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Atrapar cangrejos en el acto

imagen: Cada color representa una ubicación diferente en el cuerpo. El árbol muy coloreado muestra un fenotipo muy difuso, en el que los linajes celulares han saltado varias veces entre diferentes tejidos. Vista de árbol Más

Crédito: Geoffrey Quinn / The Whitehead Institute

Cuando el cáncer se limita a un solo lugar del cuerpo, los médicos a menudo pueden tratarlo con cirugía u otros tratamientos. Sin embargo, muchas de las muertes relacionadas con el cáncer se deben a su tendencia a propagarse, enviando las mismas semillas que pueden echar raíces por todo el cuerpo. El momento preciso de la metástasis es fugaz, perdido en los millones de divisiones que se producen en el tumor. “Por lo general, es imposible monitorear estos eventos en tiempo real”, dijo Jonathan Weisman, miembro del Instituto Whitehead.

Ahora, los investigadores dirigidos por Weizmann, quien también es profesor de biología en el Instituto de Tecnología de Massachusetts e investigador en el Instituto Médico Howard Hughes, han convertido la herramienta CRISPR en una forma de hacer precisamente eso. En un artículo publicado el 21 de enero CienciasEl laboratorio de Weissman, en colaboración con Nir Yusuf, científico informático de la Universidad de California, Berkeley, y Trevere Pivona, biólogo del cáncer de la Universidad de California, San Francisco (UCSF), trata las células cancerosas de la forma en que los biólogos evolutivos podrían ver las especies, mapeando un árbol genealógico detallado. Intrincadamente. Al examinar las ramas, pueden rastrear la descendencia de la célula para ver cuándo una sola célula tumoral se vuelve siniestra y disemina su descendencia al resto del cuerpo.

Weizmann dijo: “De esa manera, puede hacer preguntas como” ¿Con qué frecuencia se transmite este tumor? ¿De dónde proceden las metástasis? ¿A dónde vas? “Al poder seguir la historia del tumor in vivo, está revelando diferencias en la biología del tumor que de otra manera serían invisibles”.

Rasca las celdas de papel

Los científicos han rastreado linajes de células cancerosas en el pasado comparando mutaciones comunes y otros cambios en sus esquemas de ADN. Sin embargo, estos métodos dependen hasta cierto punto de la presencia de suficientes mutaciones naturales u otros marcadores para demostrar con precisión las relaciones intercelulares.

Aquí es donde Weissman y los coautores del estudio Geoffrey Quinn, entonces investigador postdoctoral en el Weizmann Lab, y Matthew Jones, estudiante de posgrado en Weisman Lab, vieron la oportunidad de usar CRISPR, específicamente, un método desarrollado por Michael Chan, miembro del Weizmann Lab. Para rastrear el desarrollo fetal, para facilitar el rastreo.

En lugar de simplemente esperar que la cepa de cáncer tuviera suficientes marcadores específicos de linaje para que usted pudiera rastrearlos, los investigadores decidieron usar el método de Chan para agregar los marcadores ellos mismos. “La idea básica es diseñar una célula con un rascador genómico de ADN, que luego se puede” escribir “usando la tecnología CRISPR, dijo Weizmann. Esta” escritura “se realiza en el genoma de una manera que lo hace heredable, lo que significa que los descendientes de la célula tendrán” escritura “. “Las células madre y las células ancestrales registradas en su genoma.

Para crear estas células especiales “Scratchpad”, Weissman diseñó células cancerosas humanas con genes agregados: uno para la proteína bacteriana Cas9, las populares “tijeras moleculares” utilizadas en los métodos de edición del genoma CRISPR, y proteínas brillantes para microscopía, y algunas otras secuencias que servirían como objetivos para la tecnología CRISPR. .

Luego, implantaron miles de células cancerosas humanas modificadas en ratones para imitar un tumor de pulmón (un modelo desarrollado por el colaborador de Bivona). Los ratones con tumores en el pulmón humano a menudo muestran metástasis agresivas, por lo que los investigadores pensaron que proporcionaría un buen modelo para rastrear la progresión del cáncer en tiempo real.

Cuando las células comenzaron a dividirse, Cas9 hizo pequeños pedazos en estos sitios objetivo. Cuando la célula reparó las heridas, injertó o eliminó algunos nucleótidos aleatorios, lo que resultó en una secuencia de reparación única llamada indel. Este corte y reparación sucedió al azar en casi todas las generaciones, creando un mapa de divisiones celulares que Weissman y el equipo pueden rastrear utilizando modelos informáticos especiales creados al trabajar con Joseph, un científico informático.

