Científicos de la Universidad de Colorado Boulder y la Universidad de Princeton han empleado, por primera vez, una herramienta utilizada a menudo en geología para detectar las huellas atómicas del cáncer.
En un caso en el que la medicina se une a las ciencias de la tierra, los investigadores descubrieron que las células cancerosas pueden estar formadas por una variedad de átomos de hidrógeno diferente a la del tejido sano. Los hallazgos podrían brindar a los médicos nuevas estrategias para estudiar cómo crece y se propaga el cáncer, e incluso, algún día, podrían conducir a nuevas formas de detectar el cáncer en sus primeras etapas en el cuerpo.
El equipo, dirigido por la geoquímica Ashley Maloney de CU Boulder, publicará sus hallazgos esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
«Este estudio añade una capa completamente nueva a la medicina, dándonos la oportunidad de observar el cáncer a nivel atómico», dijo Maloney, investigador asociado del Departamento de Ciencias Geológicas.
Explicó que en la naturaleza, el hidrógeno se presenta en dos sabores principales, o isótopos. Algunos átomos de hidrógeno, llamados deuterio, son un poco más pesados, mientras que otros, normalmente conocidos simplemente como hidrógeno, son un poco más ligeros. En la Tierra, los átomos de hidrógeno superan en número a los de deuterio en una proporción de aproximadamente 6.420 a uno.
Durante décadas, científicos de diversos campos han recurrido a la distribución natural de estos átomos para revelar pistas sobre la historia de nuestro planeta. Los científicos del clima, por ejemplo, examinan los átomos de hidrógeno atrapados en el hielo de la Antártida para inferir qué tan caliente o fría era la Tierra hace cientos de miles de años.
En el nuevo estudio, Maloney y sus colegas se preguntaron: ¿Podrían esos mismos átomos diminutos proporcionar pistas sobre la vida de organismos biológicos complejos?
Para averiguarlo, el equipo cultivó cultivos de células de hígado de ratón y de levadura en el laboratorio y luego analizó sus átomos de hidrógeno. El equipo descubrió que las células que crecen muy rápido, como las células cancerosas, contienen una proporción muy diferente de átomos de hidrógeno frente a átomos de deuterio. Piense en ello como si el cáncer dejara una huella digital en el pomo de la puerta de la escena de un crimen.
La investigación aún se encuentra en sus primeras etapas y el equipo no está seguro de cómo podría aparecer o no esta señal en los cuerpos de pacientes con cáncer reales. Pero el potencial podría ser grande, afirmó Sebastian Kopf, coautor del estudio y profesor asistente de ciencias geológicas.
«Las posibilidades de supervivencia son mucho mayores si se detecta el cáncer a tiempo», afirmó Kopf. «Si esta señal isotópica es lo suficientemente fuerte como para poder detectarla mediante algo como un análisis de sangre, eso podría dar una pista importante de que algo anda mal».
El metabolismo del cáncer.
El estudio se centra en un concepto que ha intrigado a los investigadores del cáncer durante años: el metabolismo.
En condiciones normales, las células de organismos como las levaduras y los animales generan energía mediante un proceso llamado respiración, en el que absorben oxígeno y liberan dióxido de carbono. Pero esa no es la única manera de subir el nivel de azúcar. Las colonias de levadura de panadería (Saccharomyces cerevisiae), por ejemplo, pueden producir energía mediante fermentación, en la que los organismos descomponen los azúcares sin ayuda del oxígeno y producen alcohol. Es el mismo proceso que te da la cerveza.
«En los seres humanos, si un atleta se desempeña más allá de su límite aeróbico, sus músculos también comenzarán a fermentar, lo que no utiliza oxígeno», dijo Kopf. «Eso te da un rápido impulso de energía».
Resulta que muchas células cancerosas también impulsan su crecimiento mediante una estrategia similar de enriquecimiento rápido.
Los científicos han buscado durante mucho tiempo más formas de rastrear estos cambios metabólicos en las células cancerosas. Maloney, quien dirigió el nuevo estudio como becaria posdoctoral Harry Hess en Princeton, y su asesor Xinning Zhang desarrollaron una idea: rastrear el hidrógeno.
dentro de la celda
En la actualidad, Maloney administra el Laboratorio de Isótopos Estables de Sistemas Terrestres de CU Boulder, una de las más de 20 instalaciones principales del campus. Como estudiante de posgrado, exploró los átomos de hidrógeno en algas de islas tropicales. Su trabajo actual se inspiró en una fuente poco probable: su padre, un dermatólogo.
«Él elimina las células cancerosas de la piel de las personas todo el tiempo», dijo Maloney. «Me preguntaba en qué se diferenciaba el metabolismo de esas células del de las células que crecían junto a ellas».
Para comprender esa pregunta, es útil saber, en primer lugar, cómo termina el hidrógeno en las células. En algunos casos, esos átomos provienen de una enzima difícil de pronunciar, pero de importancia crítica, conocida como nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). Entre sus muchas funciones en las células, el NADPH recolecta átomos de hidrógeno y luego los pasa a otras moléculas en el proceso de producción de ácidos grasos, un componente importante para la vida.
Sin embargo, el NADPH no siempre se obtiene del mismo grupo de hidrógeno. Investigaciones anteriores dirigidas por Zhang y centradas en bacterias sugirieron que, dependiendo de lo que estén haciendo otras enzimas en una célula, el NADPH a veces puede utilizar diferentes isótopos de hidrógeno con mayor o menor frecuencia.
Lo que planteó la pregunta: si el cáncer reconfigura el metabolismo de una célula, ¿podría también alterar la forma en que el NADPH obtiene su hidrógeno, alterando en última instancia la composición atómica de una célula?
Ventana al cáncer
Para comenzar a descubrirlo, los investigadores instalaron frascos llenos de florecientes colonias de levadura en laboratorios de Princeton y CU Boulder. Por otra parte, los biólogos de Princeton realizaron un experimento con colonias de células hepáticas de ratón sanas y cancerosas. Luego, los investigadores extrajeron los ácidos grasos de las células y utilizaron una máquina llamada espectrómetro de masas para identificar la proporción de átomos de hidrógeno en su interior.
«Cuando comenzamos el estudio, pensé: ‘Oh, tenemos la oportunidad de ver algo interesante'», dijo Maloney. «Terminó creando una señal enorme, que no esperaba».
Las células de levadura fermentadas, del tipo que se parecen al cáncer, contenían aproximadamente un 50 por ciento menos de átomos de deuterio en promedio que las células de levadura normales, un cambio sorprendente. Las células cancerosas mostraron una escasez similar, aunque no tan fuerte, de deuterio.
Zhang, autor principal del estudio y profesor asistente de geociencias en Princeton, tiene la esperanza de que algún día la investigación pueda ayudar a familias de todo el mundo.
«Desafortunadamente, el cáncer y otras enfermedades son un tema muy importante en la vida de muchas personas. Ver los datos de Ashley fue un momento especial y profundo», dijo Zhang. «Significó que una herramienta utilizada para rastrear la salud planetaria también podría aplicarse para rastrear la salud y la enfermedad en formas de vida, con suerte algún día en los humanos. Al crecer en una familia desafiada por el cáncer, espero ver que esta área se expanda».
