普林斯顿大学地球科学家张欣宁（Xinning Zhang）和Ashley Maloney发现了一种地质学技术，在检测类似癌细胞方面显示出潜力。如果他们的初步结果得到证实，他们可能已经找到了癌症的新标志物，这可能意味着更早的诊断和更好的治疗效果。他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
这项研究的重点在于两种天然存在的氢同位素——普通氢（H）和重氢（氘，D），这些同位素在脂质（脂肪酸）中留下了同位素足迹。张欣宁表示：“这种天然信号可以帮助我们理解健康和疾病。”
这项研究处于初步阶段但前景光明，该研究的共同作者、科罗拉多大学博尔得分校地质科学助理教授Sebastian Kopf在一份声明中说：“如果你能及早发现癌症，生存几率会大大提高。如果这种同位素信号足够强，可以通过血液测试等简单方法检测到，那将是一个重要的提示，表明某些事情不正常。”
关键是对比这两种天然存在的氢同位素：普通氢（H）和重氢（D），它们在脂质中留下指纹。张欣宁强调，这种D与H的比例提供了天然信号，因此可以通过简单的血液测试——特别是脂质测试来测量。“它不需要放射性示踪剂或其他侵入性程序，”她说。
作为研究生时，张欣宁意识到地质学家用于研究古代生命形式、生物地球化学循环甚至石油系统的同位素比例也可以揭示细菌的代谢过程——即有机体如何吸收和利用水、空气和食物进行生长。她在2009年发表了关于这一主题的论文，随后转向其他研究问题。“但在我心里，我一直想知道这个想法的应用是什么？我能用它做什么？就个人而言，当时我的父亲正在与晚期癌症作斗争。”
在一次研讨会上，她遇到了早期职业地球化学家Ashley Maloney，后者受其父亲从事医学工作的启发，也对新的生物医学应用感到好奇。2018年，Maloney加入张欣宁的实验室，成为地球科学系的Hess博士后研究员，热衷于探索张欣宁2009年论文的含义。
“我很感激这项工作能够在普林斯顿进行，这里有博士后奖学金支持跨学科项目，”张欣宁说。大多数资助机构不会为没有至少一个概念验证实验支持的前瞻性研究投入资源。
发现氢在癌细胞中的足迹
张欣宁和Maloney指出，氢在癌细胞中留下了微小但强大的信号。
“许多细胞中的问题过程与不正确的氢流动有关，”张欣宁说。“代谢途径出错。例如，癌细胞快速分裂，改变其新陈代谢以支持这种快速生长。为了做到这一点，它们激活不同的代谢途径，这些途径有不同的方式移动氢。”
这种氢的变化在脂质（脂肪酸）中留下了痕迹，而脂质是细胞中最富含氢的分子之一。
脂肪酸既非常稳定又非常好地保留过去的信息。它们的稳定性使得黄油可以在厨房柜台上安全存放很长时间，而肉或面包早已变质。
“在构成细胞的所有有机分子中，脂质在自然界中保存的时间最长，”张欣宁说。“这对地球科学家来说很有帮助，因为他们在研究地质记录。这也对人类健康有影响。因为不仅脂质保存时间长，而且其中的氢也与细胞中的许多不同过程相互作用，导致脂质中氢的同位素印记。”
因此，作为第一步，张欣宁和Maloney决定研究酵母中的脂质，这是一种简单但功能强大的癌症模型。
“我们是地球科学家，所以一开始我们不能直接研究人类癌细胞，”现为科罗拉多大学博尔得分校地球系统稳定同位素实验室研究助理的Maloney说。“所以在疫情期间，我学会了在非常严格的条件下培养酵母——酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae），这种酵母在面包店和啤酒厂中都能找到。”Maloney通过与普林斯顿和CU-Boulder的酵母实验室合作解决了系统中的问题。
癌细胞通过大量消耗糖分并发酵来维持其超快的增长，因此Maloney给一些酵母喂食葡萄糖以促进发酵。她给对照组喂食甘油，使酵母通过呼吸缓慢生长，这是健康细胞用于能量和生长的过程。
当Maloney和张欣宁使用同位素比率质谱仪（地球科学的基本工具）测量脂质中的氢同位素时，他们发现发酵的、类似癌细胞的酵母产生的脂质中含有比对照组少得多的重氢（D）。
“我们惊讶地发现，在类似癌细胞的酵母和健康酵母细胞之间，氢信号存在如此大的差异，”Maloney说。“信号比我们预期的还要大。”
为了开始将他们的结果扩展到人类，地球科学家从Rabinowitz实验室的前研究生张兆悦（Zhaoyue Zhang，2021年博士毕业生）那里获得了癌性和健康的鼠肝细胞，现在她是洛克菲勒研究所的博士后。与酵母一样，发酵的癌细胞中D与H的比例低于健康的呼吸细胞。
现在他们有了概念验证，张欣宁及其同事兴奋地扩大研究范围。
“我们需要完成这项工作以证明确实存在信号——一个显著的信号，”她说。“看到基于细菌的预测在酵母和更复杂的生命形式中得以实现，令人兴奋。现在，我们有了关键数据，可以尝试与医学领域的研究人员联系，努力将这一工具从地球科学扩展到帮助人们。”
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