นักวิทยาศาสตร์ติดตามการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพในระยะเริ่มแรกในเซลล์ที่ทำให้เกิดมะเร็ง

เมื่อตรวจพบมะเร็งแล้ว ก็มีเหตุการณ์หลายอย่างในระดับเซลล์และโมเลกุลเกิดขึ้นโดยไม่มีใครสังเกตเห็น แม้ว่ามะเร็งจะถูกจำแนกเป็นระยะเริ่มต้นและระยะลุกลามตามวัตถุประสงค์ทางคลินิก แต่แม้แต่เนื้องอก "ระยะเริ่มต้น" ก็เป็นผลจากการเปลี่ยนแปลงในร่างกายก่อนหน้านี้หลายอย่างที่ตรวจไม่พบ

ขณะนี้ นักวิทยาศาสตร์จากคณะแพทยศาสตร์มหาวิทยาลัยเยล (YSM) และเพื่อนร่วมงานได้รับข้อมูลเชิงลึกโดยละเอียดเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเริ่มแรกเหล่านี้ โดยใช้กล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงที่มีประสิทธิภาพในการติดตามการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่ทำให้เกิดมะเร็งครั้งแรกในเซลล์ผิวหนังของหนู

จากการศึกษาหนูที่มีการกลายพันธุ์ที่ส่งเสริมให้เกิดมะเร็งในรูขุมขน นักวิทยาศาสตร์พบว่าสัญญาณแรกของการเกิดมะเร็งเกิดขึ้นในเวลาและสถานที่เฉพาะในการเจริญเติบโตของรูขุมขนของหนู นอกจากนี้ พวกเขายังพบว่าการเปลี่ยนแปลงก่อนเป็นมะเร็งเหล่านี้สามารถถูกปิดกั้นได้ด้วยยาที่เรียกว่าสารยับยั้ง MEK

ทีมดังกล่าวได้รับการนำโดย Tianchi Xin, PhD ผู้ช่วยวิจัยในแผนกพันธุศาสตร์ของ YSM และมี Valentina Greco, PhD ศาสตราจารย์ด้านพันธุศาสตร์ที่ YSM และสมาชิกของ Yale Cancer Center และ Yale Stem Cell Center และ Sergi Regot, PhD ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาโมเลกุลและพันธุศาสตร์ที่ Johns Hopkins School of Medicine

ผลการวิจัยของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Cell Biology

นักวิทยาศาสตร์ศึกษาหนูที่พัฒนาเป็นมะเร็งผิวหนังชนิดเซลล์สความัส ซึ่งเป็นมะเร็งผิวหนังที่พบบ่อยเป็นอันดับสองในมนุษย์ หนูเหล่านี้ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมให้มีการกลายพันธุ์ที่ส่งเสริมมะเร็งในยีน KRAS ซึ่งเป็นหนึ่งในออนโคยีนที่มีการกลายพันธุ์มากที่สุดในมะเร็งของมนุษย์ นอกจากนี้ยังพบการกลายพันธุ์ของ KRAS ในมะเร็งปอด มะเร็งตับอ่อน และมะเร็งลำไส้ใหญ่ด้วย

การเปลี่ยนแปลงในระยะเริ่มแรกที่นักวิทยาศาสตร์ศึกษาได้แก่ การเติบโตของตุ่มเล็ก ๆ ผิดปกติในรูขุมขน ซึ่งจัดเป็นภาวะผิดปกติก่อนเป็นมะเร็ง “การทำความเข้าใจเหตุการณ์ในระยะเริ่มแรกเหล่านี้อาจช่วยให้เราพัฒนาแนวทางในการป้องกันไม่ให้มะเร็งเกิดขึ้นในที่สุด” ซิน ผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าว

