突破性研究利用地质工具检测癌症的独特原子特征

科罗拉多大学博尔德分校和普林斯顿大学的科学家们首次利用地质学中常用的一种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，癌细胞可能是由不同于健康组织的氢原子组成的。这些发现可以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，研究人员可以找到在身体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阿什利-马洛尼（Ashley Maloney）领导的研究小组将于本周在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表其研究成果。

地质科学系副研究员马洛尼说："这项研究为医学增添了一个全新的层面，让我们有机会在原子水平上观察癌症。"

她解释说，在自然界中，氢主要有两种，即同位素。一些氢原子（称为氘）稍重，而另一些氢原子（通常只称为氢）稍轻。在地球上，氢原子的数量比氘原子的数量多出约 6420 比 1。

几十年来，许多领域的科学家利用这些原子的自然分布来揭示地球历史的线索。例如，气候科学家通过研究南极洲冰层中的氢原子来推断地球在几十万年前的冷热程度。

在这项新研究中，马洛尼和她的同事想知道，这些微小的原子能否为复杂生物体的生活提供一些线索呢？

为了找出答案，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（如癌细胞）所含的氢原子和氘原子的比例大不相同。这就好比癌症在犯罪现场的门把手上留下了指纹。

这项研究仍处于早期阶段，研究小组还不确定这种信号会不会在真正的癌症患者体内出现。但这项研究的共同作者、地质科学助理教授塞巴斯蒂安-科普夫（Sebastian Kopf）说，这种信号的潜力可能很大。

科普夫说："如果能在早期发现癌症，病患的生存几率就会大大提高。如果这种同位素信号足够强，就可以通过血液化验之类的方法检测到它，那就会给出一个重要的提示，告诉你有什么不对劲。"

这项研究围绕一个多年来一直吸引着癌症研究人员的概念展开：新陈代谢。

在正常情况下，酵母和动物等生物的细胞通过一种叫做呼吸的过程产生能量，在这个过程中，它们吸收氧气，释放二氧化碳。但这并不是获得高糖分的唯一途径。例如，面包酵母（Saccharomyces cerevisiae）的菌落可以通过发酵产生能量，在发酵过程中，生物体在没有氧气的帮助下分解糖分并产生酒精。这也是酿造啤酒的过程。

科普夫说："在人体中，如果运动员的运动量超过了有氧极限，他们的肌肉也会开始发酵，而这并不使用氧气。这能让你快速增强能量"。

事实证明，许多癌细胞也通过类似的策略来令其加速生长。长期以来，科学家们一直在寻找更多的方法来追踪癌细胞中的这些代谢变化。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新宁提出了一个想法：追踪氢。

如今，马洛尼管理着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不太可能的来源：她的父亲，一位皮肤科医生。

马洛尼说："他经常从人们身上提取皮肤癌细胞。我想知道这些细胞的新陈代谢与生长在它们旁边的细胞有什么不同。"

要理解这个问题，首先要知道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却至关重要的酶，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯（NADPH）。NADPH 在细胞中发挥着许多作用，其中包括收集氢原子，然后在制造脂肪酸的过程中将氢原子传递给其他分子，脂肪酸是生命的重要组成部分。

然而，NADPH 并不总是从同一个氢池中汲取氢气。由张新宁领导并以细菌为重点的先前研究表明，根据细胞中其他酶的工作情况，NADPH 有时可能更多或更少地使用不同的氢同位素。

这就提出了一个问题：如果癌症重塑了细胞的新陈代谢，那么它是否也会改变 NADPH 获取氢的方式，最终改变细胞的原子构成？

为了找出答案，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蓬勃生长的酵母菌群的罐子。另外，普林斯顿大学的生物学家用健康和癌变的小鼠肝细胞菌落进行了一项实验。然后，研究人员从细胞中提取脂肪酸，并使用一种名为质谱仪的仪器来确定其中氢原子的比例。

结果显示，与癌细胞相似的发酵酵母细胞所含的氘原子平均比正常酵母细胞少大约50%，这是一个惊人的变化。癌细胞也表现出类似的氘短缺现象，但并不严重。

张是这项研究的资深作者，也是普林斯顿大学地球科学助理教授，她希望研究结果有朝一日能帮助像她一样的家庭。

"不幸的是，癌症和其他疾病是许多人生活中的一大主题。看到阿什利的数据是一个特殊而深刻的时刻，"张说。"这意味着一种用于追踪地球健康的工具也可能被用于追踪生命体的健康和疾病，希望有一天能用于人类。我生长在一个饱受癌症困扰的家庭，我希望看到这一领域不断扩大。"

编译来源：ScitechDaily