Długotrwałe narażenie na dym papierosowy może zmieniać komórki macierzyste płuc jeszcze przed pojawieniem się nowotworu. Badacze z Johns Hopkins Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center wykazali w modelach organoidowych, że przewlekła ekspozycja prowadziła do zmian epigenetycznych i zaburzeń ekspresji genów, tworząc stany komórkowe bardziej podatne na transformację nowotworową. Co więcej, rodzaj rozwijającego się raka zależał od typu komórki macierzystej oraz późniejszej zmiany genetycznej. Wyniki badania opublikowano 5 października w „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS).
Z tego artykułu dowiesz się…
- Jak dym papierosowy zmienia komórki macierzyste płuc i może zwiększać ich podatność na rozwój raka.
- Dlaczego sama mutacja KRAS lub utrata TP53 nie wystarczyły do powstania guzów w badanym modelu.
- Jak KRAS i TP53 wiązały się z rozwojem różnych typów raka płuca.
- Jaką rolę w rozwoju nowotworu mogą odgrywać zmiany epigenetyczne i osłabienie mechanizmów obronnych komórek.
Dym papierosowy zmienia komórki płuc przed rozwojem raka
Naukowcy chcieli sprawdzić, co dzieje się na bardzo wczesnym etapie rozwoju niedrobnokomórkowego raka płuca (NSCLC). W tym celu wykorzystali organoidy płucne, czyli trójwymiarowe modele laboratoryjne zawierające różne typy komórek płuc. Organoidy utworzone z tkanki zdrowych myszy poddawano działaniu kondensatu dymu papierosowego przez okres do sześciu miesięcy. Kluczowe obserwacje potwierdzono również w organoidach pochodzących ze zdrowej ludzkiej tkanki płucnej.
Staraliśmy się modelować raka płuc od najwcześniejszych stadiów – mówi dr Michelle Vaz, wykładowczyni onkologii i główna autorka badania. Korzystając z tych modeli organoidowych, bogatych w komórki macierzyste, mogliśmy śledzić komórki przez sześć miesięcy ekspozycji i obserwować zmiany epigenetyczne i ekspresję genów zachodzące w tych różnych typach komórek macierzystych.
Wraz z przedłużającą się ekspozycją komórki coraz częściej wykazywały cechy charakterystyczne dla stanu przedrakowego. Badacze obserwowali m.in. zmiany metylacji DNA i dostępności chromatyny. Są to mechanizmy wpływające na aktywność genów bez konieczności zmiany samej sekwencji DNA.
Osłabieniu ulegały mechanizmy obronne komórek
Jedną z ważniejszych obserwacji było tłumienie szlaków związanych z odpowiedzią zapalną i immunologiczną oraz genów uczestniczących w programowanej śmierci komórek. Zmiany dotyczyły między innymi ZBP1, regulatora zapalnej śmierci komórkowej. Ma to znaczenie, ponieważ eliminowanie uszkodzonych komórek jest jednym z mechanizmów chroniących organizm przed ich dalszą niekontrolowaną proliferacją.
Badanie wskazuje więc na możliwy mechanizm, w którym długotrwałe działanie dymu nie tylko powoduje uszkodzenia, ale również przebudowuje sposób funkcjonowania komórek i ich odpowiedzi na kolejne zmiany molekularne.
Sama mutacja KRAS lub utrata TP53 nie wystarczyły
W kolejnym etapie naukowcy wprowadzili do organoidów zmiany genetyczne często związane z rakiem płuca u osób palących. Była to mutacja onkogenu KRAS albo utrata genu supresorowego TP53. Następnie komórki wszczepiono myszom. Rezultat był szczególnie istotny: guzy powstały wyłącznie z organoidów, które wcześniej przez sześć miesięcy poddawano działaniu dymu i jednocześnie zawierały jedną z badanych zmian genetycznych. Sama ekspozycja na dym nie doprowadziła do powstania guzów. Podobnie mutacja KRAS lub utrata TP53 w organoidach, które wcześniej nie były narażone na dym, nie wystarczyły do wywołania nowotworu w tym modelu.