แม้ว่าการศึกษาของพวกเขาจะเน้นไปที่มะเร็งผิวหนัง แต่ผู้วิจัยเชื่อว่าหลักการที่พวกเขาค้นพบสามารถนำไปใช้กับมะเร็งชนิดอื่นๆ ที่เกิดจากการกลายพันธุ์ของ KRAS ได้ เนื่องจากยีนและโปรตีนสำคัญที่เกี่ยวข้องในกระบวนการเหล่านี้เหมือนกันในเนื้องอกทุกชนิด

มากกว่าแค่การแพร่กระจายของเซลล์ ในทั้งมนุษย์และหนู รูขุมขนจะเติบโตอย่างต่อเนื่อง ผลัดผมเก่าและสร้างผมใหม่ เซลล์ต้นกำเนิดซึ่งมีความสามารถในการพัฒนาเป็นเซลล์ประเภทต่างๆ มีบทบาทสำคัญในกระบวนการสร้างเซลล์ใหม่นี้ การศึกษาครั้งก่อนแสดงให้เห็นว่าการกลายพันธุ์ของ KRAS ส่งผลให้เซลล์ต้นกำเนิดแพร่กระจายมากขึ้นในรูขุมขน และเซลล์ต้นกำเนิดที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนี้เชื่อกันว่าเป็นสาเหตุของโรคเนื้อเยื่อก่อนเป็นมะเร็ง

KrasG12D ชักนำให้เกิดการผิดรูปของเนื้อเยื่อเฉพาะในเชิงปริภูมิและเวลาในระหว่างการสร้างรูขุมขน ใหม่
A. แผนผังของแนวทางทางพันธุกรรมเพื่อชักนำ KrasG12D ในเซลล์ต้นกำเนิดของรูขุมขนโดยใช้ระบบ Cre–LoxP (TAM) ที่เหนี่ยวนำด้วยแทม็อกซิเฟน
B. แผนผังแสดงเวลาของการชักนำและการสร้างภาพใหม่ของ KrasG12D เมื่อเทียบกับระยะของวงจรชีวิตของเส้นผม
C. ภาพตัวแทนของรูขุมขนที่สงบนิ่งและเติบโตแบบป่าที่มีสารรายงาน tdTomato (Magenta) ที่เหนี่ยวนำด้วย Cre หลังจากการชักนำ
D. ภาพตัวแทนของรูขุมขนควบคุมและ KrasG12D ในระยะของวงจรชีวิตของเส้นผมที่แตกต่างกัน ความผิดปกติของเนื้อเยื่อเป็นตุ่มในปลอกรากผมด้านนอก (ORS) แสดงด้วยเส้นประสีแดง
E. สัดส่วนของรูขุมขน KrasG12D ที่มีการผิดรูปของเนื้อเยื่อในระยะต่างๆ ของการเจริญเติบโตของรูขุมขน
F. สัดส่วนของความผิดปกติของเนื้อเยื่อที่ครอบครองส่วนบน ส่วนล่าง และส่วนที่เป็นปุ่มของ ORS สำหรับรูขุมขน KrasG12D แต่ละอัน
แหล่งที่มา: Nature Cell Biology (2024) DOI: 10.1038/s41556-024-01413-y

เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ ทีมวิจัยได้ใช้ยีน KRAS ที่กลายพันธุ์ในรูปแบบที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ซึ่งสามารถกระตุ้นเซลล์ผิวหนังของรูขุมขนของสัตว์ได้ในเวลาที่กำหนด ซินและเพื่อนร่วมงานได้ใช้เทคนิคกล้องจุลทรรศน์ที่เรียกว่าการถ่ายภาพภายในร่างกาย ซึ่งช่วยให้สามารถถ่ายภาพเซลล์ที่มีความละเอียดสูงได้ในร่างกาย และติดแท็กและติดตามเซลล์ต้นกำเนิดแต่ละเซลล์ในสัตว์

เมื่อการกลายพันธุ์ KRAS ถูกกระตุ้น เซลล์ต้นกำเนิดทั้งหมดจะเริ่มแพร่กระจายเร็วขึ้น แต่ก้อนเนื้อก่อนมะเร็งนั้นก่อตัวขึ้นในตำแหน่งเฉพาะหนึ่งตำแหน่งในรูขุมขนและในระยะหนึ่งของการเจริญเติบโตเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าการเพิ่มขึ้นโดยรวมของจำนวนเซลล์นั้นอาจไม่ใช่สาเหตุทั้งหมด

