L'evoluzione tumorale segue regole prevedibili che possono essere decifrate analizzando i cambiamenti cromosomici su larga scala nelle cellule cancerose. Questa prospettiva emerge da una ricerca condotta presso il Moffitt Cancer Center, dove è stato sviluppato un approccio computazionale innovativo per tracciare come i tumori acquisiscano o perdano cromosomi interi durante la loro progressione. Il metodo, denominato ALFA-K, consente di quantificare quali configurazioni cromosomiche conferiscono vantaggi selettivi alle cellule tumorali e quali invece ne limitano la sopravvivenza, offrendo una mappa dinamica dell'evoluzione del cancro che potrebbe trasformare le strategie terapeutiche da reattive ad anticipatorie.
A differenza delle mutazioni puntiformi che alterano singoli geni, i cambiamenti cromosomici coinvolgono centinaia o migliaia di geni simultaneamente. Quando una cellula tumorale guadagna o perde un cromosoma intero, modifica istantaneamente il dosaggio genico di numerose proteine, influenzando crescita cellulare, divisione e risposta allo stress. Questa modalità di cambiamento genetico permette alle cellule cancerose di compiere salti evolutivi rapidi piuttosto che aggiustamenti graduali, generando un'eterogeneità intracellulare che aumenta la probabilità che alcune cellule sopravvivano ai trattamenti oncologici.
Il team di ricerca, guidato da Noemi Andor del programma di Oncologia Matematica Integrata del Moffitt, ha pubblicato i risultati su Nature Communications, presentando un framework che analizza dati longitudinali a singola cellula per ricostruire le traiettorie evolutive dei tumori. Lo strumento computazionale identifica i cosiddetti "paesaggi di fitness locali", che descrivono quanto sia vantaggiosa o dannosa una specifica alterazione cromosomica in base alla configurazione genetica preesistente della cellula. Questa dipendenza dal contesto rappresenta uno degli aspetti più innovativi della ricerca: lo stesso cambiamento cromosomico può essere benefico in una condizione cellulare e deleterio in un'altra.
La metodologia ha permesso di stimare la fitness di oltre 270.000 configurazioni cromosomiche distinte, un livello di dettaglio senza precedenti che supera le limitazioni degli approcci precedenti. Prima dello sviluppo di ALFA-K, i ricercatori disponevano principalmente di istantanee statiche o di medie calcolate su molte cellule, senza poter tracciare l'evoluzione dinamica delle popolazioni tumorali nel tempo. Il nuovo strumento invece monitora migliaia di cellule individuali attraverso campionamenti successivi, tenendo conto dell'instabilità cromosomica continua che caratterizza molti tumori aggressivi.
Uno dei risultati più significativi riguarda il fenomeno della duplicazione dell'intero genoma, un evento in cui una cellula copia tutti i suoi cromosomi. Ricerche precedenti avevano osservato che questo processo può conferire resistenza al cancro, ma mancavano strumenti per quantificare l'entità di questa protezione. ALFA-K ha dimostrato che le cellule con genoma duplicato tollerano meglio gli errori nella segregazione cromosomica rispetto alle cellule diploidi, ma questa capacità di "ammortizzazione" diventa vantaggiosa solo oltre una soglia specifica di instabilità. Quantificare questa soglia trasforma la duplicazione genomica da semplice osservazione descrittiva a evento evolutivo prevedibile.
Il framework dimostra inoltre come i trattamenti chemioterapici, aumentando il tasso di errori nella segregazione cromosomica, possano accelerare il movimento delle cellule tumorali attraverso i paesaggi di fitness. A seconda della forma del paesaggio, questo fenomeno può spingere i tumori verso configurazioni cromosomiche più tolleranti all'instabilità genetica, facilitando paradossalmente l'emergenza di resistenza terapeutica. Questa dinamica sfida l'idea tradizionale che l'evoluzione tumorale sia guidata esclusivamente dal caso, rivelando invece pattern misurabili determinati dalla composizione cromosomica, dalle pressioni evolutive e dallo stress indotto dai trattamenti.
La ricerca è stata finanziata dal National Cancer Institute attraverso tre grant (1R37CA266727-01A1, 1R21CA269415-01A1, 1R03CA259873-01A1) e rappresenta un passo verso quella che i ricercatori definiscono "terapia oncologica consapevole dell'evoluzione". Questo approccio mira ad anticipare come i tumori cambieranno piuttosto che reagire dopo che la resistenza si è già manifestata. Nel lungo termine, strumenti come ALFA-K potrebbero aiutare i clinici a interpretare biopsie ripetute nel tempo, identificando quando un tumore si sta avvicinando a una transizione evolutiva pericolosa e orientando la scelta di trattamenti che limitino la capacità del cancro di esplorare configurazioni cromosomiche dannose per il paziente ma vantaggiose per la massa tumorale.
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