Wetenschap
Geologen en biologen ontdekken de atomaire vingerafdrukken van kanker
Wetenschappers van de University of Colorado Boulder en Princeton University hebben voor het eerst een instrument gebruikt dat vaak in de geologie wordt gebruikt om de atomaire vingerafdrukken van kanker te detecteren.
In een geval waarin geneeskunde en aardwetenschappen samenkomen, ontdekten de onderzoekers dat kankercellen uit een ander assortiment waterstofatomen kunnen worden gemaakt dan gezond weefsel. De bevindingen kunnen artsen nieuwe strategieën bieden om te bestuderen hoe kanker groeit en zich verspreidt – en kunnen op een dag zelfs leiden tot nieuwe manieren om kanker al vroeg in het lichaam op te sporen.
Het team, onder leiding van CU Boulder-geochemist Ashley Maloney, publiceerde de bevindingen in de Proceedings of the National Academy of Sciences .
"Deze studie voegt een geheel nieuwe laag toe aan de geneeskunde, waardoor we de kans krijgen om op atomair niveau naar kanker te kijken", zegt Maloney, onderzoeksmedewerker bij het Departement Geologische Wetenschappen.
Ze legde uit dat waterstof in de natuur in twee hoofdsmaken of isotopen voorkomt. Sommige waterstofatomen, deuterium genaamd, zijn iets zwaarder, terwijl andere, meestal gewoon waterstof genoemd, iets lichter zijn. Op aarde zijn er ongeveer 6.420 waterstofatomen groter dan deuteriumatomen.
Decennia lang hebben wetenschappers uit een aantal vakgebieden zich tot de natuurlijke verspreiding van deze atomen gewend om aanwijzingen over de geschiedenis van onze planeet te onthullen. Klimaatwetenschappers onderzoeken bijvoorbeeld de waterstofatomen die vastzitten in het ijs op Antarctica om af te leiden hoe heet of koel de aarde honderdduizenden jaren geleden was.
In het nieuwe onderzoek vroegen Maloney en haar collega's zich af:kunnen diezelfde kleine atomen hints geven over de levens van complexe biologische organismen?
Om daar achter te komen, kweekte het team culturen van gist- en levercellen van muizen in het laboratorium en analyseerde vervolgens hun waterstofatomen. Het team ontdekte dat cellen die heel snel groeien, zoals kankercellen, een heel andere verhouding waterstof- versus deuteriumatomen bevatten. Zie het als kanker die een vingerafdruk achterlaat op de deurknop van een plaats delict.
Het onderzoek bevindt zich nog in de beginfase en het team weet niet zeker hoe dit signaal wel of niet kan verschijnen in de lichamen van echte kankerpatiënten. Maar het potentieel zou groot kunnen zijn, zegt Sebastian Kopf, co-auteur van het onderzoek en assistent-professor in de geologische wetenschappen.
"Je overlevingskansen zijn zoveel groter als je vroeg kanker krijgt," zei Kopf. "Als dit isotopische signaal sterk genoeg is om het via bijvoorbeeld een bloedtest te kunnen detecteren, zou dat je een belangrijke aanwijzing kunnen geven dat er iets niet klopt."
Het metabolisme van kanker
De studie draait om een concept dat kankeronderzoekers al jaren intrigeert:metabolisme.
Onder normale omstandigheden genereren de cellen van organismen zoals gist en dieren energie via een proces dat ademhaling wordt genoemd, waarbij ze zuurstof opnemen en koolstofdioxide vrijgeven. Maar dat is niet de enige manier om een suikerhigh te krijgen. Kolonies van bakkersgist (Saccharomyces cerevisiae) kunnen bijvoorbeeld energie produceren via fermentatie, waarbij organismen zonder hulp van zuurstof suikers afbreken en alcohol produceren. Het is hetzelfde proces dat je bier oplevert.
"Als een atleet bij mensen boven zijn aërobe limiet presteert, zullen zijn spieren ook beginnen te gisten, waarbij geen zuurstof wordt gebruikt," zei Kopf. "Daar krijg je snel een energieboost van."
