Geologer, biologer afdækker kræftens atomare fingeraftryk

Forskere ved University of Colorado Boulder og Princeton University har for første gang brugt et værktøj, der ofte bruges i geologi, til at påvise kræftens atomare fingeraftryk.

I et tilfælde af medicin møder jordvidenskab, opdagede forskerne, at kræftceller kan være lavet af et andet udvalg af brintatomer end sundt væv. Resultaterne kan give læger nye strategier til at studere, hvordan kræft vokser og spreder sig – og kan endda en dag føre til nye måder at opdage kræft tidligt i kroppen på.

Holdet, ledet af CU Boulder geokemiker Ashley Maloney, offentliggjorde resultaterne i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Denne undersøgelse tilføjer et helt nyt lag til medicin, hvilket giver os chancen for at se på kræft på atomniveau," sagde Maloney, en forskningsmedarbejder ved Institut for Geologiske Videnskaber.

Hun forklarede, at i naturen kommer brint i to hovedsmagstyper eller isotoper. Nogle brintatomer, kaldet deuterium, er lidt tungere, mens andre, normalt bare kendt som brint, er lidt lettere. På Jorden er brintatomer mere end deuteriumatomer i et forhold på omkring 6.420 til 1.

I årtier har forskere fra en række felter henvendt sig til den naturlige fordeling af disse atomer for at afsløre spor om vores planets historie. Klimaforskere undersøger for eksempel brintatomerne fanget i isen på Antarktis for at udlede, hvor varm eller kølig Jorden var for hundredtusinder af år siden.

I den nye undersøgelse undrede Maloney og hendes kolleger sig:Kunne de samme små atomer give hints om komplekse biologiske organismers liv?

For at finde ud af det dyrkede holdet kulturer af gær- og museleverceller i laboratoriet og analyserede derefter deres brintatomer. Holdet fandt ud af, at celler, der vokser virkelig hurtigt, såsom kræftceller, indeholder et meget forskelligt forhold mellem brint og deuteriumatomer. Tænk på det som kræft, der efterlader et fingeraftryk på dørhåndtaget til et gerningssted.

Forskningen er stadig i de tidlige stadier, og holdet er ikke sikre på, hvordan dette signal kan forekomme eller ej i kroppen på rigtige kræftpatienter. Men potentialet kan være stort, sagde Sebastian Kopf, medforfatter til undersøgelsen og adjunkt i geologiske videnskaber.

"Dine chancer for at overleve er så meget højere, hvis du får kræft tidligt," sagde Kopf. "Hvis dette isotopiske signal er stærkt nok til, at du kan opdage det gennem noget som en blodprøve, kan det give dig et vigtigt hint om, at noget er slukket."

Kræftens stofskifte

Undersøgelsen er centreret omkring et koncept, der har fascineret kræftforskere i årevis:stofskifte.

Under normale forhold genererer cellerne i organismer som gær og dyr energi gennem en proces kaldet respiration, hvor de optager ilt og frigiver kuldioxid. Men det er ikke den eneste måde at få et højt sukkerindhold på. Kolonier af bagegær (Saccharomyces cerevisiae) kan for eksempel producere energi via gæring, hvor organismer nedbryder sukkerarter uden hjælp fra ilt og producerer alkohol. Det er den samme proces, der giver dig øl.

"Hos mennesker, hvis en atlet præsterer ud over deres aerobe grænse, vil deres muskler også begynde at gære, hvilket ikke bruger ilt," sagde Kopf. "Det giver dig et hurtigt energiboost."

Som det viser sig, giver mange kræftceller også næring til deres vækst gennem en lignende blive-rig-hurtig-strategi.

Forskere har længe søgt efter flere måder at spore disse metaboliske ændringer i kræftceller. Maloney, der ledede det nye studie som Harry Hess postdoc ved Princeton, og hendes rådgiver Xinning Zhang udviklede en idé:Spor brint.

Inde i cellen

I dag leder Maloney CU Boulder's Earth Systems Stable Isotope Lab, en af ​​mere end 20 kernefaciliteter på campus. Som kandidatstuderende udforskede hun brintatomer i alger fra tropiske øer. Hendes nuværende arbejde var inspireret af en usandsynlig kilde:hendes far, en hudlæge.

"Han fjerner hudkræftceller fra folk hele tiden," sagde Maloney. "Jeg spekulerede på, hvordan metabolismen af ​​disse celler kunne være forskellig fra de celler, der vokser ved siden af ​​dem."

For at forstå det spørgsmål hjælper det at vide, hvordan brint ender i celler i første omgang. I nogle tilfælde kommer disse atomer fra et svært at udtale, men kritisk vigtigt, enzym kendt som nikotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH). Blandt dets mange roller i celler opsamler NADPH brintatomer og sender dem derefter til andre molekyler i processen med at lave fedtsyrer, en vigtig byggesten for livet.

NADPH trækker dog ikke altid fra den samme pulje af brint. Tidligere forskning ledet af Zhang og med fokus på bakterier antydede, at afhængigt af hvad andre enzymer i en celle gør, kan NADPH nogle gange bruge forskellige brintisotoper mere eller mindre ofte.

Hvilket rejste spørgsmålet:Hvis kræft ændrer en celles stofskifte, kan det så også ændre, hvordan NADPH får sin brint, og i sidste ende ændre en celles atomare sammensætning?

Vind ud i kræft

For at begynde at finde ud af det, opstillede forskerne krukker fyldt med blomstrende kolonier af gær i laboratorier i Princeton og CU Boulder. Separat udførte biologer ved Princeton et eksperiment med kolonier af sunde og kræftagtige museleverceller. Forskerne trak derefter fedtsyrerne fra cellerne og brugte en maskine kaldet et massespektrometer til at identificere forholdet mellem brintatomer indeni.

"Da vi startede undersøgelsen, tænkte jeg," Åh, vi har en chance for at se noget fedt," sagde Maloney. "Det endte med at skabe et kæmpe signal, som jeg ikke havde forventet."

Fermenterende gærceller, den slags, der ligner kræft, indeholdt omkring 50 % færre deuteriumatomer i gennemsnit end de normale gærceller, en opsigtsvækkende ændring. Kræftceller udviste en lignende, men ikke helt så stærk mangel på deuterium.

Zhang, studiets seniorforfatter og assisterende professor i geovidenskab ved Princeton, mistede sin egen far til kræft. Hun håber, at resultaterne en dag kan hjælpe familier som hendes egen.

"Kræft og andre sygdomme er desværre et kæmpe tema i mange menneskers liv. At se Ashleys data var et specielt, dybt øjeblik," sagde Zhang. "Det betød, at et værktøj, der blev brugt til at spore planetarisk sundhed, også kunne bruges til at spore sundhed og sygdom i livsformer, forhåbentlig en dag hos mennesker. Når jeg voksede op i en familie, der er udfordret af kræft, håber jeg at se dette område udvides."

Flere oplysninger: Maloney, Ashley E. et al., Store berigelser i fedtsyre 2H/1H-forhold adskiller respiration fra aerob fermentering i gær Saccharomyces cerevisiae, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2310771121. doi.org/10.1073/pnas.2310771121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Colorado at Boulder