Geologen und Biologen entdecken die atomaren Fingerabdrücke von Krebs

Wissenschaftler der University of Colorado Boulder und der Princeton University haben zum ersten Mal ein in der Geologie häufig verwendetes Werkzeug eingesetzt, um die atomaren Fingerabdrücke von Krebs zu erkennen.

In einem Fall, in dem Medizin auf Geowissenschaften trifft, entdeckten die Forscher, dass Krebszellen möglicherweise aus einer anderen Zusammensetzung von Wasserstoffatomen bestehen als gesundes Gewebe. Die Ergebnisse könnten Ärzten neue Strategien zur Untersuchung des Wachstums und der Ausbreitung von Krebs liefern – und könnten eines Tages sogar zu neuen Möglichkeiten führen, Krebs frühzeitig im Körper zu erkennen.

Das Team unter der Leitung des Geochemikers Ashley Maloney von der CU Boulder, veröffentlichte die Ergebnisse im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

„Diese Studie fügt der Medizin eine völlig neue Ebene hinzu und gibt uns die Möglichkeit, Krebs auf atomarer Ebene zu untersuchen“, sagte Maloney, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung für Geologische Wissenschaften.

Sie erklärte, dass Wasserstoff in der Natur in zwei Hauptaromen oder Isotopen vorkommt. Einige Wasserstoffatome, Deuterium genannt, sind etwas schwerer, während andere, meist nur Wasserstoff genannt, etwas leichter sind. Auf der Erde gibt es etwa 6.420 zu eins mehr Wasserstoffatome als Deuteriumatome.

Seit Jahrzehnten beschäftigen sich Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen mit der natürlichen Verteilung dieser Atome, um Hinweise auf die Geschichte unseres Planeten zu finden. Klimaforscher beispielsweise untersuchen die im Eis der Antarktis eingeschlossenen Wasserstoffatome, um daraus zu schließen, wie heiß oder kühl die Erde vor Hunderttausenden von Jahren war.

In der neuen Studie fragten sich Maloney und ihre Kollegen: Könnten dieselben winzigen Atome Hinweise auf das Leben komplexer biologischer Organismen geben?

Um das herauszufinden, züchtete das Team im Labor Kulturen von Hefe- und Mäuseleberzellen und analysierte dann deren Wasserstoffatome. Das Team fand heraus, dass Zellen, die sehr schnell wachsen, wie zum Beispiel Krebszellen, ein ganz anderes Verhältnis von Wasserstoff- und Deuteriumatomen enthalten. Stellen Sie sich das so vor, als ob Krebs einen Fingerabdruck auf der Türklinke eines Tatorts hinterlässt.

Die Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium und das Team ist sich nicht sicher, wie dieses Signal im Körper echter Krebspatienten auftreten könnte oder nicht. Aber das Potenzial könnte groß sein, sagte Sebastian Kopf, Mitautor der Studie und Assistenzprofessor für Geologie.

„Ihre Überlebenschancen sind viel höher, wenn Sie früh an Krebs erkranken“, sagte Kopf. „Wenn dieses Isotopensignal stark genug ist, dass man es beispielsweise durch einen Bluttest erkennen könnte, könnte das einen wichtigen Hinweis darauf geben, dass etwas nicht stimmt.“

Der Stoffwechsel von Krebs

Im Mittelpunkt der Studie steht ein Konzept, das Krebsforscher seit Jahren fasziniert: der Stoffwechsel.

Unter normalen Bedingungen erzeugen die Zellen von Organismen wie Hefen und Tieren Energie durch einen Prozess namens Atmung, bei dem sie Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid freisetzen. Aber das ist nicht die einzige Möglichkeit, einen Zuckerrausch zu erreichen. Beispielsweise können Kolonien von Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae) Energie durch Fermentation erzeugen, bei der Organismen Zucker ohne Hilfe von Sauerstoff abbauen und Alkohol produzieren. Es ist derselbe Prozess, der zu Bier führt.

„Wenn ein Sportler beim Menschen seine aerobe Grenze überschreitet, beginnen auch seine Muskeln zu gären, wodurch kein Sauerstoff verbraucht wird“, sagte Kopf. „Das gibt einem einen schnellen Energieschub.“

Wie sich herausstellt, fördern viele Krebszellen ihr Wachstum auch durch eine ähnliche Strategie, schnell reich zu werden.

