(Tumori cerebrali-Immagine Credit Public Domain).
Un team guidato da ricercatori della Weill Cornell Medicine, del New York Genome Center, della Harvard Medical School, del Massachusetts General Hospital e del Broad Institute del MIT e di Harvard ha profilato con dettagli senza precedenti migliaia di singole cellule campionate dai tumori cerebrali dei pazienti. I risultati, insieme ai metodi sviluppati per ottenerli, rappresentano un progresso significativo nella ricerca sul cancro e, in definitiva, possono portare a metodi migliori per rilevare, monitorare e trattare i tumori.
Come i ricercatori hanno riportato il 30 settembre su Nature Genetics, hanno utilizzato tecniche avanzate per registrare mutazioni genetiche, attività genica e segni di programmazione dell’attività genica sul DNA chiamati metilazioni, all’interno di singole cellule tumorali campionate da pazienti con gliomi, il tipo più comune di cancro al cervello. In questo modo hanno mappato comportamenti o “stati” distinti delle cellule tumorali nei gliomi e hanno identificato segni di programmazione chiave che sembrano spostare le cellule di glioma da uno stato all’altro. Questi segni di programmazione, in linea di principio, potrebbero essere presi di mira da farmaci futuri.
Combinando i loro metodi a cellula singola con una tecnica dell’orologio molecolare, i ricercatori hanno creato “alberi ancestrali” per le cellule tumorali campionate che descrivono le loro storie di cambiamenti di stato.
“È come avere una macchina del tempo: possiamo prelevare un campione dal tumore di un paziente e dedurre molti dettagli su come si è sviluppato quel tumore“, ha affermato il co-autore senior Dr. Dan Landau, professore associato di medicina presso la Divisione di Ematologia. e Medical Oncology e membro del Sandra and Edward Meyer Cancer Center presso Weill Cornell Medicine e membro principale del New York Genome Center. “Siamo stati in grado di fare osservazioni che hanno implicazioni fondamentali su come dovremmo pensare al trattamento dei gliomi“, ha affermato il co-autore senior Dr. Mario Suva, Professore associato di patologia presso la Harvard Medical School, patologo presso il Massachusetts General Hospital e membro del Broad Institute del MIT e di Harvard.
Le cellule tumorali sono state tradizionalmente caratterizzate in massa, piuttosto che individualmente e in modi relativamente semplici, ad esempio dal tipo di cellula di origine e dai recettori che portano sulla loro superficie. Landau e Suva, tuttavia, hanno contribuito all’uso pionieristico dei metodi “multi-omici a cellula singola” per profilare le cellule tumorali individualmente e in modo molto più dettagliato. Nel nuovo studio hanno utilizzato un metodo a tre strati, registrando non solo la sequenza genica e le informazioni sulla trascrizione genica, ma anche i segni di metilazione “epigenetici” che controllano la trascrizione sul DNA, per la prima volta su singole cellule tumorali direttamente dai pazienti. Gli scienziati hanno campionato in media più di 100 cellule tumorali da ciascuno dei sette pazienti con il cosiddetto glioma IDH-mutante e da sette pazienti con un glioma più resistente al trattamento chiamato glioblastoma IDH-wildtype.
Hanno scoperto che le cellule di entrambi i tumori tendevano a trovarsi in uno dei quattro stati distinti, che vanno da stati simili a cellule staminali a stati come quelli delle cellule cerebrali più mature. Hanno anche identificato modelli distinti di metilazione del DNA che sembrano spiegare i cambiamenti tra questi stati; tali modelli in linea di principio potrebbero essere interrotti con future terapie per sopprimere tali cambiamenti di stato e rallentare lo sviluppo del tumore.
Sebbene i ricercatori abbiano catturato quella che era essenzialmente un’istantanea degli stati cellulari nei tumori campionati, hanno anche ideato un metodo dell’orologio molecolare, basato sui cambiamenti casuali nelle metilazioni del DNA che si verificano naturalmente nel tempo, per calcolare un albero di lignaggio per ogni cellula, che rappresenta la sua storia di diversi stati, risalenti all’origine del tumore. Gli alberi del lignaggio hanno rivelato tra le altre cose che le cellule di glioblastoma, rispetto alle cellule dei gliomi di grado inferiore, avevano un alto grado di “plasticità” che permetteva loro di passare relativamente facilmente da uno stato simile a uno stelo a uno più maturo.
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“L’architettura cellulare molto plastica del glioblastoma IDH-wildtype può consentirgli di sopravvivere ai trattamenti che uccidono le cellule staminali rigenerando quelle cellule dal suo pool di cellule più mature“, ha detto il co-primo autore, il Dott. Federico Gaiti, un borsista post-dottorato nel Laboratorio Landau.
Spiegano gli autori:
“Il sequenziamento dell’RNA a singola cellula ha rivelato un’ampia diversità di stato trascrizionale delle cellule nel cancro, spesso osservata indipendentemente dall’eterogeneità genetica, sollevando la questione centrale di come gli stati cellulari maligni siano codificati epigeneticamente. Per risolvere questo problema, qui abbiamo eseguito il profilo multiomico di una singola cellula, integrando la metilazione del DNA, il trascrittoma e il genotipo all’interno delle stesse cellule di gliomi diffusi, tumori caratterizzati da una definita diversità di stato trascrizionale delle cellule. Il confronto diretto dei profili epigenetici di stati cellulari distinti ha rivelato interruttori chiave per le transizioni di stato che ricapitolano le traiettorie dello sviluppo neurologico e ha evidenziato i meccanismi epigenetici disregolati alla base della gliomagenesi. Abbiamo ulteriormente sviluppato un quadro quantitativo per misurare direttamente l’ereditarietà dello stato cellulare e le dinamiche di transizione basate su alberi di lignaggio ad alta risoluzione in campioni umani. Abbiamo dimostrato l’ereditarietà degli stati delle cellule maligne, con differenze chiave nelle architetture dello stato delle cellule gerarchiche e plastiche nel glioma IDH-mutante rispetto al glioblastoma IDH-wild-type, rispettivamente. Questo lavoro fornisce un quadro di ancoraggio degli stati trascrizionali delle cellule tumorali nella loro codifica epigenetica, eredità e dinamiche di transizione”.
I risultati di questo studio in generale offrono una vasta gamma di approfondimenti sulla dinamica dei gliomi, approfondimenti che dovrebbero essere utili nello sviluppo di metodi migliori per rilevarli, stadiazione, monitoraggio e trattamento.
I ricercatori ora intendono utilizzare il loro approccio multi-omico a cellula singola per studiare come i gliomi rispondono a diversi trattamenti. “In linea di principio”, hanno affermato, “l’approccio può essere utilizzato per studiare lo sviluppo di qualsiasi tipo di tumore o anche di mutazioni genetiche che maturano con l’età nei tessuti sani”.
Fonte:Nature Genetics
