Fumatul influențează celulele stem pulmonare, contribuind la dezvoltarea unor tipuri specifice de cancer
Expunerea cronică la fumul de țigară poate reprograma diverse populații de celule stem pulmonare, responsabile de menținerea și repararea țesutului pulmonar, într-un mod care le face vulnerabile la modificări genetice specifice asociate cu cancerul și ajută, în final, la determinarea tipului de cancer pulmonar care se dezvoltă.
Utilizând organoide pulmonare cultivate în laborator, cercetătorii de la Johns Hopkins Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center au urmărit modificările celulelor pulmonare pe parcursul a șase luni de expunere la condensatul de fum de țigară, o colecție de substanțe chimice și particule conținute în fumul de țigară. Aceștia au descoperit că expunerea cronică a alterat atât programarea epigenetică care reglează activitatea genelor, cât și genele exprimate în diferite populații de celule stem pulmonare, creând stări distincte de celule precanceroase.
Atunci când cercetătorii au introdus ulterior două modificări genetice frecvent asociate cu cancerul pulmonar legat de fumat, KRAS și TP53, populațiile de celule stem alterate au reacționat diferit. Mutațiile KRAS au condus la adenocarcinoame pulmonare în principal din celule derivate din celulele stem bronchioalveolare, în timp ce pierderea genei supresoare a tumorilor TP53 a produs carcinom cu celule scuamoase derivat din celule stem bazale.
Rezultatele, raportate pe 5 octombrie în Proceedings of the National Academy of Sciences, ajută la explicarea modului în care expunerea la mediu, modificările epigenetice și mutațiile genetice pot acționa împreună în stadiile cele mai timpurii ale cancerului pulmonar non-microcelular (NSCLC), cel mai frecvent tip de cancer pulmonar.
Modificările epigenetice reprezintă schimbări chimice care afectează modul în care genele sunt activate sau dezactivate fără a modifica secvența ADN-ului, în timp ce modificările genetice, cum ar fi mutațiile, alterează permanent secvența ADN-ului. Ambele pot influența activitatea sau funcția genelor, inclusiv oncogenele care promovează cancerul, precum KRAS, și genele supresoare ale tumorilor, cum ar fi TP53.
„Ceea ce am încercat să facem este să modelăm cancerul pulmonar din cele mai timpurii stadii ale sale. Folosind aceste modele organoide, care sunt bogate în celule stem, am putut să urmărim celulele pe parcursul a șase luni de expunere și să observăm modificările epigenetice și de expresie genetică care apar în aceste diferite tipuri de celule stem”, a declarat Michelle Vaz.
Cercetătorii știau de mult timp că mutațiile în gene precum KRAS și TP53 pot conduce la NSCLC. Totuși, astfel de mutații pot fi găsite și în țesuturi normale sau precanceroase, sugerând că mutațiile de unele singure poate că nu sunt suficiente pentru a iniția cancerul. Fumul de țigară cauzează, de asemenea, inflamații cronice și modificări epigenetice și genetice, astfel că cercetătorii și-au dorit să înțeleagă rolul lor combinat în transformarea celulelor pulmonare normale în cancer pulmonar.
Ei au creat organoide pulmonare – mici modele 3D de laborator care conțin multiple tipuri de celule pulmonare – din țesut normal de plămân de șoarece și le-au expus la condensatul de fum de țigară timp de până la șase luni. De asemenea, au confirmat descoperiri cheie inițiale în organoide realizate din țesut normal uman pulmonar.
Pe parcursul timpului, expunerea la fumul de țigară a modificat echilibrul și comportamentul celulelor din organoide. Celulele expuse au început să dobândească tot mai multe caracteristici asociate cu o stare precanceroasă, permisivă pentru tumori. În același timp, cercetătorii au observat modificări progresive în metilarea ADN-ului și accesibilitatea cromatinei. Aceste două mecanisme reglează activarea genelor și schimbările în expresia genică.
Printre modificările notabile s-a numărat suprimarea căilor de semnalizare inflamatorie și imune și a genelor implicate în moartea celulară programată. O genă afectată a fost ZBP1, un regulator cheie al morții celulare inflamatorii.
Ulterior, cercetătorii au testat dacă expunerea la fumul de țigară a făcut organoidele mai susceptibile la transformare prin mutații care conduc la cancer. Ei au introdus fie KRAS mutant, fie au eliminat TP53 în organoide care au fost și nu au fost expuse timp de șase luni la fum și au implantat celulele în șoareci.
Numai organoidele expuse la fum care conțineau una dintre modificările genetice au format tumori. Expunerea la fumul de țigară de una singură nu a produs tumori, iar introducerea modificărilor genetice în organoidele de control neexpuse nu a avut succes.
Silencing ZBP1 și semnalizarea interferonului asociate (parte a răspunsului imunitar) a fost deosebit de pronunțat în tumorile cu mutații KRAS, sugerând că reducerea acestor mecanisme de apărare împotriva morții celulare normale poate ajuta celulele canceroase conduse de KRAS să supraviețuiască. Analiza datelor din adenocarcinoamele pulmonare umane a arătat, de asemenea, o exprimare semnificativ mai scăzută a ZBP1 și a genelor din căile de interferon în tumorile cu mutații KRAS comparativ cu cele cu mutații TP53.
„Ce ne spune acest lucru este că evenimentul genetic de unul singur nu este suficient”, afirmă Vaz. Ea și coautorul senior Stephen Baylin subliniază că celulele trebuie mai întâi să sufere modificări din expunerea cronică la fumul de țigară, ceea ce le face apoi susceptibile la transformarea prin aceste mutații.
Mai surprinzător, modificările genetice au produs două forme diferite de NSCLC. Organoidele expuse la fum cu KRAS mutant au dezvoltat cancere slab diferențiate cu trăsături de adenocarcinom pulmonar. Organoidele expuse la fum care nu aveau TP53 au dezvoltat cancere cu celule scuamoase.
Secvențierea ARN-ului la nivel de celulă unică a permis cercetătorilor să urmărească aceste tumori înapoi către populații distincte de celule stem. Adenocarcinoamele conduse de KRAS păreau să provină dintr-o stare celulară alterată derivată din celulele stem bronchioalveolare, care se află acolo unde căile respiratorii ale plămânului se întâlnesc cu alveolele, micile saci de aer din plămâni. Carcinomele cu celule scuamoase deficiente în TP53 au fost trase înapoi la o stare alterată derivată din celule stem bazale, care mențin și repară căptușeala căilor respiratorii, pasajele care transportă aerul în plămâni.
„A fost foarte interesant că atunci când am introdus KRAS sau pierderea lui TP53, fiecare părea să selecteze un anumit tip de stare celulară stem”, spune Vaz. „Nu am inginerizat evenimentul genetic într-un anumit tip de celulă. Aceasta este ceea ce au selectat mutațiile.”
Aceste descoperiri sugerează că tipul de cancer pulmonar care se dezvoltă în cele din urmă depinde atât de mutația genetică care apare, cât și de starea moleculară a celulei în care acea mutație se instalează. Expunerea cronică la fumul de țigară pare să
