Dans un cas où la médecine rencontre les sciences de la Terre, les chercheurs ont découvert que les cellules cancéreuses peuvent être constituées d’un assortiment d’atomes d’hydrogène différent de celui des tissus sains. Ces résultats pourraient donner aux médecins de nouvelles stratégies pour étudier la façon dont le cancer se développe et se propage, et pourraient même, un jour, conduire à de nouvelles façons de détecter le cancer à un stade précoce dans le corps.

L'équipe, dirigée par Ashley Maloney, géochimiste de CU Boulder, a publié les résultats dans les Actes de l'Académie nationale des sciences. .

"Cette étude ajoute une toute nouvelle couche à la médecine, nous donnant la possibilité d'examiner le cancer au niveau atomique", a déclaré Maloney, associé de recherche au Département des sciences géologiques.

Elle a expliqué que dans la nature, l’hydrogène se présente sous deux saveurs principales, ou isotopes. Certains atomes d’hydrogène, appelés deutérium, sont un peu plus lourds, tandis que d’autres, généralement appelés hydrogène, sont un peu plus légers. Sur Terre, les atomes d'hydrogène sont plus nombreux que les atomes de deutérium dans un rapport d'environ 6 420 pour un.

Pendant des décennies, des scientifiques de nombreux domaines se sont tournés vers la répartition naturelle de ces atomes pour révéler des indices sur l’histoire de notre planète. Les climatologues, par exemple, examinent les atomes d'hydrogène piégés dans la glace de l'Antarctique pour déduire à quel point la Terre était chaude ou froide il y a des centaines de milliers d'années.

Dans la nouvelle étude, Maloney et ses collègues se sont demandé :ces mêmes minuscules atomes pourraient-ils fournir des indices sur la vie d'organismes biologiques complexes ?

Pour le savoir, l’équipe a cultivé des cultures de cellules hépatiques de levure et de souris en laboratoire, puis a analysé leurs atomes d’hydrogène. L’équipe a découvert que les cellules qui se développent très rapidement, comme les cellules cancéreuses, contiennent un rapport très différent d’atomes d’hydrogène par rapport aux atomes de deutérium. Pensez-y comme au cancer qui laisse une empreinte digitale sur la poignée de porte d'une scène de crime.

La recherche en est encore à ses débuts et l’équipe ne sait pas exactement comment ce signal pourrait apparaître ou non dans le corps de vrais patients atteints de cancer. Mais le potentiel pourrait être énorme, a déclaré Sebastian Kopf, co-auteur de l'étude et professeur adjoint en sciences géologiques.

"Vos chances de survie sont bien plus élevées si vous contractez un cancer à un stade précoce", a déclaré Kopf. "Si ce signal isotopique est suffisamment fort pour que vous puissiez le détecter via quelque chose comme une analyse de sang, cela pourrait vous donner une indication importante que quelque chose ne va pas."

Le métabolisme du cancer

L'étude s'articule autour d'un concept qui intrigue les chercheurs en cancérologie depuis des années :le métabolisme.

Dans des conditions normales, les cellules d’organismes comme la levure et les animaux génèrent de l’énergie grâce à un processus appelé respiration, au cours duquel elles absorbent de l’oxygène et libèrent du dioxyde de carbone. Mais ce n’est pas le seul moyen d’obtenir un niveau élevé de sucre. Les colonies de levure de boulangerie (Saccharomyces cerevisiae), par exemple, peuvent produire de l'énergie via la fermentation, au cours de laquelle les organismes décomposent les sucres sans l'aide de l'oxygène et produisent de l'alcool. C'est le même processus qui vous donne de la bière.

"Chez les humains, si un athlète dépasse sa limite aérobie, ses muscles commenceront également à fermenter, ce qui n'utilise pas d'oxygène", a déclaré Kopf. "Cela vous donne un regain d'énergie rapide."

Il s'avère que de nombreuses cellules cancéreuses alimentent également leur croissance grâce à une stratégie similaire pour devenir riche rapidement.

Les scientifiques recherchent depuis longtemps d’autres moyens de suivre ces changements métaboliques dans les cellules cancéreuses. Maloney, qui a dirigé la nouvelle étude en tant que boursière postdoctorale Harry Hess à Princeton, et son conseiller Xinning Zhang ont développé une idée :suivre l'hydrogène.

À l'intérieur de la cellule

Aujourd'hui, Maloney gère le laboratoire d'isotopes stables des systèmes terrestres de CU Boulder, l'un des plus de 20 installations principales du campus. En tant qu'étudiante diplômée, elle a exploré les atomes d'hydrogène présents dans les algues des îles tropicales. Son travail actuel a été inspiré par une source improbable :son père, dermatologue.

"Il enlève constamment les cellules cancéreuses de la peau", a déclaré Maloney. "Je me demandais en quoi le métabolisme de ces cellules pouvait être différent de celui des cellules qui poussaient à côté d'elles."

Pour comprendre cette question, il est utile de savoir comment l’hydrogène se retrouve dans les cellules. Dans certains cas, ces atomes proviennent d’une enzyme difficile à prononcer, mais d’une importance cruciale, connue sous le nom de nicotinamide adénine dinucléotide phosphate (NADPH). Parmi ses nombreux rôles dans les cellules, le NADPH collecte les atomes d'hydrogène puis les transmet à d'autres molécules dans le processus de fabrication des acides gras, un élément constitutif important de la vie.

Le NADPH, cependant, ne puise pas toujours dans le même pool d’hydrogène. Des recherches antérieures menées par Zhang et portant sur les bactéries suggéraient que, en fonction de ce que font les autres enzymes d'une cellule, le NADPH peut parfois utiliser différents isotopes d'hydrogène plus ou moins souvent.

Ce qui soulève la question :si le cancer recâble le métabolisme d'une cellule, pourrait-il également modifier la façon dont le NADPH obtient son hydrogène, modifiant ainsi la composition atomique d'une cellule ?

Fenêtre sur le cancer

Pour commencer à le découvrir, les chercheurs ont installé des bocaux remplis de colonies florissantes de levure dans les laboratoires de Princeton et de CU Boulder. Par ailleurs, des biologistes de Princeton ont mené une expérience avec des colonies de cellules hépatiques de souris saines et cancéreuses. Les chercheurs ont ensuite extrait les acides gras des cellules et ont utilisé une machine appelée spectromètre de masse pour identifier le rapport des atomes d'hydrogène à l'intérieur.

"Quand nous avons commencé l'étude, je me suis dit :'Ooh, nous avons une chance de voir quelque chose de cool'", a déclaré Maloney. "Cela a fini par créer un signal énorme, auquel je ne m'attendais pas."

Les cellules de levure en fermentation, du type qui ressemble au cancer, contenaient en moyenne environ 50 % d’atomes de deutérium en moins que les cellules de levure normales, un changement surprenant. Les cellules cancéreuses présentaient une pénurie similaire, mais pas aussi forte, en deutérium.

Zhang, auteur principal de l'étude et professeur adjoint de géosciences à Princeton, a perdu son propre père à cause d'un cancer. Elle espère que les résultats pourront un jour aider des familles comme la sienne.

"Le cancer et d'autres maladies sont malheureusement un thème majeur dans la vie de nombreuses personnes. Voir les données d'Ashley a été un moment spécial et profond", a déclaré Zhang. "Cela signifiait qu'un outil utilisé pour suivre la santé planétaire pourrait également être appliqué pour suivre la santé et les maladies des formes de vie, un jour, espérons-le, chez les humains. Ayant grandi dans une famille confrontée au cancer, j'espère voir ce domaine se développer."