Wissenschaftler verfolgen die frühesten physikalischen Veränderungen in Zellen, die Krebs verursachen

Bei der Diagnose Krebs laufen bereits viele Vorgänge auf zellulärer und molekularer Ebene unbemerkt ab. Obwohl Krebs klinisch in Früh- und Spätstadien eingeteilt wird, ist selbst ein Tumor im Frühstadium das Ergebnis vieler vorangegangener Veränderungen im Körper, die bisher nicht erkennbar waren.

Nun ist es Wissenschaftlern der Yale University School of Medicine (YSM) und ihren Kollegen gelungen, einige dieser frühen Veränderungen detailliert zu untersuchen. Mithilfe leistungsstarker hochauflösender Mikroskopie konnten sie die allerersten krebserregenden physikalischen Veränderungen in den Hautzellen von Mäusen verfolgen.

Bei der Untersuchung von Mäusen mit einer Mutation, die Krebs in den Haarfollikeln fördert, fanden die Wissenschaftler heraus, dass die ersten Anzeichen von Krebsbildung zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einer bestimmten Stelle im Wachstum der Haarfollikel der Mäuse auftreten. Darüber hinaus stellten sie fest, dass diese präkanzerösen Veränderungen mit Medikamenten, sogenannten MEK-Inhibitoren, blockiert werden können.

Das Team wurde von Tianchi Xin, PhD, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter in der Abteilung für Genetik des YSM, geleitet und umfasste Valentina Greco, PhD, Professorin für Genetik am YSM und Mitglied des Yale Cancer Center und des Yale Stem Cell Center, und Sergi Regot, PhD, außerordentlicher Professor für Molekularbiologie und Genetik an der Johns Hopkins School of Medicine.

Die Ergebnisse ihrer Forschung wurden in der Zeitschrift Nature Cell Biology veröffentlicht.

Die Wissenschaftler untersuchten Mäuse, die an Plattenepithelkarzinomen der Haut erkrankten, der zweithäufigsten Hautkrebsart beim Menschen. Diese Mäuse wurden genetisch verändert und mit einer krebsfördernden Mutation im KRAS-Gen versehen, einem der am häufigsten mutierten Onkogene bei menschlichen Krebserkrankungen. KRAS-Mutationen wurden auch bei Lungen-, Bauchspeicheldrüsen- und Dickdarmkrebs gefunden.

Zu den frühen Veränderungen, die die Wissenschaftler untersuchten, gehörte das Wachstum einer winzigen, abnormalen Beule im Haarfollikel, die als präkanzeröse Anomalie gilt. „Das Verständnis dieser frühen Ereignisse kann uns helfen, Ansätze zu entwickeln, um die Entstehung von Krebs zu verhindern“, sagte Xin, der Erstautor der Studie.

Obwohl sich ihre Studie auf Hautkrebs konzentriert, glauben die Forscher, dass die von ihnen entdeckten Prinzipien auf viele andere Krebsarten angewendet werden könnten, die durch KRAS-Mutationen verursacht werden, da die an diesen Prozessen beteiligten Schlüsselgene und -proteine bei allen Tumoren dieselben sind.

Mehr als nur Zellvermehrung: Sowohl bei Menschen als auch bei Mäusen wachsen Haarfollikel ständig, verlieren alte Haare und bilden neue. Stammzellen, die sich in verschiedene Zelltypen entwickeln können, spielen bei diesem Erneuerungsprozess eine wichtige Rolle. Frühere Studien zeigten, dass KRAS-Mutationen zu einer erhöhten Stammzellvermehrung in Haarfollikeln führen. Dieser starke Anstieg der Stammzellen galt als Ursache für die präkanzeröse Gewebeerkrankung.

