Cuando un cáncer se ubica en un lugar concreto del cuerpo, los médicos a menudo pueden tratarlo con cirugía u otras terapias. Sin embargo, gran parte de la mortalidad asociada con el cáncer se debe a su tendencia a extenderse y proliferar en cualquier parte del organismo, es decir, a producir metástasis.
La metástasis es un proceso fugaz, y el momento exacto en el que tiene lugar se pierde entre los millones de divisiones celulares que se producen en un tumor. «Se trata, por lo general, de eventos imposibles de monitorear en tiempo real», afirma Jonathan Weissman, miembro del Instituto Whitehead. Weissman, profesor de biología en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) e investigador del Instituto Médico Howard Hughes, se preguntaba si era posible detectar este momento exacto en el que un tumor deja de ser un problema localizado y hallar la forma de observar en tiempo real como las células tumorales se diversifican y expanden por todo el cuerpo para trazar un árbol genealógico de las células tumorales. Y eso es precisamente lo que él y su equipo acaban de conseguir gracias al empleo de la tecnología de edición genética CRISPR.
«Ahora podemos examinar las ramificaciones en la división celular y rastrear el linaje de cada célula para encontrar el momento en que una sola célula tumoral se volvió rebelde extendiendo su progenie al resto del cuerpo» explican los autores cuya investigación se publica esta semana en la revista Science.»Con este nuevo método, ahora podemos preguntarnos y responder a preguntas como: ¿con qué frecuencia hace metástasis un tumor? ¿de dónde provienen las metástasis? ¿hacia dónde van?’. A partir de ahora, el seguimiento de la historia de un tumor in vivo nos revelará nuevos aspectos de la biología del cáncer que hasta el momento eran invisibles», concreta Weissman.
Apuntes en un bloc de notas
Hasta ahora los científicos habían rastreado los linajes de las células cancerosas comparando mutaciones compartidas y variaciones en sus estructuras de ADN. Estos métodos, sin embargo, siempre han dependido hasta cierto punto de que existieran suficientes mutaciones naturales u otros marcadores que evidenciaran con precisión las pautas reproductivas de las células.
A partir de ahora, el seguimiento de la historia de un tumor in vivo nos revelará nuevos aspectos de la biología del cáncer que hasta el momento eran invisibles.
Es en este momento donde Weissman y los coautores Jeffrey Quinn, y Matthew Jones, vieron la oportunidad de emplear la tecnología CRISPR: concretamente un método desarrollado por la también coautora del estudio Michelle Chan que sirvió para rastrear el desarrollo del tumor en forma embrionaria y que luego facilitaría en rastreo de su expansión.
Para ello en lugar de simplemente esperar a que un linaje de células cáncerosas presentara suficientes marcadores específicos para rastrear, los investigadores decidieron usar el método de Chan para agregar marcadores ellos mismos. «Básicamente, la idea es diseñar una célula que tenga una especie «bloc de notas» (scratchpad) genómico de ADN, que luego se pueda ‘escribir’ usando CRISPR», explica Weissman. Esta ‘escritura’ en el genoma se realiza de tal manera que se vuelve hereditaria, lo que significa que la gran descendencia de una célula mostrará la información que se añadió, lo que permitirá hacer un seguimiento detallado de las mismas.
Para crear este «scratchpad», Weissman diseñó células cancerosas humanas con genes añadidos: uno para la proteína bacteriana Cas9, las famosas «tijeras moleculares» utilizadas en los métodos de edición del genoma CRISPR, otros para proteínas brillantes para microscopía, y algunas secuencias que servirían como objetivos para la tecnología CRISPR. Luego, imitando un cáncer de pulmón implantaron miles de células cancerosas humanas modificadas en un modelo en ratones diseñado por el biólogo del cáncer de la Universidad de California, San Francisco -UCSF- Trever Bivona.
Los ratones con tumores pulmonares humanos a menudo exhiben metástasis agresivas, por lo que los investigadores contemplaron que se trataría de un buen modelo para rastrear la progresión del cáncer en tiempo real. Cuando las células comenzaron a dividirse, Cas9 hizo pequeños cortes de ADN en los lugares para los que había sido programada que serían reparadas por las células. Este corte y reparación ocurrió al azar en casi todas las generaciones, creando un mapa de divisiones celulares que Weissman y el equipo pudieron rastrear utilizando los modelos informáticos desarrollados por el científico informático de la Universidad de California, Berkeley, Nir Yosef.
Revelando lo invisible
El seguimiento de estas células proporcionó a los científicos unos resultados interesantes. Por un lado, las células tumorales individuales eran más diferentes entre sí de lo que esperaban los investigadores. Las células que utilizaron los investigadores eran de un mismo linaje celular de cáncer de pulmón humano llamado A549. «Uno pensaría que serían relativamente homogéneas», dijo Weissman. «Pero, de hecho, vimos diferencias muy acusadas en la tendencia de los diferentes tumores a hacer metástasis, incluso en el mismo ratón» continúa el autor «Algunos tenían una cantidad muy pequeña producir eventos metastásicos y otros realmente «saltaban» rápidamente».