Het blijkt dat veel kankercellen hun groei ook stimuleren via een vergelijkbare strategie om snel rijk te worden.
Wetenschappers hebben lang gezocht naar meer manieren om deze metabolische veranderingen in kankercellen te volgen. Maloney, die het nieuwe onderzoek leidde als Harry Hess Postdoctoral Fellow aan Princeton, en haar adviseur Xinning Zhang ontwikkelden een idee:Track waterstof.
In de cel
Tegenwoordig beheert Maloney het Earth Systems Stable Isotope Lab van CU Boulder, een van de meer dan twintig kernfaciliteiten op de campus. Als afgestudeerde student onderzocht ze waterstofatomen in algen van tropische eilanden. Haar huidige werk is geïnspireerd door een onwaarschijnlijke bron:haar vader, een dermatoloog.
"Hij haalt voortdurend huidkankercellen van mensen af", zei Maloney. "Ik vroeg me af hoe het metabolisme van die cellen zou kunnen verschillen van de cellen die ernaast groeien."
Om die vraag te begrijpen, helpt het om te weten hoe waterstof überhaupt in cellen terechtkomt. In sommige gevallen zijn deze atomen afkomstig van een moeilijk uit te spreken, maar van cruciaal belang, enzym dat bekend staat als nicotinamide-adenine-dinucleotide-fosfaat (NADPH). Naast zijn vele functies in cellen verzamelt NADPH waterstofatomen en geeft deze vervolgens door aan andere moleculen tijdens het proces van het maken van vetzuren, een belangrijke bouwsteen voor het leven.
NADPH put echter niet altijd uit dezelfde waterstofvoorraad. Eerder onderzoek onder leiding van Zhang en gericht op bacteriën suggereerde dat NADPH, afhankelijk van wat andere enzymen in een cel doen, soms meer of minder vaak verschillende waterstofisotopen gebruikt.
Dat riep de vraag op:als kanker het metabolisme van een cel opnieuw bedraden, zou dit dan ook de manier kunnen veranderen waarop NADPH zijn waterstof krijgt, waardoor uiteindelijk de atomaire samenstelling van een cel verandert?
Venster naar kanker
Om daar achter te komen, zetten de onderzoekers potten gevuld met bloeiende gistkolonies op in laboratoria in Princeton en CU Boulder. Daarnaast voerden biologen in Princeton een experiment uit met kolonies gezonde en kankerachtige levercellen van muizen. De onderzoekers haalden vervolgens de vetzuren uit de cellen en gebruikten een machine, een zogenaamde massaspectrometer, om de verhouding van de waterstofatomen in de cellen te bepalen.
"Toen we met het onderzoek begonnen, dacht ik:'Ooh, we hebben een kans om iets cools te zien'", zei Maloney. "Het zorgde uiteindelijk voor een enorm signaal, wat ik niet had verwacht."
Fermenterende gistcellen, het soort dat op kanker lijkt, bevatten gemiddeld ongeveer 50% minder deuteriumatomen dan de normale gistcellen, een verrassende verandering. Kankercellen vertoonden een vergelijkbaar, maar niet zo sterk tekort aan deuterium.
Zhang, hoofdauteur van het onderzoek en assistent-professor geowetenschappen aan Princeton, verloor haar eigen vader aan kanker. Ze heeft goede hoop dat de resultaten op een dag gezinnen zoals het hare kunnen helpen.
"Kanker en andere ziekten zijn helaas een groot thema in de levens van veel mensen. Het zien van Ashley's gegevens was een speciaal, diepgaand moment", zei Zhang. "Het betekende dat een hulpmiddel dat wordt gebruikt om de gezondheid van de planeet te volgen, ook zou kunnen worden toegepast om de gezondheid en ziekte van levensvormen te volgen, hopelijk ooit ook van mensen. Ik ben opgegroeid in een gezin dat wordt uitgedaagd door kanker en hoop dat dit gebied zich zal uitbreiden."