地质学家 生物学家发现癌症的原子指纹

科罗拉多大学博尔德分校和普林斯顿大学的科学家首次采用地质学中常用的工具来检测癌症的原子指纹。

在医学与地球科学的结合中，研究人员发现癌细胞可能是由与健康组织不同种类的氢原子组成的。这些发现可能为医生提供研究癌症如何生长和扩散的新策略，甚至有一天可能会带来在体内早期发现癌症的新方法。

由科罗拉多大学博尔德分校地球化学家AshleyMaloney领导的研究小组在《美国国家科学院院刊》上发表了这一发现。

“这项研究为医学增添了一个全新的层次，使我们有机会在原子水平上观察癌症，”地质科学系研究员马洛尼说。

她解释说，在自然界中，氢有两种主要的味道或同位素。一些氢原子(称为氘)稍重一些，而另一些氢原子(通常称为氢)则稍轻一些。在地球上，氢原子多于氘原子，比例约为6,420比1。

几十年来，来自多个领域的科学家一直致力于研究这些原子的自然分布，以揭示有关我们星球历史的线索。例如，气候科学家通过检查南极洲冰中的氢原子来推断数十万年前地球的热度或冷度。

在这项新研究中，马洛尼和她的同事想知道：这些相同的微小原子能否提供有关复杂生物有机体生命的线索?

为了找到答案，研究小组在实验室中培养了酵母和小鼠肝细胞，然后分析了它们的氢原子。研究小组发现，生长速度非常快的细胞(例如癌细胞)所含的氢原子与氘原子的比例差异很大。可以把它想象成癌症在犯罪现场的门把手上留下指纹。

该研究仍处于早期阶段，研究小组不确定这种信号在真正的癌症患者体内是否会出现。但该研究的合著者、地质科学助理教授塞巴斯蒂安·科普夫表示，潜力可能很大。

“如果你尽早发现癌症，你的生存机会就会高得多，”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暗示，表明有些东西不对劲。”

癌症的新陈代谢

这项研究围绕一个多年来一直引起癌症研究人员兴趣的概念：新陈代谢。

在正常情况下，酵母和动物等生物体的细胞通过呼吸作用产生能量，在此过程中它们吸收氧气并释放二氧化碳。但这并不是获得高糖的唯一方法。例如，面包酵母(酿酒酵母)菌落可以通过发酵产生能量，其中生物体在没有氧气帮助的情况下分解糖并产生酒精。这与酿造啤酒的过程相同。

科普夫说：“对于人类来说，如果运动员的表现超出了有氧极限，他们的肌肉也会开始发酵，而这并不消耗氧气。”“这可以让你快速补充能量。”

事实证明，许多癌细胞也通过类似的快速致富策略来促进其生长。

长期以来，科学家们一直在寻找更多方法来追踪癌细胞的这些代谢变化。作为普林斯顿大学哈里·赫斯博士后研究员领导这项新研究的马洛尼和她的导师张欣宁提出了一个想法：追踪氢。

细胞内

如今，马洛尼负责管理科罗拉多大学博尔德分校的地球系统稳定同位素实验室，该实验室是校园内20多个核心设施之一。作为一名研究生，她探索了热带岛屿藻类中的氢原子。她目前的工作灵感来自一个意想不到的来源：她的父亲，一位皮肤科医生。

“他总是从人们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可能与它们旁边生长的细胞有何不同。”

要理解这个问题，首先需要了解氢是如何进入细胞的。在某些情况下，这些原子来自一种难以发音但极其重要的酶，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。NADPH在细胞中发挥多种作用，其中之一是收集氢原子，然后在制造脂肪酸(生命的重要组成部分)的过程中将其传递给其他分子。

然而，NADPH并不总是从同一个氢气池中提取。张领导的先前针对细菌的研究表明，根据细胞中其他酶的作用，NADPH有时可能或多或少地使用不同的氢同位素。

这就提出了一个问题：如果癌症重新连接了细胞的新陈代谢，它是否也会改变NADPH获取氢的方式，最终改变细胞的原子组成?

了解癌症的窗口

为了找到答案，研究人员在普林斯顿大学和科罗拉多大学博尔德分校的实验室里设置了装满繁殖酵母菌落的罐子。另外，普林斯顿大学的生物学家对健康和癌性小鼠肝细胞集落进行了一项实验。然后研究人员从细胞中提取脂肪酸，并使用一种称为质谱仪的机器来确定其中氢原子的比例。

“当我们开始研究时，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。”

发酵酵母细胞(类似于癌症的细胞)所含的氘原子比正常酵母细胞平均少约50%，这是一个惊人的变化。癌细胞也表现出类似的氘缺乏，但没有那么严重。

该研究的资深作者、普林斯顿大学地球科学助理教授张女士因癌症去世。她希望这一结果有一天能够帮助像她这样的家庭。

“不幸的是，癌症和其他疾病是许多人生活中的一个重要主题。看到阿什利的数据是一个特殊而深刻的时刻，”张说。“这意味着用于追踪地球健康的工具也可以用于追踪生命形式的健康和疾病，希望有一天能在人类中追踪。我在一个遭受癌症挑战的家庭中长大，我希望看到这一领域的扩大。”