Cancro-Immagine: simulazione al computer che mostra come le cellule che condividono lo stesso tipo di mutazione possono raggrupparsi strettamente insieme in un’area del tumore (mostrata in blu) o essere distribuite in diverse parti del tumore (mostrate in rosso). Credito: eLife-
I ricercatori dell’Università di Colonia e del Center for Genomic Regulation (CRG) di Barcellona hanno scoperto che il cancro cresce uniformemente in tutta la sua massa, piuttosto che ai bordi esterni.
Il lavoro, pubblicato sulla rivista eLife, sfida le ipotesi vecchie di decenni su come la malattia cresce e si diffonde.
L’evoluzione di un tumore solido è governata dalla divisione, dal movimento e dalla morte delle cellule cancerose. Le mutazioni genetiche che si verificano durante le divisioni cellulari possono fungere da marcatori cellulari per tracciare questa dinamica. Dalla distribuzione spaziale osservata delle mutazioni, dovrebbe essere in linea di principio possibile dedurre i principi spazio-temporali dell’evoluzione del tumore: il tasso di crescita è uniforme in tutto il tumore o la crescita avviene prevalentemente vicino al bordo del tumore? Qual è l’interazione tra la dinamica tissutale del tumore e la sua evoluzione genetica? Queste ampie modalità di evoluzione del tumore influenzano ad esempio la firma dell’evoluzione neutra, la risposta alla selezione o il numero di mutanti a bassa frequenza che possono conferire resistenza alla terapia.
Tuttavia, rispondere a tali domande sulla base dei dati genetici sui tumori è difficile perché sono disponibili solo informazioni parziali: la profondità di sequenziamento (numero medio di letture che coprono un nucleotide nel sequenziamento NGS) è finita. Ciò significa che vengono osservate solo mutazioni ad alta frequenza. Di solito solo un piccolo numero di campioni viene prelevato da diverse parti di un tumore solido, il che limita le informazioni sulle mutazioni presenti nel tumore completo. I dati longitudinali dalle misurazioni del ctDNA sono altamente limitati nell’intervallo osservabile di mutazioni e forniscono stime di frequenza rumorose.
Nei prossimi anni, alcune di queste restrizioni saranno eliminate dall’avvento della genomica spaziale. Queste tecniche consentono di analizzare le informazioni genomiche quasi a livello di singola cellula in sezioni di tessuto intatte. Attualmente, la profondità di sequenziamento raggiungibile è troppo bassa per identificare mutazioni puntiformi in diverse parti del tumore. Tuttavia, è chiaro che l’avvento della genomica spaziale porterà nuove opportunità per comprendere l’evoluzione passata di una popolazione di cellule tumorali da un’istantanea in fase avanzata.
Ciò implica la necessità di nuovi strumenti per analizzare l’evoluzione spazio-temporale, poiché gli strumenti standard della genetica di popolazione, come lo spettro sito-frequenza, sono progettati per popolazioni spazialmente miste e ignorano le informazioni spaziali.
Una domanda particolare riguarda due diverse modalità in cui un tumore può crescere: crescita superficiale e crescita del volume. Sotto la crescita superficiale, le cellule cancerose si dividono prevalentemente al confine con il tessuto sano. Le possibili ragioni di questa dipendenza spaziale includono livelli di nutrienti più elevati vicino al tessuto normale, livelli più elevati di prodotti di scarto metabolici nella massa tumorale o stress meccanico nel centro del tumore. Una velocità di crescita più rapida al bordo del tumore porta a una crescita radiale verso l’esterno della popolazione cellulare. La modalità di crescita superficiale è ben nota dalla crescita batterica.
Nella crescita del volume, d’altro canto, le cellule cancerose crescono indipendentemente dalla loro posizione nel tumore: sebbene ogni cellula abbia una posizione fisica e, dopo la divisione, la sua prole si trovi in una posizione simile, la posizione non influisce sulla divisione o sulla morte cellulare. Nella crescita del volume, i sottocloni possono originarsi da qualsiasi posizione nel tumore. Di conseguenza, nella crescita del volume le frequenze delle mutazioni si evolvono esattamente nello stesso modo in cui si evolverebbero in una popolazione ben miscelata, anche se il tumore risultante sarà generalmente spazialmente eterogeneo.
“Mettiamo in discussione l’idea che un tumore sia un’entità a ‘due velocità’ con cellule che si dividono rapidamente in superficie e un’attività più lenta nel nucleo. Invece, mostriamo che sono masse in crescita uniforme, dove ogni regione è ugualmente attiva e ha il potenziale per ospitare mutazioni aggressive“, afferma il Dott. Donate Weghorn, coautore corrispondente dello studio e ricercatore presso il Center for Genomic Regulation di Barcellona.
