Pesquisadores da Universidade do Colorado Boulder e da Universidade de Princeton utilizaram ferramentas geológicas para identificar isótopos únicos de hidrogênio em células cancerígenas, oferecendo novos insights sobre os processos metabólicos do câncer e sugerindo potencial para métodos de detecção precoce através de testes simples. Crédito: SciTechDaily.com
Um estudo inovador realizado por CU Boulder e Princeton utiliza ferramentas geológicas para detectar assinaturas atômicas únicas do câncer, permitindo potencialmente o diagnóstico precoce.
Cientistas da Universidade do Colorado Boulder e Universidade de Princeton empregaram, pela primeira vez, uma ferramenta frequentemente usada em geologia para detectar as impressões digitais atômicas do câncer.
Num caso de medicina e ciências da terra, os investigadores descobriram que as células cancerígenas podem ser produzidas a partir de uma variedade diferente de átomos de hidrogénio do que o tecido saudável. As descobertas poderão dar aos médicos novas estratégias para estudar como o cancro cresce e se espalha – e podem até, um dia, levar a novas formas de detectar o cancro numa fase precoce do corpo.
A equipe, liderada pela geoquímica Ashley Maloney da CU Boulder, publicará suas descobertas esta semana no Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS).
“Este estudo acrescenta uma camada totalmente nova à medicina, dando-nos a oportunidade de observar o cancro ao nível atómico”, disse Maloney, investigador associado do Departamento de Ciências Geológicas.
Ela explicou que na natureza o hidrogênio vem em dois sabores principais, ou isótopos. Alguns átomos de hidrogênio, chamados deutério, são um pouco mais pesados, enquanto outros, geralmente conhecidos apenas como hidrogênio, são um pouco mais leves. Na Terra, os átomos de hidrogênio superam os átomos de deutério em uma proporção de cerca de 6.420 para um.
Durante décadas, cientistas de diversas áreas recorreram à distribuição natural destes átomos para revelar pistas sobre a história do nosso planeta. Os cientistas climáticos, por exemplo, examinam os átomos de hidrogénio presos no gelo da Antártida para inferir quão quente ou fria era a Terra há centenas de milhares de anos.
No novo estudo, Maloney e os seus colegas interrogaram-se: será que esses mesmos átomos minúsculos poderiam fornecer pistas sobre a vida de organismos biológicos complexos?
Para descobrir, a equipe cultivou culturas de leveduras e células de fígado de camundongo no laboratório e depois analisou seus átomos de hidrogênio. A equipe descobriu que as células que crescem muito rápido, como as células cancerígenas, contêm uma proporção muito diferente de átomos de hidrogênio versus átomos de deutério. Pense nisso como se o câncer deixasse uma impressão digital na maçaneta da cena do crime.
A pesquisa ainda está em seus estágios iniciais e a equipe não tem certeza de como esse sinal pode aparecer, ou não, no corpo de pacientes reais com câncer. Mas o potencial pode ser grande, disse Sebastian Kopf, coautor do estudo e professor assistente em ciências geológicas.
“Suas chances de sobrevivência são muito maiores se você contrair câncer precocemente”, disse Kopf. “Se este sinal isotópico for forte o suficiente para que você possa detectá-lo através de algo como um exame de sangue, isso poderá lhe dar uma dica importante de que algo está errado.”
As vias metabólicas do câncer
O estudo gira em torno de um conceito que intriga os pesquisadores do câncer há anos: o metabolismo.
Em condições normais, as células de organismos como leveduras e animais geram energia através de um processo chamado respiração, no qual absorvem oxigênio e liberam dióxido de carbono. Mas essa não é a única maneira de aumentar o nível de açúcar. Colônias de fermento de padeiro (Saccharomyces cerevisiae), por exemplo, podem produzir energia por meio de fermentação, na qual os organismos decompõem os açúcares sem a ajuda do oxigênio e produzem álcool. É o mesmo processo que dá cerveja.
“Nos humanos, se um atleta tiver um desempenho além do seu limite aeróbico, seus músculos também começarão a fermentar, o que não utiliza oxigênio”, disse Kopf. “Isso lhe dá um rápido aumento de energia.”
