הקוד החבוי של הסרטן: חשיפת סודות אטומיים בדיוק גיאולוגי

מחקר פורץ דרך של CU Boulder ופרינסטון משתמש בכלים גיאולוגיים כדי לזהות את החתימות האטומיות הייחודיות של הסרטן, מה שעשוי לאפשר אבחון מוקדם.

מדענים מאוניברסיטת קולורדו בולדר ו אוניברסיטת פרינסטון השתמשו, בפעם הראשונה, בכלי המשמש לעתים קרובות בגיאולוגיה כדי לזהות את טביעות האצבע האטומיות של סרטן.

במקרה של רפואה פוגשת מדעי כדור הארץ, החוקרים גילו שתאים סרטניים עשויים להיות עשויים ממבחר שונה של אטומי מימן מאשר רקמה בריאה. הממצאים יכולים לתת לרופאים אסטרטגיות חדשות לחקור כיצד סרטן גדל ומתפשט – ואולי אפילו, יום אחד, יובילו לדרכים חדשות לזהות סרטן בשלב מוקדם בגוף.

הצוות, בראשות הגיאוכימאית CU Boulder, אשלי מלוני, יפרסם את ממצאיו השבוע ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS).

"המחקר הזה מוסיף רובד חדש לגמרי לרפואה, נותן לנו את ההזדמנות להסתכל על סרטן ברמה האטומית", אמר מלוני, עמית מחקר במחלקה למדעי הגיאולוגיה.

היא הסבירה שבטבע מימן מגיע בשני טעמים עיקריים, או איזוטופים. אטומי מימן מסוימים, הנקראים דאוטריום, הם מעט כבדים יותר, בעוד שאחרים, הידועים בדרך כלל רק בשם מימן, מעט קלים יותר. על פני כדור הארץ, מספר אטומי המימן עולים על אטומי דאוטריום ביחס של כ-6,420 לאחד.

במשך עשרות שנים, מדענים ממספר תחומים פנו להפצה הטבעית של אטומים אלה כדי לחשוף רמזים על ההיסטוריה של הפלנטה שלנו. מדעני אקלים, למשל, בוחנים את אטומי המימן הכלואים בקרח באנטארקטיקה כדי להסיק עד כמה חם או קריר היה כדור הארץ לפני מאות אלפי שנים.

במחקר החדש, תהו מלוני ועמיתיה: האם אותם אטומים זעירים יכולים לספק רמזים על חייהם של אורגניזמים ביולוגיים מורכבים?

כדי לגלות זאת, הצוות גידל תרביות של תאי כבד שמרים ותאי עכבר במעבדה, ולאחר מכן ניתח את אטומי המימן שלהם. הצוות מצא שתאים שגדלים ממש מהר, כמו תאים סרטניים, מכילים יחס שונה בהרבה של אטומי מימן לעומת דאוטריום. תחשוב על זה כמו סרטן שמותיר טביעת אצבע על ידית הדלת של זירת פשע.

המחקר עדיין בשלביו הראשונים, והצוות אינו בטוח כיצד האות הזה עשוי להופיע, או לא, בגופם של חולי סרטן אמיתיים. אבל הפוטנציאל יכול להיות גדול, אמר סבסטיאן קופף, מחבר שותף במחקר ועוזר פרופסור במדעי הגיאולוגיה.

"סיכויי ההישרדות שלך גבוהים בהרבה אם אתה חוטף סרטן בשלב מוקדם", אמר קופף. "אם האות האיזוטופי הזה חזק מספיק כדי שתוכל לזהות אותו באמצעות משהו כמו בדיקת דם, זה יכול לתת לך רמז חשוב שמשהו כבוי."

המסלולים המטבוליים של הסרטן

המחקר מתרכז סביב מושג שסקרן את חוקרי הסרטן במשך שנים: חילוף חומרים.

בתנאים רגילים, תאים של אורגניזמים כמו שמרים ובעלי חיים מייצרים אנרגיה באמצעות תהליך הנקרא נשימה, שבו הם קולטים חמצן ומשחררים פחמן דו חמצני. אבל זו לא הדרך היחידה להגיע לרמת סוכר גבוהה. מושבות של שמרי אפייה (Saccharomyces cerevisiae), למשל, יכולות לייצר אנרגיה באמצעות תסיסה, שבה אורגניזמים מפרקים סוכרים ללא עזרה מחמצן ומייצרים אלכוהול. זה אותו תהליך שנותן לך בירה.