KrasG12D induziert räumlich-zeitliche, spezifische Gewebedeformationen während der Haarfollikelregeneration.
A. Schema des genetischen Ansatzes zur Induktion von KrasG12D in Haarfollikelstammzellen mithilfe des Tamoxifen-induzierbaren Cre-LoxP (TAM)-Systems.
B. Schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs der KrasG12D-Induktion und -Neuabbildung im Verhältnis zu den Haarzyklusstadien.
C. Repräsentative Bilder von ruhenden und wachsenden Wildtyp-Haarfollikeln mit dem Cre-induzierbaren tdTomato (Magenta)-Reporter nach der Induktion.
D. Repräsentative Bilder von Kontroll- und KrasG12D-Haarfollikeln in verschiedenen Haarzyklusstadien. Gewebedeformationen in Form von Tuberkeln in der äußeren Wurzelscheide (ORS) sind durch die rot gepunktete Linie gekennzeichnet.
E. Anteil der KrasG12D-Haarfollikel mit Gewebedeformation in verschiedenen Stadien des Haarfollikelwachstums.
F. Anteil der Gewebedeformationen im oberen, unteren und bauchigen Bereich der ORS für einzelne KrasG12D-Haarfollikel.
Quelle: Nature Cell Biology (2024). DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

Um diese Idee zu testen, verwendete das Team eine speziell entwickelte Form des mutierten KRAS, die sie zu bestimmten Zeitpunkten in den Hautzellen der Haarfollikel der Tiere aktivieren konnten. Xin und seine Kollegen nutzten eine Mikroskopietechnik namens Intravitalbildgebung, die hochauflösende Bilder von Zellen in vivo ermöglicht und die Markierung und Verfolgung einzelner Stammzellen in den Tieren ermöglicht.

Als die KRAS-Mutation aktiviert wurde, begannen sich alle Stammzellen schneller zu vermehren, doch die präkanzeröse Beule bildete sich nur an einer bestimmten Stelle im Haarfollikel und in einem bestimmten Wachstumsstadium. Das bedeutet, dass der allgemeine Anstieg der Zellzahl wahrscheinlich nicht die ganze Ursache war.

Die Aktivierung der KRAS-Mutation in Haarfollikeln führte dazu, dass sich Stammzellen schneller vermehrten, ihre Migrationsmuster änderten und sich in andere Richtungen teilten als Zellen ohne die krebsfördernde Mutation.

Die Mutation betrifft ein Protein namens ERK. Xin konnte die ERK-Aktivität in einzelnen Stammzellen lebender Tiere in Echtzeit überwachen und fand eine spezifische Veränderung der Proteinaktivität, die durch die KRAS-Mutation verursacht wurde. Die Forscher konnten außerdem die Bildung des präkanzerösen Knotens mithilfe eines MEK-Inhibitors, der die ERK-Aktivität blockiert, stoppen.

Das Medikament stoppte die Auswirkungen der Mutation auf die Zellmigration und -ausrichtung, nicht jedoch auf die allgemeine Stammzellvermehrung. Dies bedeutet, dass die Entstehung der Krebsvorstufe eher durch diese ersten beiden Veränderungen als durch eine erhöhte Zellvermehrung bedingt ist.

Präkanzeröse Veränderungen im Kontext Nur durch die Echtzeitverfolgung der Auswirkungen einer onkogenen Mutation in einem lebenden Organismus konnten die Forscher diese Prinzipien aufdecken. Dies ist wichtig, da Krebs nicht im luftleeren Raum entsteht – er ist für Wachstum und Erhaltung stark auf sein Mikroumfeld angewiesen. Die Wissenschaftler mussten nicht nur das Verhalten einzelner Zellen, sondern auch die Moleküle in diesen Zellen verfolgen.

„Unser Ansatz zum Verständnis dieser onkogenen Ereignisse basiert auf der Verknüpfung verschiedener Skalen“, sagte Greco. „Die Struktur und die Ansätze von Dr. Xin und Dr. Regot haben es uns ermöglicht, bis zu den molekularen Elementen vorzudringen und sie mit der Zell- und Gewebeebene zu verknüpfen. Dies ermöglicht uns eine Auflösung dieser Ereignisse, die außerhalb eines lebenden Organismus nur schwer zu erreichen ist.“

Die Forscher wollen den Prozess nun über einen längeren Zeitraum verfolgen, um zu sehen, was nach der Bildung der ersten Ausbuchtung passiert. Sie wollen auch andere onkogene Ereignisse, wie etwa Entzündungen, untersuchen, um zu prüfen, ob die von ihnen entdeckten Prinzipien auch in anderen Zusammenhängen anwendbar sind.