanker kulit, para peneliti yakin prinsip yang mereka temukan dapat diterapkan pada banyak kanker lain yang disebabkan oleh mutasi KRAS karena gen dan protein utama yang terlibat sama pada tumor yang berbeda.

Lebih dari sekedar proliferasi sel Baik pada manusia maupun tikus, folikel rambut terus tumbuh, melepaskan rambut lama dan membentuk rambut baru. Sel induk, yang memiliki kemampuan untuk berkembang menjadi berbagai jenis sel, berperan besar dalam proses pembaharuan ini. Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa mutasi KRAS menyebabkan peningkatan proliferasi sel induk di folikel rambut, dan peningkatan jumlah sel induk yang signifikan ini dianggap bertanggung jawab atas lesi jaringan prakanker.

KrasG12D menyebabkan deformasi jaringan spesifik spatiotemporal 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. Diagram yang menunjukkan waktu induksi dan pencitraan ulang KrasG12D sehubungan dengan tahapan siklus pertumbuhan rambut.
C. Gambar representatif dari folikel rambut istirahat dan tumbuh tipe liar yang mengandung reporter yang dapat diinduksi Cre tdTomato (Magenta) setelah induksi.
D. Gambar representatif dari folikel rambut kontrol dan KrasG12D pada berbagai tahap siklus pertumbuhan rambut. Deformasi jaringan berupa tuberkel pada selubung akar luar (ORS) ditandai dengan garis putus-putus berwarna merah.
e. Proporsi folikel rambut KrasG12D dengan deformasi jaringan pada berbagai tahap pertumbuhan folikel rambut.
F. Proporsi deformasi jaringan yang menempati bagian ORS superior, inferior, dan bulbous untuk masing-masing folikel rambut KrasG12D.
Sumber: Biologi Sel Alam (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Untuk menguji hipotesis ini, tim menggunakan bentuk KRAS bermutasi yang dirancang khusus yang dapat diaktifkan pada waktu tertentu di sel kulit folikel rambut hewan. Xin dan rekan-rekannya menggunakan teknik mikroskop yang dikenal sebagai pencitraan intravital, yang memungkinkan gambar sel dalam tubuh hidup beresolusi tinggi dan menandai serta melacak sel induk individu pada hewan.

Ketika mutasi KRAS diaktifkan, semua sel induk mulai berkembang biak lebih cepat, namun benjolan prakanker hanya terbentuk di satu lokasi tertentu di folikel rambut dan pada satu tahap pertumbuhan, yang berarti peningkatan jumlah sel secara keseluruhan kemungkinan besar tidak terjadi. Bukan keseluruhan cerita.

Aktivasi mutasi KRAS pada folikel rambut mengakibatkan sel induk berkembang biak lebih cepat, mengubah pola migrasinya, dan membelah ke arah yang berbeda dibandingkan dengan sel tanpa mutasi pemicu kanker.

Mutasi mempengaruhi protein yang dikenal sebagai ERK. Xin mampu mengamati aktivitas ERK secara real time pada sel induk individu pada hewan hidup dan menemukan perubahan spesifik pada aktivitas protein ini yang disebabkan oleh mutasi KRAS. Para peneliti juga mampu menghentikan pembentukan benjolan prakanker menggunakan inhibitor MEK, yang menghambat aktivitas ERK.

Obat tersebut menghentikan efek mutasi pada migrasi dan orientasi sel, namun tidak pada proliferasi sel induk secara keseluruhan. Artinya, pembentukan kondisi prakanker disebabkan oleh dua perubahan pertama ini dan bukan peningkatan proliferasi sel.

Perubahan prakanker dalam konteks Melacak efek mutasi onkogenik secara real time pada organisme hidup adalah satu-satunya cara para peneliti dapat menemukan prinsip-prinsip ini. Hal ini penting karena kanker tidak terbentuk dalam ruang hampa – kanker sangat bergantung pada lingkungan mikro untuk tumbuh dan mempertahankan dirinya. Para ilmuwan juga perlu melacak tidak hanya perilaku masing-masing sel, tetapi juga molekul di dalam sel tersebut.

"Pendekatan yang kami ambil untuk memahami kejadian onkogenik ini adalah dengan menghubungkan lintas skala," kata Greco. “Kerangka kerja dan pendekatan yang digunakan Dr. Xin bekerja sama dengan Dr. Regot memungkinkan kita untuk beralih ke elemen molekuler, menghubungkannya dengan skala seluler dan jaringan, yang memberi kita resolusi terhadap peristiwa-peristiwa yang sangat sulit dicapai di luar sana. Organisme hidup."

Para peneliti sekarang ingin melacak proses tersebut dalam jangka waktu yang lebih lama untuk melihat apa yang terjadi setelah benjolan awal terbentuk. Mereka juga ingin mempelajari kejadian onkogenik lainnya, seperti peradangan, untuk melihat apakah prinsip yang mereka temukan dapat diterapkan dalam konteks lain.