科羅拉多大學博爾德分校和普林斯頓大學的科學家首次利用地質學中常用的工具來檢測癌症的原子指紋。在醫學與地球科學的結合中，研究人員發現，癌細胞可能是由不同於健康組織的氫原子組成的。這些發現可以為醫生提供研究癌症如何生長和擴散的新策略——甚至有一天，研究人員可以找到在身體早期發現癌症的新方法。

由科羅拉多大學博爾德分校地球化學家阿什利-馬洛尼（Ashley Maloney）領導的研究小組將於本週在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上發表其研究成果。

地質科學系副研究員馬洛尼說：”這項研究為醫學增添了一個全新的層面，讓我們有機會在原子層面上觀察癌症。”

她解釋說，在自然界中，氫主要有兩種，即同位素。有些氫原子（稱為氘）稍重，而有些氫原子（通常只稱為氫）則稍輕。在地球上，氫原子的數量比氘原子的數量多出約6420 比1。

幾十年來，許多領域的科學家利用這些原子的自然分佈來揭示地球歷史的線索。例如，氣候科學家透過研究南極洲冰層中的氫原子來推斷地球在幾十萬年前的冷熱程度。

在這項新研究中，馬洛尼和她的同事想知道，這些微小的原子能否為複雜生物體的生活提供一些線索呢？

為了找出答案，研究團隊在實驗室中培養了酵母和小鼠肝細胞，然後分析了它們的氫原子。研究團隊發現，生長速度非常快的細胞（如癌細胞）所含的氫原子和氘原子的比例大不相同。這就好比癌症在犯罪現場的門把手上留下了指紋。

這項研究仍處於早期階段，研究團隊還不確定這種訊號會不會在真正的癌症患者體內出現。但這項研究的共同作者、地質科學助理教授塞巴斯蒂安-科普夫（Sebastian Kopf）說，這種訊號的潛力可能很大。

科普夫說：「如果能在早期發現癌症，病患的生存幾率就會大大提高。如果這種同位素訊號夠強，就可以透過血液化驗之類的方法檢測到它，那就會給出一個重要的提示，告訴你有什麼不對勁。

這項研究圍繞著一個多年來一直吸引著癌症研究人員的概念：新陳代謝。

在正常情況下，酵母和動物等生物的細胞會透過一種稱為呼吸的過程產生能量，在這個過程中，它們吸收氧氣，釋放二氧化碳。但這並不是獲得高糖分的唯一途徑。例如，麵包酵母（Saccharomyces cerevisiae）的菌落可以透過發酵產生能量，在發酵過程中，生物體在沒有氧氣的幫助下分解糖分並產生酒精。這也是釀造啤酒的過程。

科普夫說：「在人體中，如果運動員的運動量超過了有氧極限，他們的肌肉也會開始發酵，而這並不使用氧氣。這能讓你快速增強能量」。

事實證明，許多癌細胞也透過類似的策略來令其加速生長。長期以來，科學家一直在尋找更多的方法來追蹤癌細胞中的這些代謝變化。作為普林斯頓大學哈里-赫斯博士後研究員領導這項新研究的馬洛尼和她的導師張新寧提出了一個想法：追蹤氫。

如今，馬洛尼管理科羅拉多大學博爾德分校的地球系統穩定同位素實驗室，該實驗室是校內20 多個核心設施之一。作為一名研究生，她探索了熱帶島嶼藻類中的氫原子。她目前的工作靈感來自一個不太可能的來源：她的父親，一位皮膚科醫生。

馬洛尼說：”他經常從人們身上提取皮膚癌細胞。我想知道這些細胞的新陳代謝與生長在它們旁邊的細胞有什麼不同。”

要理解這個問題，首先要知道氫是如何進入細胞的。在某些情況下，這些原子來自一種難以發音但至關重要的酶，即煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯（NADPH）。 NADPH 在細胞中發揮許多作用，其中包括收集氫原子，然後在製造脂肪酸的過程中將氫原子傳遞給其他分子，脂肪酸是生命的重要組成部分。

然而，NADPH 並不總是從同一個氫池中汲取氫氣。由張新寧領導並以細菌為重點的先前研究表明，根據細胞中其他酶的工作情況，NADPH 有時可能會更多或更少地使用不同的氫同位素。

這就提出了一個問題：如果癌症重塑了細胞的新陳代謝，那麼它是否也會改變NADPH 獲取氫的方式，最終改變細胞的原子組成？

為了找出答案，研究人員在普林斯頓大學和科羅拉多大學博爾德分校的實驗室裡設置了裝滿蓬勃生長的酵母菌群的罐子。另外，普林斯頓大學的生物學家用健康和癌變的小鼠肝細胞菌落進行了一項實驗。然後，研究人員從細胞中提取脂肪酸，並使用一種名為質譜儀的儀器來確定其中氫原子的比例。

結果顯示，與癌細胞相似的發酵酵母細胞所含的氘原子平均比正常酵母細胞少約50%，這是驚人的變化。癌細胞也表現出類似的氘短缺現象，但並不嚴重。

張是這項研究的資深作者，也是普林斯頓大學地球科學助理教授，她希望研究結果有朝一日能幫助像她一樣的家庭。

“不幸的是，癌症和其他疾病是許多人生活中的一大主題。看到阿什利的數據是一個特殊而深刻的時刻，”張說。 “這意味著一種用於追蹤地球健康的工具也可能被用於追蹤生命體的健康和疾病，希望有一天能用於人類。我生長在一個飽受癌症困擾的家庭，我希望看到這一領域不斷擴大。

編譯來源：ScitechDaily