To oznacza, że samo zdarzenie genetyczne nie wystarczy – mówi Vaz.
Wyniki wspierają hipotezę, że przewlekła ekspozycja środowiskowa może najpierw tworzyć podatny stan komórkowy, a dopiero późniejsze zmiany genetyczne prowadzą do transformacji nowotworowej.
KRAS i TP53 prowadziły do różnych typów raka płuc
Co ważne, rodzaj powstającego nowotworu zależał od wprowadzonej zmiany genetycznej i populacji komórek macierzystych. Organoidy narażone na dym, w których występowała mutacja KRAS, tworzyły słabo zróżnicowane guzy wykazujące cechy gruczolakoraka płuca. Ich źródłem były przede wszystkim zmienione komórki macierzyste oskrzelikowo-pęcherzykowe, zlokalizowane w obszarze połączenia dróg oddechowych z pęcherzykami płucnymi. Z kolei utrata TP53 prowadziła do rozwoju raka płaskonabłonkowego. Analiza wskazywała na jego pochodzenie ze zmienionych komórek macierzystych podstawnych, odpowiadających za utrzymanie i regenerację wyściółki dróg oddechowych.
Bardzo interesujące było to, że kiedy wprowadziliśmy KRAS lub utratę TP53, każda z nich zdawała się prowadzić do selekcji określonego typu komórek macierzystych – mówi Vaz. Nie zmodyfikowaliśmy zdarzenia genetycznego w celu stworzenia określonego typu komórek. To właśnie do tego selekcjonowano mutacje.
ZBP1 może mieć znaczenie w nowotworach z mutacją KRAS
W guzach związanych z mutacją KRAS szczególnie wyraźne było wyciszenie ZBP1 oraz powiązanej sygnalizacji interferonowej. Według badaczy może to ułatwiać przeżywanie komórek nowotworowych, które w innych warunkach mogłyby zostać wyeliminowane. Co ważne, analiza danych dotyczących ludzkiego gruczolakoraka płuca również wykazała niższą ekspresję ZBP1 i genów związanych ze szlakiem interferonowym w guzach z mutacją KRAS w porównaniu z nowotworami z mutacjami TP53. Otwiera to pytanie, czy szlaki zaburzone wskutek działania dymu papierosowego mogłyby w przyszłości stać się celami terapii.
Następnym ekscytującym krokiem jest to, czy możemy dowiedzieć się więcej o tych szlakach śmierci komórek i czy niektóre z nich mogą być celowane, szczególnie w kontekście KRAS kontra TP53 – mówi Vaz. Czy możemy połączyć to z terapią epigenetyczną lub immunoterapią i pomóc guzom, które obecnie nie reagują na leczenie, lepiej sobie z nim radzić?
Główne wnioski
- Sześciomiesięczna ekspozycja organoidów płucnych na kondensat dymu papierosowego prowadziła do zmian epigenetycznych i ekspresji genów, tworząc odmienne stany przedrakowe w populacjach komórek macierzystych płuc.
- Guzy powstały tylko z organoidów wcześniej narażonych na dym i zawierających mutację KRAS lub pozbawionych TP53. Sama ekspozycja na dym ani sama badana zmiana genetyczna nie doprowadziły do rozwoju guzów w tym modelu.
- Mutacja KRAS prowadziła głównie do gruczolakoraka płuca wywodzącego się z komórek macierzystych oskrzelikowo-pęcherzykowych, natomiast utrata TP53 sprzyjała rakowi płaskonabłonkowemu pochodzącemu z komórek macierzystych podstawnych.
- Wyniki wskazują, że typ rozwijającego się raka płuca może zależeć zarówno od zmiany genetycznej, jak i wcześniejszego stanu molekularnego komórki. Badanie opierało się głównie na organoidach i modelach zwierzęcych, dlatego jego wyniki wymagają dalszej walidacji u ludzi.
Źródło:
- https://dx.doi.org/10.1073/pnas.2604393123
- Johns Hopkins University School of Medicine
