Geólogos y biólogos descubren las huellas atómicas del cáncer
Científicos emplean por primera vez una herramienta de uso frecuente en geología para detectar las huellas atómicas del cáncer.
Por Daniel Strain
Imagen conceptual de células tumorales generada con Copilot.
En un caso de encuentro entre la medicina y las ciencias de la Tierra, los investigadores han descubierto que las células cancerosas pueden estar formadas por una variedad de átomos de hidrógeno distinta de las células que componen un tejido sano.
El hallazgo podría proporcionar a los médicos nuevas estrategias para estudiar cómo crece y se propaga el cáncer, e incluso, algún día, podría conducir a nuevas formas de detectar esta enfermedad en una fase temprana en el organismo.
El equipo, dirigido por la geoquímica Ashley Maloney de la Universidad de Colorado en Boulder (Estados Unidos) ha publicado el hallazgo en el Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
El avance ofrece la oportunidad de observar el cáncer a nivel atómico.
"Este estudio añade una capa completamente nueva a la medicina, ya que nos ofrece la oportunidad de observar el cáncer a nivel atómico", dice Maloney, investigador asociado del Departamento de Ciencias Geológicas.
En la naturaleza, el hidrógeno se presenta en dos sabores principales o isótopos, según Maloney. Algunos átomos de hidrógeno, llamados deuterio (2H), son un poco más pesados, mientras que otros, normalmente conocidos simplemente como hidrógeno o protio (1H), 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 1. Existe un tercer sabor del hidógeno llamado tritio (3H), que se produce naturalmente en la atmósfera terrestre en pequeñas cantidades debido a la interacción de la radiación cósmica con el aire.
Durante 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 cómo de cálida o fría era la Tierra hace cientos de miles de años.
En el nuevo estudio, Maloney y sus colegas se preguntaron lo siguiente: ¿Podrían esos mismos átomos diminutos proporcionar pistas sobre la vida de organismos biológicos complejos?
Isótopos del hidrógeno y crecimiento celular.
Para averiguarlo, el equipo cultivó levaduras y células de hígado de ratón en el laboratorio y analizó sus átomos de hidrógeno. El equipo descubrió que las células que crecen muy rápido, como las cancerosas, contienen una proporción muy diferente de átomos de hidrógeno que de deuterio. Es como si el cáncer dejara una huella dactilar en el pomo de la puerta de la escena del crimen.
La investigación se encuentra aún en sus primeras fases, y el equipo no está seguro de cómo podría aparecer esta señal o no en los cuerpos de pacientes reales con cáncer. Pero el potencial del hallazgo podría ser grande, afirma Sebastian Kopf, coautor del estudio y profesor adjunto de Ciencias Geológicas.
“Las posibilidades de sobrevivir son mucho mayores si se detecta el cáncer en una fase precoz— advierte Kopf. Y añade—: Si esta señal isotópica es lo suficientemente fuerte como para poder detectarla a través de algo como un análisis de sangre, eso podría darte una pista importante de que algo no va bien”.
Células de levadura Saccharomyces cerevisiae.
El estudio se centra en un concepto que lleva años intrigando a los investigadores del cáncer: el metabolismo.
En condiciones normales, las células de organismos como las levaduras y los mamíferos generan energía mediante un proceso llamado respiración, en el que toman oxígeno y liberan dióxido de carbono.
Pero esa no es la única forma de conseguir un subidón de azúcar. Las colonias de levadura de cerveza (Saccharomyces cerevisiae), por ejemplo, pueden producir energía mediante la fermentación, en la que los organismos descomponen los azúcares sin ayuda de oxígeno y producen alcohol. Es el mismo proceso que da lugar a la cerveza.
“En los humanos, si un deportista supera su límite aeróbico, sus músculos también empiezan a fermentar, lo que no utiliza oxígeno— explica Kopf. Y añade—: Eso te da un rápido impulso de energía”.
Dentro de la célula.
Resulta que muchas células cancerosas también alimentan su crecimiento mediante una estrategia similar de enriquecimiento rápido.
