Utilizzando un sistema di codici a barre genetici e un nuovo metodo di sequenziamento di singole cellule, un team di ricerca dell’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Milano ha sviluppato un approccio per identificare le cellule responsabili dell’inizio di tumori e metastasi, in particolare nel cancro al seno.
I codici a barre sono solitamente utilizzati per identificare prodotti commerciali e tracciarne i movimenti. Tuttavia, il gruppo di ricerca dell’IIT presso il Center for Genomic Sciences di Milano, guidato dal Dott. Francesco Nicassio, li ha impiegati per uno scopo meno convenzionale: etichettare le cellule tumorali e tracciarne l’evoluzione nel tempo.
Lo studio si è concentrato specificamente sul cancro al seno triplo negativo che rappresenta circa il 20% dei casi di cancro al seno. Questa forma di cancro è difficile da trattare, presentando una sfida significativa sia per la terapia che per la ricerca.
Sono state assegnate etichette genetiche alle singole cellule cancerose del cancro al seno triplo negativo, consentendo ai ricercatori di tracciare il loro percorso evolutivo durante lo sviluppo e la crescita del tumore. Questo approccio ha consentito la creazione di un profilo distinto e riconoscibile per le cellule che vengono selezionate nel cancro risultante.
“Identificare le cosiddette cellule che danno inizio al tumore non è facile, ma grazie a una stretta collaborazione multidisciplinare e all’uso di tecnologie multi-omiche all’avanguardia, in particolare il sequenziamento di singole cellule, siamo stati in grado di raggiungere questo risultato“, spiega il Dott. Nicassio, che ha guidato la ricerca. “Sulla base delle caratteristiche molecolari da noi identificate, abbiamo potuto selezionare le cellule tumorali capaci di formare metastasi e quelle capaci di sviluppare resistenza ai farmaci“.
Il passo successivo ha comportato lo studio degli aspetti genetici delle cellule tracciate, comprese le loro caratteristiche genetiche, epigenetiche e trascrizionali. I ricercatori hanno sviluppato un metodo multi-omico, un approccio innovativo per studiare queste caratteristiche simultaneamente.
I risultati hanno rivelato che le caratteristiche epigenetiche, ovvero modifiche che, pur non alterando la sequenza del DNA o dell’RNA, possono influenzare l’espressione genica, svolgono un ruolo fondamentale sia nello sviluppo iniziale del tumore sia nella formazione di metastasi.
“Abbiamo identificato un’epigenoma pro-metastatico‘, una sorta di firma molecolare presente nel tumore primario che contraddistingue le cellule più aggressive”, aggiunge il Dott. Matteo Marzi del Centro di Scienze Genomiche dell’IIT di Milano, uno degli autori dello studio.
Grazie a queste firme molecolari, i ricercatori sono stati in grado di classificare le cellule come più o meno aggressive e di distinguerle da un’altra popolazione di cellule che sviluppano resistenza ai farmaci a causa di mutazioni genetiche.
“Il nostro lavoro ha comportato principalmente la caratterizzazione dettagliata dei profili molecolari delle singole cellule, utilizzando tecnologie innovative per osservare e comprendere ciò che in precedenza potevamo solo ipotizzare“, spiega la coautrice Dott.ssa Francesca Nadalin, ricercatrice presso l’IIT di Milano e l’Istituto europeo di bioinformatica (EMBL-EBI) di Cambridge, Regno Unito. “I risultati suggeriscono che regioni specifiche del genoma potrebbero essere coinvolte nello sviluppo di specifiche proprietà del cancro, come la proliferazione tumorale o la resistenza alla chemioterapia“.
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Spiegano gli autori:
“Il cancro adotta percorsi evolutivi che sostengono la malattia. Comportamenti tumorali aggressivi, come la disseminazione in organi distanti, la ridotta suscettibilità al trattamento e la recidiva della malattia, derivano da processi di selezione o adattamento, possibilmente intrecciati. Quando si verifica un processo selettivo, il destino di un clone di cancro è determinato alla radice del processo evolutivo. In questo caso, l’eterogeneità dei fenotipi tumorali può, almeno in linea di principio, essere identificata prima della selezione. La preesistenza di fenotipi aggressivi è stata collegata alla cosiddetta teoria delle cellule staminali tumorali (CSC) e osservata nella leucemia e nei tumori solidi, come il cancro del colon e della mammella, nonché nel glioma. Secondo tale modello, le cellule tumorali non sono tutte uguali, ma esiste una nicchia tumorale simile a una staminale, predisposta a sostenere la maggior parte dei fenotipi aggressivi, come la reinduzione del tumore, il potenziale di disseminazione metastatica e la capacità di sopravvivere ai trattamenti citotossici. Per prevedere i fenotipi del cancro è necessario collegare lo stato molecolare di un clone al suo destino con elevata precisione. Senza informazioni a priori, la filogenesi del tumore può essere dedotta da mutazioni somatiche; tuttavia, questo approccio è limitato dall’elevata scarsità di dati sulle singole cellule. Il tracciamento del lignaggio delle singole cellule consiste nell’inserire codici a barre nel genoma delle cellule allo scopo di tracciare la loro progenie. Nel cancro, questo approccio è stato utilizzato per studiare la clonalità nelle metastasi, la sopravvivenza dopo trattamento citotossico, nonché per sezionare l’origine clonale del tumore primario e la crescita delle metastasi, possibilmente in vivo. Tuttavia, questi studi si concentrano principalmente sulle traiettorie evolutive, piuttosto che sulle caratteristiche molecolari trainanti dei fenotipi preesistenti.
La diversità evolutiva del tumore può avere un’origine genetica o non genetica. La multi-omica a singola cellula è recentemente emersa come uno strumento promettente per studiare l’evoluzione del cancro. Qui, combiniamo la multi-omica a singola cellula con il tracciamento del lignaggio in un framework unico, che consente la profilazione simultanea di clonazione, espressione genica e accessibilità della cromatina a risoluzione a singola cellula. Utilizzando analisi fenotipiche su cellule con codice a barre, identifichiamo i cloni dotati di comportamenti cancerogeni aggressivi tipici della nicchia cancerosa simile allo stelo, in particolare capacità di inizio del tumore e tolleranza ai farmaci. Successivamente, estraiamo robuste caratteristiche trascrizionali, epigenetiche e genetiche delle cellule naive e le associamo a sottopopolazioni clonali. Integrando questi molteplici livelli di informazioni, identifichiamo gli elementi regolatori che predicono l’evoluzione del cancro in risposta a condizioni ambientali avverse. Infine, tracciando i cambiamenti trascrizionali dei cloni nel tempo, scopriamo il ruolo delle caratteristiche molecolari preesistenti nel modellare l’ampiezza della differenziazione delle sottopopolazioni simili a staminali“.
Il team di ricerca mira ad approfondire la propria indagine, con l’obiettivo di introdurre infine queste scoperte nella pratica clinica. Questi risultati potrebbero portare a nuovi metodi di diagnosi precoce e trattamenti terapeutici innovativi.
I prossimi passi prevedono la convalida dei risultati su una gamma più ampia di cellule coltivate e una maggiore comprensione del legame tra profili molecolari e cause sottostanti di metastasi e resistenza ai farmaci.
Fonte:Nature Communications