Saúde

Pegando câncer em flagrante
Usando a tecnologia CRISPR, os pesquisadores estão rastreando a linhagem de células cancerosas individuais conforme elas se proliferam e metastatizam em tempo real.
Por Eva Frederick - 24/01/2021


Árvores filogenéticas, começando com uma célula cancerosa individual. Cada cor representa uma localização diferente no corpo. Uma árvore muito colorida mostra um fenótipo altamente metastático, onde os descendentes de uma célula saltaram muitas vezes entre diferentes tecidos. Uma árvore que é principalmente de uma cor representa uma célula menos metastática. Imagem: Jeffrey Quinn / Whitehead Institute

Quando o câncer está confinado a um ponto do corpo, os médicos geralmente podem tratá-lo com cirurgia ou outras terapias. Grande parte da mortalidade associada ao câncer, no entanto, é devido à tendência de metástase, enviando sementes de si mesmo que podem criar raízes por todo o corpo. O momento exato da metástase é passageiro, perdido nas milhões de divisões que ocorrem em um tumor. “Esses eventos são normalmente impossíveis de monitorar em tempo real”, diz Jonathan Weissman, professor de biologia do MIT e membro do Instituto de Pesquisa Biomédica de Whitehead. 

Agora, pesquisadores liderados por Weissman, que também é investigador do Howard Hughes Medical Institute, transformaram uma ferramenta CRISPR em uma maneira de fazer exatamente isso. Em um artigo publicado em 21 de janeiro na Science , o laboratório de Weissman, em colaboração com Nir Yosef, um cientista da computação da Universidade da Califórnia em Berkeley, e Trever Bivona, um biólogo do câncer da Universidade da Califórnia em San Francisco, trata as células cancerosas do forma como os biólogos evolucionistas podem olhar para as espécies, mapeando uma árvore genealógica intrincadamente detalhada. Ao examinar os ramos, eles podem rastrear a linhagem da célula para descobrir quando uma única célula tumoral se tornou nociva, espalhando sua progênie para o resto do corpo. 

“Com esse método, você pode fazer perguntas como: 'Com que frequência esse tumor está metastatizando? De onde vêm as metástases? Para onde eles vão? '”, Diz Weissman. “Ao ser capaz de acompanhar a história do tumor in vivo, você revela diferenças na biologia do tumor que de outra forma seriam invisíveis.”

Raspar células de papel

Os cientistas rastrearam as linhagens de células cancerosas no passado, comparando mutações compartilhadas e outras variações em seus projetos de DNA. Esses métodos, no entanto, dependem até certo ponto da existência de mutações ou outros marcadores de ocorrência natural suficientes para mostrar com precisão as relações entre as células. 

Foi aí que Weissman e os co-autores Jeffrey Quinn, então pós-doutorado no laboratório de Weissman, e Matthew Jones, um estudante graduado no laboratório de Weissman, viram uma oportunidade de usar a tecnologia CRISPR - especificamente, um método desenvolvido por Michelle Chan, membro do Weissman Lab para rastrear desenvolvimento de embriões - para facilitar o rastreamento. 

Em vez de simplesmente esperar que uma linhagem de câncer contivesse marcadores específicos de linhagem suficientes para rastrear, os pesquisadores decidiram usar o método de Chan para adicionar marcadores eles próprios. “Basicamente, a ideia é projetar uma célula que tenha um arranhão genômico de DNA, que então pode ser 'escrito' usando o CRISPR”, diz Weissman. Essa 'escrita' no genoma é feita de tal forma que se torna hereditária, o que significa que a progênie de uma célula teria a 'escrita' de suas células-mãe e das células-avós registradas em seu genoma. 

Para criar essas células especiais "scratchpad", Weissman projetou células cancerosas humanas com genes adicionados: uma para a proteína bacteriana Cas9 - a famosa "tesoura molecular" usada nos métodos de edição do genoma CRISPR - outras para proteínas brilhantes para microscopia e algumas sequências que serviria de alvo para a tecnologia CRISPR. 

Eles então implantaram milhares de células cancerosas humanas modificadas em camundongos, imitando um tumor de pulmão (um modelo desenvolvido pela colaboradora Bivona). Ratos com tumores de pulmão humano costumam exibir metástases agressivas, então os pesquisadores raciocinaram que eles forneceriam um bom modelo para rastrear a progressão do câncer em tempo real. 

Quando as células começaram a se dividir, Cas9 fez pequenos cortes nesses locais-alvo. Quando a célula reparou os cortes, ela remendou ou deletou alguns nucleotídeos aleatórios, levando a uma sequência única de reparo chamada indel. Esse corte e reparo ocorreram aleatoriamente em quase todas as gerações, criando um mapa de divisões celulares que Weissman e a equipe puderam rastrear usando modelos de computador especiais que eles criaram trabalhando com Yosef, um cientista da computação.