Wissenschaftler suchen seit langem nach weiteren Möglichkeiten, diese Stoffwechselveränderungen in Krebszellen zu verfolgen. Maloney, die die neue Studie als Harry Hess Postdoctoral Fellow in Princeton leitete, und ihr Berater Xinning Zhang entwickelten eine Idee: Wasserstoff verfolgen.

In der Zelle

Heute leitet Maloney das Earth Systems Stable Isotope Lab der CU Boulder, eine von mehr als 20 Kerneinrichtungen auf dem Campus. Als Doktorandin erforschte sie Wasserstoffatome in Algen tropischer Inseln. Ihre aktuelle Arbeit wurde von einer ungewöhnlichen Quelle inspiriert: ihrem Vater, einem Dermatologen.

„Er entfernt ständig Hautkrebszellen von Menschen“, sagte Maloney. „Ich habe mich gefragt, wie sich der Stoffwechsel dieser Zellen von dem der neben ihnen wachsenden Zellen unterscheiden könnte.“

Um diese Frage zu verstehen, ist es hilfreich zu wissen, wie Wasserstoff überhaupt in Zellen gelangt. In einigen Fällen stammen diese Atome von einem schwer auszusprechenden, aber äußerst wichtigen Enzym namens Nicotinamidadenindinukleotidphosphat (NADPH). Neben seinen vielen Aufgaben in Zellen sammelt NADPH Wasserstoffatome und gibt sie dann an andere Moleküle weiter, um Fettsäuren herzustellen, einen wichtigen Baustein für das Leben.

NADPH stammt jedoch nicht immer aus demselben Wasserstoffpool. Vorherige Forschung unter der Leitung von Zhang und die Konzentration auf Bakterien deutete darauf hin, dass NADPH je nachdem, was andere Enzyme in einer Zelle tun, manchmal mehr oder weniger oft unterschiedliche Wasserstoffisotope verwendet.

Was die Frage aufwirft: Wenn Krebs den Stoffwechsel einer Zelle neu verdrahtet, könnte er dann auch die Art und Weise verändern, wie NADPH seinen Wasserstoff erhält, und letztendlich den atomaren Aufbau einer Zelle verändern?

Fenster in den Krebs

Um das herauszufinden, stellten die Forscher in Laboren in Princeton und CU Boulder Gläser auf, die mit blühenden Hefekolonien gefüllt waren. Unabhängig davon führten Biologen in Princeton ein Experiment mit Kolonien gesunder und krebsartiger Mäuseleberzellen durch. Anschließend extrahierten die Forscher die Fettsäuren aus den Zellen und identifizierten mithilfe einer Maschine namens Massenspektrometer das Verhältnis der Wasserstoffatome darin.

„Als wir mit der Studie begannen, dachte ich: ‚Ooh, wir haben die Chance, etwas Cooles zu sehen‘“, sagte Maloney. „Am Ende hat es ein riesiges Signal erzeugt, das ich nicht erwartet hatte.“

Fermentierende Hefezellen, die Krebs ähneln, enthielten im Durchschnitt etwa 50 % weniger Deuteriumatome als normale Hefezellen, eine verblüffende Veränderung. Krebszellen wiesen einen ähnlichen, aber nicht ganz so starken Mangel an Deuterium auf.

Zhang, die leitende Autorin der Studie und Assistenzprofessorin für Geowissenschaften in Princeton, verlor ihren eigenen Vater durch Krebs. Sie hofft, dass die Ergebnisse eines Tages Familien wie ihrer helfen könnten.

„Krebs und andere Krankheiten sind leider ein großes Thema im Leben vieler Menschen. Ashleys Daten zu sehen war ein besonderer, tiefgreifender Moment“, sagte Zhang. „Das bedeutete, dass ein Tool zur Verfolgung der Gesundheit des Planeten auch zur Verfolgung von Gesundheit und Krankheit in Lebensformen eingesetzt werden könnte, hoffentlich eines Tages auch bei Menschen. Da ich in einer krebskranken Familie aufgewachsen bin, hoffe ich, dass dieser Bereich erweitert wird.“