การกระตุ้นการกลายพันธุ์ KRAS ในรูขุมขนส่งผลให้เซลล์ต้นกำเนิดแพร่กระจายอย่างรวดเร็วมากขึ้น เปลี่ยนรูปแบบการเคลื่อนที่ และแบ่งตัวในทิศทางที่ต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ที่ไม่มีการกลายพันธุ์ที่ส่งเสริมมะเร็ง

การกลายพันธุ์ส่งผลต่อโปรตีนที่เรียกว่า ERK ซินสามารถตรวจสอบกิจกรรมของ ERK ได้แบบเรียลไทม์ในเซลล์ต้นกำเนิดแต่ละเซลล์ของสัตว์ที่มีชีวิต และพบการเปลี่ยนแปลงเฉพาะในกิจกรรมของโปรตีนนี้ที่เกิดจากการกลายพันธุ์ KRAS นอกจากนี้ นักวิจัยยังสามารถหยุดการก่อตัวของก้อนเนื้อก่อนเป็นมะเร็งได้โดยใช้สารยับยั้ง MEK ซึ่งจะปิดกั้นกิจกรรมของ ERK

ยาหยุดผลของการกลายพันธุ์ต่อการอพยพและการวางแนวของเซลล์ แต่ไม่ได้หยุดการแพร่กระจายของเซลล์ต้นกำเนิดโดยรวม ซึ่งหมายความว่าการก่อตัวของภาวะก่อนเป็นมะเร็งนั้นถูกขับเคลื่อนโดยการเปลี่ยนแปลงสองประการแรกนี้ มากกว่าการแพร่กระจายของเซลล์ที่เพิ่มขึ้น

การเปลี่ยนแปลงก่อนเกิดมะเร็งในบริบท การติดตามผลกระทบของการกลายพันธุ์ของมะเร็งในแบบเรียลไทม์ในสิ่งมีชีวิตเป็นวิธีเดียวที่นักวิจัยสามารถค้นพบหลักการเหล่านี้ได้ ซึ่งถือเป็นเรื่องสำคัญเนื่องจากมะเร็งไม่ได้เกิดขึ้นในสุญญากาศ แต่อาศัยสภาพแวดล้อมจุลภาคในการเจริญเติบโตและดำรงอยู่ของมันเอง นักวิทยาศาสตร์ยังต้องติดตามไม่เพียงแค่พฤติกรรมของเซลล์แต่ละเซลล์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงโมเลกุลภายในเซลล์เหล่านั้นด้วย

“แนวทางที่เราใช้ในการทำความเข้าใจเหตุการณ์ก่อมะเร็งเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมโยงข้ามระดับ” เกรโกกล่าว “โครงสร้างและแนวทางที่ดร. ซินและดร. เรกอตใช้ทำให้เราสามารถเจาะลึกลงไปถึงองค์ประกอบระดับโมเลกุล เชื่อมโยงองค์ประกอบเหล่านี้เข้ากับระดับเซลล์และเนื้อเยื่อ ทำให้เราสามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้ ซึ่งเป็นเรื่องยากมากที่จะทำได้นอกสิ่งมีชีวิต”

ขณะนี้ นักวิจัยต้องการติดตามกระบวนการนี้เป็นระยะเวลานานขึ้น เพื่อดูว่าจะเกิดอะไรขึ้นหลังจากเกิดการโป่งพองในระยะเริ่มต้น นอกจากนี้ นักวิจัยยังต้องการศึกษาเหตุการณ์ก่อมะเร็งอื่นๆ เช่น การอักเสบ เพื่อดูว่าหลักการที่ค้นพบสามารถนำไปใช้ในบริบทอื่นๆ ได้หรือไม่