地质学家和生物学家发现了癌症的原子指纹

长期以来，地球科学家一直在研究氢原子的微小差异，以探索我们星球的古代历史。一项新的研究表明，这些微小的原子也可能导致追踪癌症生长的新方法。

　　

科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)和普林斯顿大学(Princeton University)的科学家们首次使用了地质学中常用的一种工具来检测癌症的原子指纹。

在一个医学与地球科学相结合的案例中，研究人员发现癌细胞可能是由不同种类的氢原子组成的，而不是由健康组织组成的。这些发现可以为医生研究癌症如何生长和扩散提供新的策略，甚至有一天，可能会找到在身体早期发现癌症的新方法。

这个由科罗拉多大学博尔德分校地球化学家Ashley Maloney领导的研究小组将于本周在《PNAS》上发表他们的发现。

“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，”地质科学系的研究助理Maloney说。

在自然界中，氢有两种主要形式，即同位素。一些氢原子，被称为氘，稍微重一点，而另一些氢原子，通常被称为氢，稍微轻一点。在地球上，氢原子与氘原子的比例约为6420比1。几十年来，来自许多领域的科学家转向这些原子的自然分布，以揭示我们星球历史的线索。例如，气候科学家通过研究南极冰层中的氢原子来推断几十万年前地球的温度。

在这项新研究中，Maloney和她的同事们想知道:这些微小的原子能否为复杂生物有机体的生命提供线索?

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，生长非常快的细胞，比如癌细胞，含有的氢原子和氘原子的比例大不相同。就像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，研究小组不确定这种信号在真正的癌症患者体内会出现或不会出现。但该研究的合著者、地质科学助理教授Sebastian Kopf说，潜力可能很大。“如果你在早期发现癌症，你的生存机会会高得多，”Kopf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。”

癌症的新陈代谢

这项研究围绕着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，酵母菌和动物等生物体的细胞通过呼吸过程产生能量，在这个过程中，它们吸收氧气并释放二氧化碳。但这并不是让糖让你兴奋的唯一方法。例如，面包酵母菌落(酿酒酵母)可以通过发酵产生能量，在发酵过程中，生物体在没有氧气帮助的情况下分解糖并产生酒精。这和酿造啤酒的过程是一样的。

“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，”Kopf说。“这能快速提升你的能量。”

事实证明，许多癌细胞也通过类似的快速致富策略来促进它们的生长。

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。Maloney作为普林斯顿大学Harry Hess博士后研究员领导了这项新研究，她和她的导师Xinning Zhang提出了一个想法:追踪氢。

细胞内部

如今，Maloney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，这是该校20多个核心设施之一。作为一名研究生，她研究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。

Maloney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。”

要理解这个问题，首先要知道氢是如何在电池中形成的。在某些情况下，这些原子来自一种很难发音，但非常重要的酶，即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)。NADPH在细胞中的作用包括收集氢原子，然后在制造脂肪酸的过程中将它们传递给其他分子，脂肪酸是生命的重要组成部分。

然而，NADPH并不总是从相同的氢池中提取。之前由Zhang领导的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:如果癌症改变了细胞的新陈代谢，它是否也会改变NADPH获得氢的方式，最终改变细胞的原子组成?

癌症之窗

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大量酵母菌落的罐子。另外，普林斯顿大学的生物学家对健康和癌变小鼠的肝细胞进行了一项实验。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。

“当我们开始这项研究时，我想，‘哦，我们有机会看到一些很酷的东西，’”Maloney说。“它最终产生了一个巨大的信号，这是我没想到的。”

与癌症相似的发酵酵母细胞，其氘原子的平均含量比正常酵母细胞少了大约50%，这是一个惊人的变化。癌细胞表现出类似但不那么严重的氘缺乏。

该研究的资深作者、普林斯顿大学地球科学助理教授Xinning Zhang这项研究有一天能帮助世界各地的家庭。“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别的、深刻的时刻。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。我成长在一个饱受癌症困扰的家庭，我希望看到这个领域得到扩展。”

文章标题

Large enrichments in fatty acid 2H/1H ratios distinguish respiration from aerobic fermentation in yeast Saccharomyces cerevisiaeLarge enrichments in fatty acid 2H/1H ratios distinguish respiration from aerobic fermentation in yeast Saccharomyces cerevisiae