Acontece que muitas células cancerígenas também alimentam o seu crescimento através de uma estratégia semelhante de enriquecimento rápido.
Os cientistas há muito procuram mais maneiras de rastrear essas alterações metabólicas nas células cancerígenas. Maloney, que liderou o novo estudo como Harry Hess Postdoctoral Fellow em Princeton, e seu orientador Xinning Zhang desenvolveram uma ideia: rastrear o hidrogênio.
O papel do hidrogênio nos processos celulares
Hoje, Maloney gerencia o Laboratório de Isótopos Estáveis de Sistemas Terrestres da CU Boulder, uma das mais de 20 instalações principais do campus. Como estudante de pós-graduação, ela explorou átomos de hidrogênio em algas de ilhas tropicais. Seu trabalho atual foi inspirado por uma fonte improvável: seu pai, dermatologista.
“Ele retira células cancerígenas da pele das pessoas o tempo todo”, disse Maloney. “Eu me perguntei como o metabolismo dessas células poderia ser diferente das células que crescem próximas a elas.”
Para entender essa questão, é útil saber, em primeiro lugar, como o hidrogênio chega às células. Em alguns casos, esses átomos vêm de uma enzima difícil de pronunciar, mas extremamente importante, conhecida como nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADPH). Entre as suas muitas funções nas células, o NADPH recolhe átomos de hidrogénio e depois passa-os para outras moléculas no processo de produção de ácidos gordos, um importante alicerce para a vida.
O NADPH, entretanto, nem sempre extrai do mesmo reservatório de hidrogênio. Anterior pesquisa liderada por Zhang e focar nas bactérias sugeriu que, dependendo do que outras enzimas em uma célula estão fazendo, o NADPH pode às vezes usar diferentes isótopos de hidrogênio com mais ou menos frequência.
O que levantou a questão: se o cancro reconfigura o metabolismo de uma célula, poderá também alterar a forma como o NADPH obtém o seu hidrogénio, alterando em última análise a composição atómica de uma célula?
Janela para o câncer
Para começar a descobrir, os pesquisadores montaram frascos cheios de colônias florescentes de levedura em laboratórios de Princeton e CU Boulder. Separadamente, biólogos de Princeton conduziram um experimento com colônias de células hepáticas de camundongos saudáveis e cancerosas. Os pesquisadores então retiraram os ácidos graxos das células e usaram uma máquina chamada espectrômetro de massa para identificar a proporção de átomos de hidrogênio dentro delas.
“Quando começamos o estudo, pensei: ‘Ah, temos a chance de ver algo legal’”, disse Maloney. “Acabou criando um sinal enorme, que eu não esperava.”
As células de levedura em fermentação, do tipo que se assemelha ao câncer, continham em média cerca de 50% menos átomos de deutério do que as células normais de levedura, uma mudança surpreendente. As células cancerosas exibiram uma escassez semelhante, mas não tão forte, de deutério.
Zhang, autora sênior do estudo e professora assistente de geociências em Princeton, perdeu o próprio pai devido ao câncer. Ela tem esperança de que os resultados possam um dia ajudar famílias como a dela.
“O câncer e outras doenças são, infelizmente, um grande tema na vida de muitas pessoas. Ver os dados de Ashley foi um momento especial e profundo”, disse Zhang. “Isso significava que uma ferramenta usada para rastrear a saúde planetária também poderia ser aplicada para rastrear a saúde e as doenças nas formas de vida, esperançosamente um dia nos humanos. Tendo crescido numa família desafiada pelo cancro, espero ver esta área expandir-se.”
Referência: “Grandes enriquecimentos em gorduras ácido As proporções 2H/1H distinguem a respiração da fermentação aeróbica na levedura Saccharomyces cerevisiaeGrandes enriquecimentos nas proporções 2H/1H de ácidos graxos distinguem a respiração da fermentação aeróbica na levedura Saccharomyces cerevisiae” 6 de maio de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2310771121
