研究人员利用地质技术发现癌症的“指纹”

癌症是全球第二大死亡原因，每年造成1000多万人死亡。

然而，如果及早发现并有效治疗，许多癌症是可以治愈的。问题往往在于癌症的隐匿性。

一项新的研究表明，可能有一种方法可以在原子水平上识别癌症的“指纹”，这种技术在地质学上比在医学上更常用。

这一发现可能会为研究癌症的生长提供新的方法，并可能为早期发现提供新的选择。

“这项研究为医学增加了一个全新的层面，让我们有机会在原子水平上研究癌症，”首席作者、科罗拉多大学博尔德分校的生物地球化学家阿什利·马洛尼说。

为了做到这一点，马洛尼和她来自美国和瑞士的同事利用了氢同位素分布的自然变化 —— 同一元素的不同版本，其原子具有相同的质子总数，但中子数不同。

氘是氢的两种稳定同位素中较重的一种，它与传统的氢的区别在于它多了一个中子。它在地球上的数量较少，地球上氢原子的数量大约是氘的6000比1。

这些同位素的分布在地球科学中很有用，它掌握着古代岩石或冰盖等事物的秘密。

但我们体内也存在不同排列的氢原子，马洛尼想看看这些同位素是否能揭示我们体内的奥秘。从她父亲作为皮肤科医生的工作中获得灵感，她特别想了解氢同位素可能揭示的癌症。

马洛尼说：“他一直在清除人们身上的皮肤癌细胞。我想知道这些细胞的新陈代谢与它们旁边生长的细胞有什么不同。”

在实验室实验中，研究人员培养了酵母和小鼠肝细胞，然后分析了它们的氢同位素。他们发现，生长速度非常快的细胞 —— 比如癌细胞 —— 氢和氘的比例有很大的不同。

马洛尼和她的同事指出，这仍然是初步的，关于氢同位素如何以及是否可能暗示人体癌症的许多问题仍然存在。

科罗拉多大学博尔德分校的地质科学家塞巴斯蒂安·科普夫（Sebastian Kopf）说，但考虑到早期检测可能挽救生命，这值得进一步研究。

“如果你在早期发现癌症，你的生存机会会高得多，”科普夫说。“如果这个同位素信号足够强，你可以通过血液测试等手段检测到它，这可能会给你一个重要的提示，说明有些东西不对劲。”

酵母和老鼠的细胞通常通过细胞呼吸产生能量，吸收氧气并释放二氧化碳。但当氧气不能自由获取时，大多数细胞至少可以暂时转向发酵，将糖分解成能量。

“在人类中，如果运动员的表现超出了他们的有氧极限，他们的肌肉也会开始发酵，这不需要氧气，”科普夫说。“这能快速提升你的能量。”

许多癌症也通过发酵来促进其生长，这是沃伯格效应的一部分。知道了这一点，科学家们长期以来一直在寻找监测代谢异常的方法，这些异常可能预示着患者体内的癌细胞。

在这项新研究中，马洛尼和她的同事们试图通过分析氢的同位素来追踪这些代谢变化。

细胞从一种叫做烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）的酶中获得氢原子。它身兼数职，但NADPH的职责之一是将氢原子分配到某些分子中，作为脂肪酸生产的一部分。

根据细胞中其他酶的活性，NADPH可以将不同比例的氢原子和氘原子拼凑在一起。

考虑到癌症倾向于重新配置细胞的新陈代谢，研究人员希望了解癌症是否也改变了细胞获得氢的方式，从而影响了它们的原子组成。

他们的实验涉及酵母菌落（通常作为研究癌症的模型），以及健康和癌变小鼠肝细胞的菌落。

研究人员从这些菌落中取样脂肪酸，然后使用质谱仪揭示每个样品的氢同位素比例。

“当我们开始这项研究时，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。”

研究发现，发酵酵母细胞（代替癌细胞）的氘原子比正常酵母细胞少50%左右。癌变的老鼠细胞也显示出类似但不那么明显的氘含量下降。

“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，”普林斯顿大学环境微生物学家、论文合著者张新宁（音译）说。

“这意味着用于跟踪行星健康状况的工具，也可以用于跟踪生命形式的健康和疾病，希望有一天能应用于人类。”

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

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