Geólogos y biólogos descubren las huellas atómicas del cáncer

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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, según se conoció ayer.

Crecimientos cancerosos en el hígado de un ratón. Créditos: Imaging/tissue extraction by Anthony B. Eason; lab of Dirk Dittmer, University of North Carolina Lineberger Comprehensive Cancer Center. Mice maintained by UNC Animal Studies Core; staining by UNC Animal Histopathology Core.

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.

El equipo, dirigido por la geoquímica Ashley Maloney de CU Boulder, publicó sus hallazgos esta semana en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Maloney, quien es investigadora asociada del Departamento de Ciencias Geológicas señaló que “este estudio añade una capa completamente nueva a la medicina, dándonos la oportunidad de observar el cáncer a nivel atómico”.

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.

Por 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 cientos de miles de años atrás.

En la nueva investigación, Maloney y sus colegas se preguntaron: ¿Podrían esos mismos átomos diminutos proporcionar pistas sobre la vida de organismos biológicos complejos?

Para averiguarlo, el equipo hizo cultivos de levadura y células de hígado de ratón 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. Los científicos explican que sería como si el cáncer dejara una huella digital en la puerta de la escena del 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 humanos con casos reales de cáncer. Pero el potencial podría ser grande, según 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”, dijo Kopf. “Si esta señal isotópica es lo suficientemente fuerte como para poder detectarla mediante, por ejemplo, un análisis de sangre, podríamos obtener una pista importante de que algo anda mal”.

**Crecimiento de levadura en condiciones controladas en un laboratorio de la Universidad de Princeton. (Crédito de la imagen: Ashley Maloney)**

El metabolismo del cáncer
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El estudio se centra en un concepto que ha intrigado por años a los investigadores del cáncer: 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 forma de hacerlo. Las colonias de levadura de panadería Saccharomyces cerevisiae, por ejemplo, pueden producir energía mediante la fermentación, en la que los organismos descomponen los azúcares sin ayuda del oxígeno y producen alcohol. El mismo proceso por el que se obtiene la cerveza.

“En los humanos, si un atleta supera su límite aeróbico, sus músculos también comenzarán el proceso de fermentación, sin la utilización de oxígeno. Eso da un rápido impulso de energía”, detalló Kopf.

Resulta que muchas células cancerosas también impulsan su crecimiento mediante una estrategia similar.

Los científicos buscaron por 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 asesora Xinning Zhang desarrollaron una idea: rastrear el hidrógeno.

En el interior de la célula
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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 otra 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?

Una ventana al cáncer
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Para comenzar a desentrañarlo, 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 un 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’. Terminó creando una señal enorme, que no esperaba", admitió Maloney.

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 del planeta también podría aplicarse para rastrear la salud y las enfermedades en otras formas de vida, con suerte algún día en los humanos. Al crecer en una familia afectada por el cáncer, espero que esta área se expanda”, concluyó.

Ashley Maloney
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Ashley Maloney es investigadora asociada. Gerente de las instalaciones para el CU Boulder Earth Systems Stable Isotope Lab. Sus temas de interés investigativos son: Biogeoquímica, Geoquímica de isótopos estables, Geomicrobiología, Ecología microbiana marina.

Educación y entrenamiento:
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2018-2023, Simons Foundation Postdoctoral Research Fellow, Princeton University, NJ
2018, Ph.D., University of Washington, WA Oceanography
2013, M.S., University of Washington, WA Oceanography
2013, Climate Change Certificate, University of Washington, WA
2005, B.S. & M.S., Stanford University, CA Earth Systems

Xinning Zhang
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La profesora Xinning Zhang es un microbióloga ambiental que se desempeña en el Departamento de Geociencias y el Instituto Ambiental de Princeton. La investigación de Zhang tiene como objetivo proporcionar una comprensión sobre cómo el metabolismo microbiano influye en el ciclo biogeoquímico y el clima en los entornos modernos y antiguos. Para determinar los parámetros clave que explican las actividades microbianas y sus firmas en el registro de las rocas, aplica herramientas de fisiología microbiana, ecología molecular y geoquímica de isótopos estables a la investigación en entornos de laboratorio y de campo. Zhang obtuvo su doctorado en Ciencias e Ingeniería Ambientales del Instituto de Tecnología de California y un B.S. en Ingeniería Biológica y Ambiental de la Universidad de Cornell. Se incorporó a la facultad en la primavera de 2017.

El artículo científico tiene por título 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. Sus autores son: Ashley E. Maloney, Sebastian H. Kopf, Zhaoyue Zhang, y Xinning Zhang

El artículo original, con la firma de Daniel Strain, puede ser leído aquí.