“I nostri risultati hanno implicazioni per l’evoluzione del tumore. Il continuo rimescolamento di cellule che muoiono e vengono sostituite da nuove cellule in tutto il volume del tumore offre al cancro molte opportunità per innovazioni evolutive, come la fuga dalla sorveglianza immunitaria”, spiega il Prof. Johannes Berg, coautore corrispondente dello studio e ricercatore presso l’Università di Colonia.
Negli ultimi 50 anni, i ricercatori hanno ipotizzato che i tumori crescano più velocemente ai loro margini esterni. Si pensa che le cellule cancerose in superficie abbiano vantaggi naturali rispetto alle cellule più profonde. Ad esempio, le cellule periferiche hanno un migliore accesso ai nutrienti e all’ossigeno dai tessuti sani circostanti. Possono anche liberarsi più facilmente dei loro rifiuti.
“Man mano che un tumore cresce, il suo centro si allontana sempre di più dai vasi sanguigni nell’area in cui sta crescendo. Le cellule nel nucleo di un tumore ricevono sempre meno ossigeno e nutrienti. Le cellule sono anche sottoposte a una maggiore pressione meccanica, con la compressione che limita la loro capacità di dividersi”, spiega Berg.
Nonostante questa teoria, lo studio ha scoperto che i tumori crescono in tutta la loro massa. I ricercatori hanno fatto questa scoperta grazie alla genomica spaziale, una tecnica utilizzata per studiare le informazioni genetiche delle cellule nelle loro posizioni esatte all’interno di un tessuto.
Il team ha ottenuto dati da studi precedenti in cui centinaia di piccoli campioni sono stati prelevati da diverse parti di tumori al fegato, sia nello spazio bidimensionale che tridimensionale. Ciò ha fornito una mappa dettagliata delle mutazioni in tutto il tumore.
I ricercatori hanno esaminato le mutazioni in ciascuno dei campioni e hanno sviluppato un metodo per misurare la direzione e la diffusione di queste mutazioni. Ciò ha consentito loro di calcolare gli angoli tra le posizioni delle cellule madri e della loro prole mutata.
Nel modello di crescita superficiale, questi angoli punterebbero verso l’esterno. Invece, i ricercatori hanno scoperto che gli angoli erano distribuiti uniformemente in tutte le direzioni, mostrando una crescita uniforme in tutto il tumore.
Lo studio ha anche esaminato come le mutazioni si diffondevano all’interno del tumore. Se le cellule cancerose crescevano principalmente ai bordi, le mutazioni sarebbero state più raggruppate. I ricercatori hanno scoperto che le mutazioni erano diffuse, il che suggerisce che le cellule si stavano dividendo in tutto il tumore.
Per convalidare ulteriormente le loro scoperte, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer per creare diversi tumori virtuali, alcuni con crescita superficiale e altri con crescita di volume. Hanno confrontato i modelli di mutazioni delle simulazioni con i modelli trovati nei dati del tumore reale.
Hanno scoperto che i modelli di mutazione nei tumori reali corrispondevano ai modelli delle simulazioni di crescita del volume, ma non a quelli delle simulazioni di crescita della superficie.
Uno dei limiti dello studio è che si è concentrato sul cancro al fegato, quindi i risultati potrebbero non essere applicabili universalmente a tutti i tipi di cancro. Un altro limite è che lo studio fornisce principalmente approfondimenti sulle fasi iniziali della crescita del tumore, che potrebbero non catturare completamente il comportamento di tipi di cancro più grandi o metastatici.
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Spiegano gli autori:
“Nelle popolazioni cellulari in crescita come i tumori, le mutazioni possono fungere da marcatori che consentono di tracciare l’evoluzione passata dai campioni attuali. Le analisi genomiche di campioni in massa e campioni provenienti da più regioni hanno fatto luce sulle forze evolutive che agiscono sui tumori. Tuttavia, si sa poco empiricamente sulle dinamiche spazio-temporali dell’evoluzione tumorale. Qui, sfruttiamo i dati pubblicati da carcinomi epatocellulari resecati, ciascuno con diverse centinaia di campioni prelevati in due e tre dimensioni. Utilizzando metriche spaziali dell’evoluzione, scopriamo che le cellule tumorali crescono prevalentemente in modo uniforme all’interno del volume del tumore anziché in superficie. Determiniamo come le mutazioni e le cellule sono disperse nel tumore e come la morte cellulare contribuisce alla crescita complessiva del tumore. I nostri metodi fanno luce sull’evoluzione precoce dei tumori in vivo e possono essere applicati a dati ad alta risoluzione nel campo emergente della biologia spaziale.
“L’emergere di mutanti che conferiscono resistenza alla terapia è un aspetto importante della rilevanza clinica. Il nostro lavoro si concentra sulla crescita tumorale in fase iniziale, ma estendere la ricerca alle mutazioni tardive può dirci di più su tali mutazioni e sul perché alla fine vanifichino molti approcci terapeutici“, conclude il Dott. Berg.
Fonte: eLife
