研究人员利用地质技术发现癌症的“指纹”

癌症是全球第二大死因,占每年有超过1000万人死亡.

然而,如果及早发现并有效治疗,许多癌症是可以治愈的。问题往往出在癌症的阴险性上。

一项新的研究表明,可能有一种方法可以在原子水平上识别癌症的“指纹”,使用一种在地质学中比在医学中更常用的技术。

这一发现可能为研究癌症的生长提供新的方法,并可能为早期检测提供新的选择。

“这项研究为医学增加了一个全新的层面,让我们有机会在原子水平上观察癌症,”主要作者Ashley Maloney是科罗拉多大学博尔德分校的生物地球化学家。

为此,Maloney和她来自美国和瑞士的同事利用了分布的自然变化。氢同位素s – 同一元素的不同版本,其原子具有相同的质子总数但中子数不同。

氘是氢的两种稳定同位素中较重的一种,与传统氢的区别在于其额外的中子。它在地球上的含量较低,氢原子的数量比氘多大约 6,000 比 1.

这些同位素的分布是在地球科学中有用,掌握着关于古代岩石或冰盖等事物的秘密。

但是我们体内也存在不同的氢原子阵列,马洛尼想看看这些同位素是否能揭示我们体内的奥秘。从她父亲作为皮肤科医生的工作中汲取灵感,她特别想了解氢同位素可能揭示的癌症。

“他总是从人身上去除皮肤癌细胞,”马洛尼说.“我想知道这些细胞的新陈代谢与它们旁边生长的细胞有何不同。

默克尔细胞癌的肿瘤组织——一种罕见的侵袭性皮肤癌。(Isaac Brownell,美国国家关节炎、肌肉骨骼和皮肤病研究所/NIH/Flickr/公共领域)

在实验室实验中,研究人员培养了酵母和小鼠肝细胞的培养物,然后分析了它们的氢同位素。他们发现,具有非常高生长速率的细胞(如癌细胞)的氢与氘的比例有很大不同。

Maloney和她的同事指出,这仍然是初步的,关于氢同位素如何以及是否可能暗示人体癌症,仍然存在许多问题。

但考虑到早期发现可以挽救生命的潜力,这值得进一步研究。合著者塞巴斯蒂安·科普夫(Sebastian Kopf)是科罗拉多大学博尔德分校的地质科学家。

“如果你及早发现癌症,你的生存机会会高得多,”科普夫说.“如果这种同位素信号足够强,你可以通过血液测试等方式检测到它,这可能会给你一个重要的提示,表明有些东西不对劲。

酵母和小鼠细胞通常通过细胞呼吸产生能量,吸收氧气并释放二氧化碳。但是,当氧气不能自由获得时,大多数细胞至少可以暂时转向发酵,将糖分解为能量。

“在人类中,如果运动员的表现超出了他们的有氧极限,他们的肌肉也会开始发酵,这不使用氧气,”科普夫说.“这能给你带来快速的能量提升。”

许多癌症还通过发酵来促进它们的生长,这是Warburg效应.知道了这一点,科学家们长期以来一直在寻找监测代谢异常的方法,这些代谢异常可能预示着患者的癌细胞。

在这项新研究中,马洛尼和她的同事试图通过分析氢同位素来追踪这些代谢变化。

细胞从一种叫做烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸盐(NADPH)。它身兼数职,但NADPH的职责之一是将氢原子分配给某些分子,作为脂肪酸生产的一部分。

根据细胞中其他酶的活性,NADPH可以拼凑出不同比例的氢原子和氘原子。

鉴于癌症倾向于重新配置细胞的新陈代谢,研究人员希望了解癌症是否也会首先改变细胞获得氢的方式,从而影响它们的原子组成。

显微镜下的酵母细胞。(Mogana Das Murtey 和 Patchamuthu Ramasamy, CC BY 3.0的 /维基共享资源)

他们的实验涉及通常用作研究癌症模型的酵母菌落,以及健康和癌变小鼠肝细胞的菌落。

研究人员从这些菌落中取样脂肪酸,然后使用质谱仪揭示每个样品的氢同位素比例。

“当我们开始这项研究时,我想,'哦,我们有机会看到一些很酷的东西,”马洛尼说.“它最终产生了一个巨大的信号,这是我没想到的。

研究发现,发酵酵母细胞(代表癌细胞)的氘原子比正常酵母细胞少约50%。癌小鼠细胞的氘含量下降相似,但不太明显。

“不幸的是,癌症和其他疾病是许多人生活中的一个巨大主题。看到 Ashley 的数据是一个特殊而深刻的时刻。合著者张新宁,普林斯顿大学环境微生物学家。

“这意味着用于跟踪行星健康的工具也可能用于跟踪生命形式的健康和疾病,希望有一天能用于人类。在一个饱受癌症挑战的家庭中长大,我希望看到这个领域得到扩展。

该研究发表在《美国国家科学院院刊》.

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