Detección invisible

El seguimiento de las células de esta manera arrojó algunos resultados interesantes. Por un lado, las células cancerosas individuales eran significativamente diferentes entre sí de lo que esperaban los investigadores. Las células que utilizaron los investigadores eran de una línea celular de cáncer de pulmón humano conocida como A549. “Uno pensaría que sería relativamente homogéneo”, dijo Weisman. “Pero en realidad, vimos grandes diferencias en la propensión de diferentes tumores a diseminarse, incluso en el mismo ratón. Algunos tenían un número muy pequeño de eventos metastásicos y algunos realmente estaban saltando”.

Para averiguar la fuente de esta variación, el equipo cultivó dos copias de la misma célula en diferentes ratones. A medida que las células se multiplicaron, los investigadores encontraron que su descendencia se estaba extendiendo a un ritmo notablemente similar. Este no fue el caso con diferentes descendientes celulares de la misma línea celular; las células originales parecían haber desarrollado diferentes potenciales metastásicos ya que la línea celular se mantuvo durante varias generaciones.

Luego, los científicos se preguntaron qué genes eran responsables de esta variación entre las células cancerosas de la misma línea celular. Entonces comenzaron a buscar genes que se expresaran de manera diferente entre tumores no metastásicos, poco metastásicos y altamente metastásicos.

Han surgido varios genes, algunos de los cuales se sabía anteriormente que estaban relacionados con la metástasis, aunque no estaba claro si estaban provocando el tumor o solo un efecto secundario del mismo. Uno de ellos, el gen que codifica la proteína 17 de la queratina, se expresa con más fuerza en los tumores de baja metástasis que en los de alta metástasis. “Cuando desactivamos la queratina 17 o la sobreexpresamos, demostramos que este gen en realidad controlaba la invasión tumoral”, dijo Weizmann.

Ser capaz de identificar los genes relacionados con la metástasis de esta manera podría ayudar a los investigadores a responder preguntas sobre cómo se desarrollan y se adaptan los tumores. Es una forma completamente nueva de observar el comportamiento y la progresión del tumor, dijo Weizmann. “Creemos que se puede aplicar a muchos problemas diferentes en la biología del cáncer”.

¿De dónde vienes y adónde fuiste?

El método CRISPR de Weissmann también permitió a los investigadores rastrear con más detalle dónde y cuándo las células transfectadas ingresaron al cuerpo. Por ejemplo, la descendencia de una de las células cancerosas trasplantadas se sometió a metástasis cinco veces distintas y cada vez se diseminó desde el pulmón izquierdo a otros tejidos como el pulmón derecho y el hígado. Otras células saltaron a un área diferente y luego se expandieron nuevamente desde allí.

Estos movimientos pueden mapearse con precisión en árboles filogenéticos (ver imagen), y cada color representa una ubicación diferente en el cuerpo. El árbol muy coloreado muestra un fenotipo muy difuso, en el que los linajes celulares han saltado varias veces entre diferentes tejidos. El árbol monocromático representa principalmente una célula menos difusa.

El mapeo de la progresión tumoral de esta manera permitió a Weizmann y su equipo hacer algunas observaciones interesantes sobre los mecanismos de la metástasis. Por ejemplo, algunos clones se han trasplantado de forma epigenética, desde el pulmón izquierdo, donde comenzaron, a distintas áreas del cuerpo. Otros se trasplantaron de forma intermitente, moviéndose primero a otros tejidos antes de moverse nuevamente desde allí.

El primer coautor Geoffrey Quinn dijo que uno de estos tejidos, el tejido linfático mediastínico que se encuentra entre los pulmones, parece ser un eje de algún tipo. Dijo: “Es como una estación de carretera que une las células cancerosas con toda esta tierra fértil, que luego pueden ir y colonizar”.

Terapéuticamente, descubrir “axones” metastásicos como éste puede ser muy beneficioso. “Si enfoca sus tratamientos contra el cáncer en esos lugares, entonces puede ralentizar o prevenir la metástasis en primer lugar”, dijo Weizmann.

En el futuro, Weizmann espera ir más allá de la simple observación de células y comenzar a predecir su comportamiento. “Es similar a la mecánica de Newton: si conoce la velocidad, la posición y todas las fuerzas que actúan sobre la pelota, puede saber dónde irá la pelota en cualquier momento en el futuro”, dijo Weizmann. “Esperamos hacer lo mismo con las células. Queremos desarrollar una función de lo que impulsa la diferenciación de los tumores, y luego poder medir dónde están en cualquier momento y predecir hacia dónde se dirigen en el futuro”.

Los investigadores son optimistas de que la capacidad de rastrear los árboles genealógicos de las células individuales en tiempo real también resultará útil en otros lugares. “Creo que abrirá una dimensión completamente nueva de lo que creemos que es una cantidad mensurable en biología”, dijo el coautor Matthew Jones. “Entonces, lo que es realmente genial en esta área en general es que estamos redefiniendo lo que es invisible y lo que no es visible”.

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