دانشمندان دانشگاه کلرادو بولدر و دانشگاه پرینستون برای اولین بار از ابزارهای زمین شناسی برای شناسایی نشانه های اتمی منحصر به فرد سرطان استفاده کردند که به طور بالقوه امکان تشخیص زودهنگام را فراهم می کند.
من گزارش میدم تکناکدر منطقه ای که پزشکی با علم زمین ملاقات می کند، محققان کشف کرده اند که سلول های سرطانی ممکن است از مجموعه متفاوتی از اتم های هیدروژن نسبت به بافت سالم ساخته شده باشند. این یافته‌ها می‌تواند به پزشکان استراتژی‌های جدیدی برای مطالعه چگونگی رشد و گسترش سرطان بدهد و حتی ممکن است روزی به روش‌های جدیدی برای تشخیص سرطان در بدن منجر شود.
محققان به رهبری اشلی مالونی، یافته های خود را این هفته در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر خواهند کرد.
مالونی گفت: “این مطالعه با این که ما را قادر می سازد سرطان را در سطح اتمی مطالعه کنیم، لایه کاملا جدیدی به پزشکی اضافه می کند.”
او توضیح داد که در طبیعت، هیدروژن دو طعم یا ایزوتوپ اصلی دارد. برخی از اتم‌های هیدروژن که دوتریوم نامیده می‌شوند، کمی سنگین‌تر هستند، در حالی که برخی دیگر که به نام هیدروژن شناخته می‌شوند، کمی سبک‌تر هستند. در زمین، اتم های هیدروژن از اتم های دوتریوم با نسبتی حدود 6420 به یک بیشتر است.
برای چندین دهه، دانشمندان در تعدادی از زمینه ها به توزیع طبیعی این اتم ها روی آورده اند تا سرنخ هایی در مورد تاریخ سیاره ما کشف کنند. به عنوان مثال، دانشمندان آب و هوا اتم های هیدروژن به دام افتاده در یخ های قطب جنوب را مطالعه می کنند تا دریابند که زمین صدها هزار سال پیش چقدر گرم یا سرد بوده است.
در مطالعه جدید، مالونی و همکارانش پرسیدند: آیا این اتم های کوچک می توانند سرنخ هایی از زندگی موجودات پیچیده ارائه دهند؟
برای یافتن این موضوع، محققان کشت سلول های مخمر و کبد موش را در آزمایشگاه پرورش دادند و سپس اتم های هیدروژن آنها را تجزیه و تحلیل کردند. آنها دریافتند که سلول های واقعاً سریع رشد می کنند، مانند سلول های سرطانی، حاوی نسبت بسیار متفاوتی از هیدروژن به اتم های دوتریوم هستند.
این تحقیق هنوز در مراحل اولیه خود است و محققان مطمئن نیستند که چگونه این سیگنال ممکن است در بیماران سرطانی واقعی پخش شود. سباستین کوپف، یکی از نویسندگان این مطالعه گفت که پتانسیل می تواند بسیار زیاد باشد.
کوپف گفت: “اگر زود به سرطان مبتلا شوید، شانس زنده ماندن شما بسیار بیشتر است.” اگر این سیگنال ایزوتوپی به اندازه کافی قوی باشد که با آزمایش خون تشخیص داده شود، می تواند به شما اشاره مهمی بدهد که چیزی اشتباه است.
مسیرهای متابولیک سرطان
این مطالعه حول مفهومی می چرخد که سال ها محققان سرطان را هیجان زده کرده است: متابولیسم.
در شرایط عادی، سلول‌های موجوداتی مانند مخمر و حیوانات از طریق فرآیندی به نام تنفس انرژی تولید می‌کنند که در آن اکسیژن دریافت می‌کنند و دی اکسید کربن آزاد می‌کنند. اما این تنها راه افزایش قند نیست. برای مثال، مستعمرات مخمر نانوایی (Saccharomyces cerevisiae)، می توانند از طریق تخمیر انرژی تولید کنند که در آن موجودات بدون کمک اکسیژن، قندها را تجزیه کرده و الکل تولید می کنند. این فرآیند تولید آبجو است.
کوپف گفت: در انسان، اگر ورزشکاری فراتر از حد هوازی خود کار کند، ماهیچه های او نیز شروع به تخمیر می کنند که از اکسیژن استفاده نمی کند و به بدن انرژی سریعی می دهد.
همانطور که مشخص است، بسیاری از سلول های سرطانی از استراتژی مشابهی برای قوی تر شدن و رشد استفاده می کنند.
دانشمندان مدت هاست که به دنبال راه های بیشتری برای ردیابی این تغییرات متابولیک در سلول های سرطانی بوده اند. مالونی و مشاورش شینینگ ژانگ ایده ای را توسعه دادند: ردیابی هیدروژن.
نقش هیدروژن در فرآیندهای سلولی
مالونی اتم های هیدروژن را در جلبک های جزایر گرمسیری کشف کرد. کار فعلی او از یک منبع بعید الهام گرفته شده است: پدرش، متخصص پوست.
مالونی می‌گوید: «پدرم همیشه سلول‌های سرطان پوست را از مردم می‌گرفت. من تعجب کردم که چگونه متابولیسم این سلول ها با سلول هایی که در کنار آنها رشد می کنند متفاوت است.
برای درک این سوال، مهم است که بدانیم در وهله اول چگونه هیدروژن در سلول ها جریان می یابد. در برخی موارد، این اتم‌ها از یک آنزیم سخت اما بسیار مهم به نام نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات (NADPH) می‌آیند. NADPH در میان نقش‌های متعددی که در سلول‌ها دارد، اتم‌های هیدروژن را جمع‌آوری می‌کند و سپس آنها را در فرآیند ساخت اسیدهای چرب به مولکول‌های دیگر منتقل می‌کند، یک بلوک ساختمانی مهم برای زندگی.
با این حال، NADPH همیشه هیدروژن را از یک مخزن استخراج نمی کند. تحقیقات قبلی به رهبری ژانگ و متمرکز بر باکتری ها نشان داده است که بسته به آنچه که آنزیم های دیگر در سلول انجام می دهند، NADPH می تواند گاهی اوقات از ایزوتوپ های هیدروژن مختلف استفاده کند.
اگر سرطان متابولیسم سلول را دوباره سیم کشی کند، آیا می تواند روش NADPH دریافت هیدروژن را نیز تغییر دهد و در نهایت ساختار اتمی سلول را تغییر دهد؟
پنجره ای رو به سرطان
برای شروع درک این موضوع، محققان کلنی های مخمر در حال رشد را در آزمایشگاه های پرینستون و CU بولدر مورد بررسی قرار دادند. به طور جداگانه، زیست شناسان پرینستون با کلنی هایی از سلول های سالم و سرطانی کبد موش آزمایش کردند. سپس محققان اسیدهای چرب را از سلول‌ها استخراج کردند و از دستگاهی به نام طیف‌سنج جرمی برای شناسایی نسبت اتم‌های هیدروژن در داخل استفاده کردند.
سلول های مخمری سرطان مانند به طور متوسط 50 درصد کمتر از سلول های مخمر طبیعی حاوی اتم های دوتریوم هستند که این تغییر شگفت انگیز است. سلول های سرطانی کمبود دوتریوم مشابه اما کمتری را نشان می دهند.
ژانگ، نویسنده اصلی این مطالعه، پدرش را بر اثر سرطان از دست داد. او امیدوار است که نتایج روزی به خانواده هایی مانند او کمک کند.