Los científicos han buscado durante mucho tiempo más formas de rastrear estos cambios metabólicos en las células cancerosas. Maloney y su asesora Xinning Zhang desarrollaron una idea original: rastrear el hidrógeno.
En la aqctualidad, Maloney dirige el Laboratorio de Isótopos Estables de Sistemas Terrestres de CU Boulder. Como estudiante de posgrado, exploró átomos de hidrógeno en algas de determinadas islas tropicales. Su trabajo actual fue inspirado por una fuente improbable: su padre, un dermatólogo.
"Él se dedica a quitar células de cáncer de piel a sus pacientes— dice Maloney. Y añade—: Me pregunté cómo sería de diferente el metabolismo de esas células malignas en comparación con las células sanas que crecen junto a ellas."
Cultivos de levadura prosperan en condiciones controladas en un laboratorio de la Universidad de Princeton. Crédito: Ashley Maloney
Para entender esta cuestión, conviene saber cómo llega el hidrógeno a las células. En algunos casos, esos átomos proceden de una enzima difícil de pronunciar, pero de vital importancia, conocida como nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (abreviada NADP+ en su forma oxidada y NADPH+H+ en su forma reducida). Entre las muchas funciones que desempeña en las células, la NADPH recoge átomos de hidrógeno y los transfiere a otras moléculas en el proceso de fabricación de ácidos grasos, un importante componente básico para la vida.
Sin embargo, la NADP+ no siempre se abastece de la misma reserva de hidrógeno. Investigaciones anteriores dirigidas por Zhang y centradas en bacterias sugirieron que, dependiendo de lo que estén haciendo otras enzimas en una célula, la NADP+ puede utilizar a veces diferentes isótopos de hidrógeno con mayor o menor frecuencia.
Lo que planteó la siguiente pregunta: Si el cáncer modifica el metabolismo de una célula, ¿podría alterar también la forma en que la NADP+ obtiene su hidrógeno, alterando en última instancia la composición atómica de una célula?
Una ventana al cáncer.
Para empezar a averiguarlo, los investigadores instalaron frascos llenos de colonias prósperas de levadura en laboratorios de la Universidad de Princeton y la Universidad de Colorado en Boulder. Por otra parte, biólogos de Princeton realizaron un experimento con colonias de células hepáticas de ratón sanas y cancerosas. A continuación, los investigadores extrajeron los ácidos grasos de las células y utilizaron una máquina llamada espectrómetro de masas para identificar la proporción de átomos de hidrógeno en su interior.
“Cuando empezamos el estudio, pensé: 'Oh, tenemos la oportunidad de ver algo guay’— dice Maloney. Y continúa—: Acabó creando una señal enorme, algo que no esperaba”.
Las células de levadura fermentante, las que se asemejan al cáncer, contenían aproximadamente un 50% menos de átomos de deuterio de media que las células de levadura normales, un cambio sorprendente. Las células cancerosas mostraban una escasez de deuterio similar, pero no tan acusada.
Zhang, autor principal del estudio y profesor adjunto de Geociencias en la Universidad de Princeton, confía en que la investigación pueda ayudar algún día a familias de todo el mundo.
“El cáncer, y otras enfermedade, son por desgracia un gran tema en la vida de muchas personas. Ver los datos de Ashley fue un momento especial y profundo— confiesa Zhang. Y concluye—: Significó que una herramienta utilizada para rastrear la salud planetaria también podría aplicarse para rastrear la salud y la enfermedad en las formas de vida, con suerte algún día en los seres humanos. Como crecí en una familia con problemas de cáncer, espero ver cómo evoluciona este campo de investigación”.
Información facilitada por la Universidad de Colorado en Boulder Adaptación: Enrique Coperías / Rexmolón Producciones
Fuente: Ashley E. Maloney, Sebastian H. Kopf, Zhaoyue Zhang, and Xinning Zhang. Large enrichments in fatty acid 2H/1H ratios distinguish respiration from aerobic fermentation in yeast Saccharomyces cerevisiae. PNAS (2024). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2310771121
