Forskare vid University of Colorado Boulder och Princeton University har för första gången använt ett verktyg som ofta används inom geologi för att upptäcka atomära fingeravtryck av cancer.
I ett fall av medicin möter geovetenskap, upptäckte forskarna att cancerceller kan vara gjorda av ett annat sortiment av väteatomer än frisk vävnad. Fynden kan ge läkarna nya strategier för att studera hur cancer växer och sprider sig – och kan till och med en dag leda till nya sätt att upptäcka cancer tidigt i kroppen.
Teamet, ledd av CU Boulder geokemist Ashley Maloney, publicerade resultaten i Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Denna studie lägger till ett helt nytt lager till medicinen, vilket ger oss chansen att titta på cancer på atomnivå", säger Maloney, en forskarassistent vid institutionen för geologiska vetenskaper.
Hon förklarade att i naturen finns väte i två huvudsmaker, eller isotoper. Vissa väteatomer, som kallas deuterium, är lite tyngre, medan andra, vanligtvis bara kända som väte, är lite lättare. På jorden är antalet väteatomer fler än deuteriumatomer med ett förhållande på cirka 6 420 till en.
I decennier har forskare från ett antal områden vänt sig till den naturliga fördelningen av dessa atomer för att avslöja ledtrådar om vår planets historia. Klimatforskare undersöker till exempel väteatomerna som är fångade i isen på Antarktis för att sluta sig till hur varm eller sval jorden var för hundratusentals år sedan.
I den nya studien undrade Maloney och hennes kollegor:Kan samma, små atomer ge tips om livet för komplexa biologiska organismer?
För att ta reda på det odlade teamet kulturer av jäst- och musleverceller i labbet och analyserade sedan deras väteatomer. Teamet fann att celler som växer riktigt snabbt, som cancerceller, innehåller ett mycket annorlunda förhållande mellan väte och deuteriumatomer. Tänk på det som att cancer lämnar ett fingeravtryck på dörrhandtaget till en brottsplats.
Forskningen är fortfarande i ett tidigt skede, och teamet är inte säkra på hur denna signal kan visas, eller inte, i kroppen på riktiga cancerpatienter. Men potentialen kan vara stor, sa Sebastian Kopf, medförfattare till studien och biträdande professor i geologiska vetenskaper.
"Dina chanser att överleva är så mycket högre om du drabbas av cancer tidigt," sa Kopf. "Om denna isotopsignal är tillräckligt stark för att du skulle kunna upptäcka den genom något som ett blodprov, kan det ge dig en viktig hint om att något är av."
Studien kretsar kring ett koncept som har fascinerat cancerforskare i flera år:metabolism.
Under normala förhållanden genererar cellerna hos organismer som jäst och djur energi genom en process som kallas andning, där de tar in syre och frigör koldioxid. Men det är inte det enda sättet att få ett högt socker. Kolonier av bagerijäst (Saccharomyces cerevisiae) kan till exempel producera energi via jäsning, där organismer bryter ner sockerarter utan hjälp av syre och producerar alkohol. Det är samma process som ger dig öl.
"Hos människor, om en idrottare presterar över sin aeroba gräns, kommer deras muskler också att börja jäsa, vilket inte använder syre," sa Kopf. "Det ger dig en snabb energikick."
Det visar sig att många cancerceller också driver sin tillväxt genom en liknande bli-rik-snabb-strategi.
Forskare har länge sökt efter fler sätt att spåra dessa metabola förändringar i cancerceller. Maloney, som ledde den nya studien som Harry Hess postdoktor vid Princeton, och hennes rådgivare Xinning Zhang utvecklade en idé:Spåra väte.
Idag driver Maloney CU Boulders Earth Systems Stable Isotope Lab, en av mer än 20 kärnanläggningar på campus. Som doktorand utforskade hon väteatomer i alger från tropiska öar. Hennes nuvarande arbete var inspirerat av en osannolik källa:hennes far, en hudläkare.
"Han tar hudcancerceller från människor hela tiden," sa Maloney. "Jag undrade hur metabolismen av dessa celler kan skilja sig från cellerna som växer bredvid dem."
För att förstå den frågan hjälper det att veta hur väte hamnar i celler i första hand. I vissa fall kommer dessa atomer från ett svårt att uttala, men kritiskt viktigt, enzym känt som nikotinamidadenindinukleotidfosfat (NADPH). Bland dess många roller i celler samlar NADPH väteatomer och skickar dem sedan till andra molekyler i processen att tillverka fettsyror, en viktig byggsten för livet.
NADPH drar dock inte alltid från samma pool av väte. Tidigare forskning ledd av Zhang och med fokus på bakterier antydde att NADPH, beroende på vad andra enzymer i en cell gör, ibland kan använda olika väteisotoper mer eller mindre ofta.
Vilket väckte frågan:Om cancer kopplar om en cells ämnesomsättning, kan det då också förändra hur NADPH får sitt väte, och i slutändan förändra en cells atomära sammansättning?
För att börja ta reda på det, satte forskarna upp burkar fyllda med blomstrande kolonier av jäst i labb i Princeton och CU Boulder. Separat genomförde biologer vid Princeton ett experiment med kolonier av friska och cancerösa musleverceller. Forskarna drog sedan ut fettsyrorna från cellerna och använde en maskin som kallas en masspektrometer för att identifiera förhållandet mellan väteatomer inuti.
"När vi började studien tänkte jag," Åh, vi har en chans att se något coolt," sa Maloney. "Det slutade med att det skapade en enorm signal, vilket jag inte förväntade mig."
Fermenterande jästceller, den typ som liknar cancer, innehöll ungefär 50 % färre deuteriumatomer i genomsnitt än de normala jästcellerna, en häpnadsväckande förändring. Cancerceller uppvisade en liknande men inte lika stark brist på deuterium.
Zhang, studiens seniorförfattare och biträdande professor i geovetenskap vid Princeton, förlorade sin egen far i cancer. Hon hoppas att resultaten en dag kan hjälpa familjer som hennes egen.
"Cancer och andra sjukdomar är tyvärr ett stort tema i många människors liv. Att se Ashleys data var ett speciellt, djupt ögonblick", sa Zhang. "Det innebar att ett verktyg som används för att spåra planetarisk hälsa också kan användas för att spåra hälsa och sjukdomar i livsformer, förhoppningsvis en dag hos människor. När jag växer upp i en familj som utmanas av cancer, hoppas jag få se detta område expandera."
Mer information: Maloney, Ashley E. et al, Stora anrikningar i fettsyra 2H/1H-förhållanden skiljer andning från aerob fermentering i jäst Saccharomyces cerevisiae, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2310771121. doi.org/10.1073/pnas.2310771121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av University of Colorado i Boulder