Revelando o invisível

Rastrear células dessa maneira produziu alguns resultados interessantes. Por um lado, as células tumorais individuais eram muito diferentes umas das outras do que os pesquisadores esperavam. As células que os pesquisadores usaram eram de uma linha de células de câncer de pulmão humano estabelecida, chamada A549. “Você pensaria que eles seriam relativamente homogêneos”, diz Weissman. “Mas, na verdade, vimos diferenças dramáticas na propensão de diferentes tumores à metástase - até mesmo no mesmo camundongo. Alguns tiveram um número muito pequeno de eventos metastáticos, e outros estavam saltando muito rapidamente. ”

Para descobrir de onde vinha essa heterogeneidade, a equipe implantou dois clones da mesma célula em camundongos diferentes. À medida que as células proliferavam, os pesquisadores descobriram que seus descendentes metastatizavam a uma taxa notavelmente semelhante. Este não foi o caso com a descendência de células diferentes da mesma linha celular - as células originais aparentemente desenvolveram diferentes potenciais metastáticos, pois a linha celular foi mantida por muitas gerações. 

Em seguida, os cientistas se perguntaram quais genes eram responsáveis ​​por essa variabilidade entre as células cancerosas da mesma linhagem celular. Então, eles começaram a procurar genes que eram expressos de forma diferente entre tumores não metastáticos, fracamente metastáticos e altamente metastáticos. 

Muitos genes se destacaram, alguns dos quais eram anteriormente conhecidos por estarem associados à metástase - embora não estivesse claro se eles estavam causando a metástase ou simplesmente um efeito colateral dela. Um deles, o gene que codifica a proteína queratina 17, é muito mais fortemente expresso em tumores com metástase baixa do que em tumores com metástase elevada. “Quando eliminamos ou superexpressamos a queratina 17, mostramos que esse gene estava realmente controlando a capacidade de invasão dos tumores”, diz Weissman. 

Ser capaz de identificar genes associados a metástases dessa forma pode ajudar os pesquisadores a responder a perguntas sobre como os tumores evoluem e se adaptam. “É uma maneira inteiramente nova de olhar para o comportamento e a evolução de um tumor”, diz Weissman. “Achamos que pode ser aplicado a muitos problemas diferentes na biologia do câncer.”

De onde você veio, para onde você foi? 

O método CRISPR de Weissman também permitiu aos pesquisadores rastrear com mais detalhes onde as células em metástase entraram no corpo e quando. Por exemplo, a progênie de uma célula cancerosa implantada sofreu metástases cinco vezes diferentes, espalhando-se a cada vez do pulmão esquerdo para outros tecidos, como o pulmão direito e o fígado. Outras células deram um salto para uma área diferente e então metastatizaram novamente a partir daí. 

Esses movimentos podem ser mapeados perfeitamente em árvores filogenéticas (veja a imagem), onde cada cor representa um local diferente no corpo. Uma árvore muito colorida mostra um fenótipo altamente metastático, onde os descendentes de uma célula saltaram muitas vezes entre diferentes tecidos. Uma árvore que é principalmente de uma cor representa uma célula menos metastática. 

O mapeamento da progressão do tumor dessa forma permitiu que Weissman e sua equipe fizessem algumas observações interessantes sobre a mecânica da metástase. Por exemplo, alguns clones foram semeados como se fossem livros, viajando do pulmão esquerdo, onde começaram, para áreas distintas do corpo. Outros semearam de forma mais irregular, movendo-se primeiro para outros tecidos antes de metastatizar novamente a partir daí.

Um desses tecidos, o tecido linfático mediastinal que fica entre os pulmões, parece ser uma espécie de centro, diz o co-primeiro autor Jeffrey Quinn. “Ele serve como uma estação intermediária que conecta as células cancerosas a todo esse terreno fértil que elas podem colonizar”, diz ele. 

Terapeuticamente, a descoberta de “hubs” de metástases como este poderia ser extremamente útil. “Se você focar as terapias contra o câncer nesses locais, poderá desacelerar a metástase ou evitá-la em primeiro lugar”, diz Weissman.

No futuro, Weissman espera ir além da simples observação das células e começar a prever seu comportamento. “É como a mecânica newtoniana - se você conhece a velocidade, a posição e todas as forças que atuam sobre uma bola, pode descobrir para onde a bola vai a qualquer momento no futuro”, diz Weissman. “Esperamos fazer o mesmo com as células. Queremos construir essencialmente uma função do que está conduzindo a diferenciação de um tumor e, então, sermos capazes de medir onde eles estão em um determinado momento e prever onde eles estarão no futuro. ”

Os pesquisadores estão otimistas de que ser capaz de rastrear as árvores genealógicas de células individuais em tempo real será útil também em outros ambientes. “Eu acho que isso vai desbloquear uma dimensão totalmente nova para o que pensamos como uma quantidade mensurável em biologia”, diz o co-primeiro autor Matthew Jones. “O que é realmente legal nesse campo em geral é que estamos redefinindo o que é invisível e o que é visível.”

 

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