Geologi e biologi scoprono le impronte atomiche del cancro

In un caso in cui la medicina incontra la scienza della terra, i ricercatori hanno scoperto che le cellule tumorali possono essere costituite da un diverso assortimento di atomi di idrogeno rispetto ai tessuti sani. I risultati potrebbero fornire ai medici nuove strategie per studiare come il cancro cresce e si diffonde e potrebbero anche, un giorno, portare a nuovi modi per individuare precocemente il cancro nel corpo.

Il team, guidato dal geochimico della CU Boulder Ashley Maloney, pubblicherà i suoi risultati questa settimana nel Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.

“Questo studio aggiunge un livello completamente nuovo alla medicina, dandoci la possibilità di osservare il cancro a livello atomico”, ha affermato Maloney, ricercatore associato presso il Dipartimento di Scienze Geologiche.

Ha spiegato che in natura l’idrogeno è disponibile in due sapori principali, o isotopi. Alcuni atomi di idrogeno, chiamati deuterio, sono un po’ più pesanti, mentre altri, solitamente conosciuti semplicemente come idrogeno, sono un po’ più leggeri. Sulla Terra, gli atomi di idrogeno sono più numerosi degli atomi di deuterio in un rapporto di circa 6.420 a uno.

Per decenni, scienziati provenienti da diversi campi si sono rivolti alla distribuzione naturale di questi atomi per rivelare indizi sulla storia del nostro pianeta. Gli scienziati del clima, ad esempio, esaminano gli atomi di idrogeno intrappolati nel ghiaccio dell’Antartide per dedurre quanto fosse calda o fredda la Terra centinaia di migliaia di anni fa.

Nel nuovo studio, Maloney e i suoi colleghi si sono chiesti: quegli stessi minuscoli atomi potrebbero fornire indizi sulla vita di organismi biologici complessi?

Per scoprirlo, il team ha coltivato colture di lievito e cellule di fegato di topo in laboratorio, quindi ha analizzato i loro atomi di idrogeno. Il team ha scoperto che le cellule che crescono molto velocemente, come le cellule tumorali, contengono un rapporto molto diverso tra atomi di idrogeno e deuterio. Pensatelo come un cancro che lascia un’impronta digitale sulla maniglia di una scena del crimine.

La ricerca è ancora nelle sue fasi iniziali e il team non è sicuro di come questo segnale potrebbe apparire o meno nel corpo dei veri pazienti affetti da cancro. Ma il potenziale potrebbe essere grande, ha affermato Sebastian Kopf, coautore dello studio e assistente professore di scienze geologiche.

“Le tue possibilità di sopravvivenza sono molto più alte se ti ammali presto del cancro”, ha detto Kopf. “Se questo segnale isotopico è abbastanza forte da poterlo rilevare attraverso qualcosa come un esame del sangue, ciò potrebbe darti un indizio importante che qualcosa non va.”

Il metabolismo del cancro

Lo studio è incentrato su un concetto che da anni incuriosisce i ricercatori sul cancro: il metabolismo.

In condizioni normali, le cellule di organismi come lieviti e animali generano energia attraverso un processo chiamato respirazione, in cui assorbono ossigeno e rilasciano anidride carbonica. Ma questo non è l’unico modo per ottenere un effetto zuccherino. Le colonie di lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae), ad esempio, possono produrre energia attraverso la fermentazione, in cui gli organismi scompongono gli zuccheri senza l’aiuto dell’ossigeno e producono alcol. È lo stesso processo che ti dà la birra.

“Negli esseri umani, se un atleta si esibisce oltre il limite aerobico, anche i suoi muscoli inizieranno a fermentare, senza utilizzare ossigeno”, ha detto Kopf. “Questo ti dà una rapida sferzata di energia.”

A quanto pare, anche molte cellule tumorali alimentano la loro crescita attraverso una strategia simile per arricchirsi rapidamente.

Gli scienziati hanno cercato a lungo nuovi modi per monitorare questi cambiamenti metabolici nelle cellule tumorali. Maloney, che ha condotto il nuovo studio come Harry Hess Postdoctoral Fellow a Princeton, e il suo consulente Xinning Zhang hanno sviluppato un’idea: tracciare l’idrogeno.

All’interno della cella

Oggi, Maloney gestisce l’Earth Systems Stable Isotope Lab della CU Boulder, una delle oltre 20 strutture principali del campus. Come studentessa laureata, ha esplorato gli atomi di idrogeno nelle alghe delle isole tropicali. Il suo lavoro attuale è stato ispirato da una fonte improbabile: suo padre, un dermatologo.

“Prende continuamente le cellule tumorali della pelle dalle persone”, ha detto Maloney. “Mi chiedevo come il metabolismo di quelle cellule potesse essere diverso da quello delle cellule che crescono accanto a loro.”

Per comprendere questa domanda, è utile sapere innanzitutto come l’idrogeno si accumula nelle cellule. In alcuni casi, quegli atomi provengono da un enzima difficile da pronunciare, ma di fondamentale importanza, noto come nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADPH). Tra i suoi numerosi ruoli nelle cellule, il NADPH raccoglie gli atomi di idrogeno per poi trasmetterli ad altre molecole nel processo di produzione degli acidi grassi, un elemento importante per la vita.

Il NADPH, tuttavia, non attinge sempre dallo stesso pool di idrogeno. Precedenti ricerche condotte da Zhang e focalizzate sui batteri suggerivano che, a seconda di ciò che fanno gli altri enzimi in una cellula, il NADPH può talvolta utilizzare diversi isotopi di idrogeno più o meno spesso.

Ciò ha sollevato la domanda: se il cancro riprogramma il metabolismo di una cellula, potrebbe anche alterare il modo in cui il NADPH ottiene il suo idrogeno, alterando in definitiva la composizione atomica di una cellula?

Finestra sul cancro

Per iniziare a scoprirlo, i ricercatori hanno allestito barattoli pieni di fiorenti colonie di lievito nei laboratori di Princeton e CU Boulder. Separatamente, i biologi di Princeton hanno condotto un esperimento con colonie di cellule epatiche di topo sane e cancerose. I ricercatori hanno poi estratto gli acidi grassi dalle cellule e hanno utilizzato una macchina chiamata spettrometro di massa per identificare il rapporto degli atomi di idrogeno all’interno.

“Quando abbiamo iniziato lo studio, ho pensato, ‘Ooh, abbiamo la possibilità di vedere qualcosa di interessante”, ha detto Maloney. “Ha finito per creare un segnale enorme, cosa che non mi aspettavo.”

Le cellule di lievito in fermentazione, quelle che assomigliano al cancro, contenevano in media circa il 50% in meno di atomi di deuterio rispetto alle normali cellule di lievito, un cambiamento sorprendente. Le cellule cancerose hanno mostrato una carenza simile ma non così forte di deuterio.

Zhang, autore senior dello studio e assistente professore di geoscienze a Princeton, spera che un giorno la ricerca possa aiutare le famiglie di tutto il mondo.

“Il cancro e altre malattie sono purtroppo un tema enorme nella vita di molte persone. Vedere i dati di Ashley è stato un momento speciale e profondo”, ha detto Zhang. “Significava che uno strumento utilizzato per monitorare la salute planetaria potrebbe essere applicato anche per monitorare la salute e le malattie nelle forme di vita, si spera un giorno negli esseri umani. Crescendo in una famiglia colpita dal cancro, spero di vedere quest’area espandersi.”