Para averiguar de dónde venía esta heterogeneidad, el equipo implantó dos clones de la misma célula en diferentes ratones. A medida que las células proliferaban, los investigadores encontraron que sus descendientes metastatizaron a un ritmo notablemente similar. Sin embargo este no fue el caso para la descendencia de diferentes células del mismo linaje; de hecho las células originales aparentemente habían desarrollado diferentes potenciales metastásicos. ¿Cuál era la causa de tanta variabilidad?
Para averiguar que genes eran responsables de esta variabilidad entre las células cancerosas del mismo linaje los científicos comenzaron a buscar genes que se expresaran de manera diferente en diferentes tipos de tumores: no metastásicos, metastásicos débiles y altamente metastásicos. Así, destacaron muchos genes, algunos de los cuales se sabía previamente que estaban asociados con la metástasis, sin embargo aún no estaba claro si estos genes eran los que estaban provocando la metástasis o simplemente su expresión era un efecto secundario de la misma.
Identificar los genes asociados a la metástasis podría ayudar a los investigadores a responder preguntas sobre cómo evolucionan y se adaptan los tumores.
El equipo de Weissman descubrió que uno de estos genes, concretamente el que codifica la proteína queratina 17, se expresa con mucha más fuerza en los tumores de baja metástasis que en los de alta metástasis. «Cuando silenciamos o sobreexpresamos la queratina 17, demostramos que este gen en realidad controlaba cuan invasivos eran los tumores», aclara Weissman. «Ser capaz de identificar los genes asociados a la metástasis de esta manera podría ayudar a los investigadores a responder preguntas sobre cómo evolucionan y se adaptan los tumores. Se trata de una forma completamente nueva de observar el comportamiento y la evolución de un tumor que creemos que se podrá aplicar aplicar a muchos problemas diferentes en la biología del cáncer», añade el autor. «.
Dinámicas metastásicas: ¿De dónde vienes? ¿A dónde vas?
El método CRISPR de Weissman también permitió a los investigadores rastrear con más detalle hacia dónde y cuándo se dirigen las células metastásicas en el cuerpo. Por ejemplo, la progenie de una célula cancerosa implantada experimentó metástasis cinco veces distintas, extendiéndose en todas desde el pulmón izquierdo a otros tejidos como el pulmón derecho y el hígado. Otras células, sin embargo, dieron un salto a un área diferente y luego hicieron metástasis nuevamente desde allí.
Estos movimientos se pueden mapear claramente en árboles filogenéticos (en la imagen), donde cada color representa una ubicación diferente en el cuerpo. Un árbol muy colorido muestra un fenotipo altamente metastásico, donde los descendientes de una célula saltaron muchas veces entre diferentes tejidos mientras que un árbol de color uniforme representa una célula menos metastásica.
Este mapa de la progresión tumoral permitió a Weissman y su equipo hacer algunas observaciones interesantes sobre la mecánica de la metástasis. Por ejemplo, algunos clones se expandieron de manera organizada, viajando desde el pulmón izquierdo, donde comenzaron, a distintas áreas del cuerpo. Otros expandieron de manera más errática, moviéndose primero a otros tejidos antes de hacer metástasis nuevamente desde allí.
Uno de esos tejidos, el linfático mediastínico que se encuentra entre los pulmones, parece ser una especie de centro», declara el coautor del estudio Jeffrey Quinn. «Sirve como una estación de paso que conecta las células cancerosas con todo este terreno fértil que luego pueden colonizar», añade.
«Terapéuticamente, el descubrimiento de estos «centros» de metástasis podría ser extremadamente útil. Si se enfocan las terapias contra el cáncer en esos lugares, se podría ralentizar la metástasis o incluso prevenirla», añade Weissman, quien en el futuro espera ir más allá de la simple observación de las células y comenzar a predecir su comportamiento.
«Terapéuticamente, el descubrimiento de «centros» de metástasis como este podría ser extremadamente útil. Si enfocan las terapias contra el cáncer en esos lugares, se podría ralentizar la metástasis o incluso prevenirla».
«Es como con la mecánica newtoniana: si conoces la velocidad, la posición y todas las fuerzas que actúan sobre una pelota, puedes averiguar dónde va a ir la pelota en cualquier momento en el futuro», prosigue. «Esperamos hacer lo mismo con las células. Queremos construir esencialmente un modelo de lo que impulsa la diferenciación de un tumor, y luego poder medir dónde están los tumores en un momento dado y predecir hacia dónde se dirigirán en el futuro».
Los investigadores son optimistas respecto a sus resultados y defienden que poder rastrear los árboles genealógicos de células individuales en tiempo real también resultará útil en otros entornos. «Creo que esto va a abrir la puerta a una dimensión completamente nueva que nos va a obligar a redefinir lo que es mesurable en biología», declara el coautor de estudio Matthew Jones. «Estamos redefiniendo lo que es visible y lo que no».
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