"אצל בני אדם, אם ספורטאי מבצע מעבר לגבול האירובי שלו, השרירים שלהם יתחילו גם לתסוס, דבר שאינו משתמש בחמצן", אמר קופף. "זה נותן לך דחיפה אנרגיה מהירה."

כפי שמתברר, תאים סרטניים רבים גם מתדלקים את הצמיחה שלהם באמצעות אסטרטגיה דומה להתעשר-מהיר.

מדענים חיפשו זמן רב אחר דרכים נוספות לעקוב אחר השינויים המטבוליים הללו בתאים סרטניים. מלוני, שהובילה את המחקר החדש כעמית פוסט-דוקטורט של הארי הס בפרינסטון, והיועץ שלה שינינג ג'אנג פיתחו רעיון: עקוב אחר מימן.

תפקיד המימן בתהליכים סלולריים

כיום, מלוני מנהל את מעבדת האיזוטופים היציבים של CU Boulder של CU Boulder, אחד מיותר מ-20 מתקני ליבה בקמפוס. כסטודנטית לתואר שני, היא חקרה אטומי מימן באצות מאיים טרופיים. עבודתה הנוכחית נוצרה בהשראת מקור לא סביר: אביה, רופא עור.

"הוא מוריד תאי סרטן עור מאנשים כל הזמן", אמר מלוני. "תהיתי איך חילוף החומרים של התאים האלה עשוי להיות שונה מהתאים שגדלים לידם."

כדי להבין את השאלה הזו, זה עוזר לדעת איך מימן מסתובב בתאים מלכתחילה. במקרים מסוימים, אטומים אלו מגיעים מאנזים קשה לבטא, אך חשוב ביותר, הידוע בשם ניקוטינמיד אדנין דינוקלאוטיד פוספט (NADPH). בין תפקידיו הרבים בתאים, NADPH אוסף אטומי מימן ואז מעביר אותם למולקולות אחרות בתהליך יצירת חומצות שומן, אבן בניין חשובה לחיים.

עם זאת, NADPH לא תמיד שואב מאותו מאגר מימן. מחקרים קודמים בהובלת ג'אנג והתמקדו בחיידקים העלו כי בהתאם למה שעושים אנזימים אחרים בתא, NADPH עשוי לפעמים להשתמש באיזוטופי מימן שונים לעתים קרובות יותר או פחות.

מה שהעלה את השאלה: אם סרטן חווט מחדש את חילוף החומרים של התא, האם זה יכול גם לשנות את האופן שבו NADPH מקבל את המימן שלו, ובסופו של דבר ישנה את ההרכב האטומי של התא?

חלון אל סרטן

כדי להתחיל לגלות, החוקרים הקימו צנצנות מלאות במושבות פורחות של שמרים במעבדות בפרינסטון וב-CU בולדר. בנפרד, ביולוגים בפרינסטון ערכו ניסוי עם מושבות של תאי כבד בריאים וסרטניים של עכברים. לאחר מכן החוקרים משכו את חומצות השומן מהתאים והשתמשו במכונה שנקראת ספקטרומטר מסה כדי לזהות את היחס בין אטומי המימן בפנים.

"כשהתחלנו את המחקר, חשבתי, 'אה, יש לנו הזדמנות לראות משהו מגניב", אמר מלוני. "זה בסופו של דבר יצר אות ענק, שלא ציפיתי לו."

תאי שמרים מתסיסים, מהסוג שדומה לסרטן, הכילו בערך 50 אחוז פחות אטומי דאוטריום בממוצע מאשר תאי שמרים רגילים, שינוי מדהים. תאים סרטניים הפגינו מחסור דומה אך לא ממש חזק בדוטריום.

ג'אנג, המחברת הבכירה של המחקר ועוזרת פרופסור למדעי הגיאוגרפיה בפרינסטון, איבדה את אביה ממחלת הסרטן. היא מקווה שהתוצאות יוכלו יום אחד לעזור למשפחות כמוה.

"סרטן, ומחלות אחרות, הם למרבה הצער נושא ענק בחייהם של אנשים רבים. לראות את הנתונים של אשלי היה רגע מיוחד ועמוק", אמר ג'אנג. "המשמעות היא שכלי המשמש למעקב אחר בריאות פלנטרית עשוי להיות מיושם גם כדי לעקוב אחר בריאות ומחלות בצורות חיים, בתקווה שיום אחד בבני אדם. כשגדלתי במשפחה מאותגרת מסרטן, אני מקווה לראות את התחום הזה מתרחב".