Innovation en géosciences pour décoder l’ADN du cancer
Un partenariat de recherche entre des scientifiques des universités du Colorado Boulder et de Princeton aux États-Unis a réussi, pour la première fois, à utiliser une technique souvent employée en sciences de la Terre pour déceler les empreintes atomiques du cancer.
Pendant des décennies, les scientifiques de divers domaines ont étudié la répartition naturelle des atomes d’hydrogène pour obtenir des indices sur l’histoire de notre planète. Par exemple, les climatologues examinent les atomes d’hydrogène emprisonnés dans les glaces de l’Antarctique afin de déterminer les variations de température terrestre sur des centaines de milliers d’années.
Dans une [étude](https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310771121) récemment publiée dans la revue « Proceedings of the National Academy of Sciences », deux chercheuses en géosciences, dont l’une observait le travail de son père dermatologue, et l’autre ayant perdu son père à cause du cancer, se sont posé une question cruciale : ces petits atomes d’hydrogène pourraient-ils révéler des indices sur les cellules cancéreuses ?
L’hydrogène dans la nature existe sous deux principales formes isotopiques. L’une est connue sous le nom de « deutérium », un peu plus lourd, tandis que l’autre, appelé communément « hydrogène », est légèrement plus léger, avec un ratio d’environ 6420 atomes d’hydrogène pour un atome de deutérium.
Pour identifier les isotopes caractéristiques des cellules cancéreuses, l’équipe de recherche a cultivé des cellules de levure et des cellules de foie de souris en laboratoire, puis a analysé leurs atomes d’hydrogène. Ils ont constaté que les cellules à croissance rapide, comme les cellules de levure, contiennent des proportions d’atomes d’hydrogène versus deutérium très différentes, les incitant à supposer qu’ils trouveraient la même empreinte atomique dans les cellules cancéreuses rapidement en croissance.
La levure utilisée dans l’étude pousse dans des conditions contrôlées au laboratoire de l’Université de Princeton (équipe de recherche)
De l’hypothèse à la mise à l’épreuve
Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont analysé les atomes d’hydrogène dans des cellules saines et cancéreuses en utilisant une technique de géosciences appelée « spectrométrie de masse » pour identifier et mesurer les proportions isotopiques dans les cellules.
Ils ont comparé les proportions isotopiques d’hydrogène entre les deux types de cellules et ont examiné les différences entre les cellules à croissance rapide (comme les cellules cancéreuses) et les cellules normales.
Les chercheurs ont observé des différences significatives dans les proportions isotopiques d’hydrogène entre les divers types de cellules. Les cellules cancéreuses à croissance rapide présentaient une composition spécifique par rapport aux cellules saines.
L’empreinte hydrogénique distinctive des cellules cancéreuses était marquée par un nombre inférieur d’atomes de deutérium par rapport aux cellules normales. En moyenne, les cellules cancéreuses et les cellules de levure à croissance rapide contenaient environ 50 % moins de deutérium par rapport aux cellules saines.
Les chercheurs ont déterminé que cette proportion réduite de deutérium dans les cellules cancéreuses représentait une différence notable dans la composition isotopique de l’hydrogène.
Cellules de levure sous microscope (Creative Commons)
Une expérience personnelle à l’origine de cette découverte
Fait intrigant, cette découverte des empreintes hydrogéniques des cellules cancéreuses est le produit d’une expérience personnelle pour la professeure en géosciences de l’Université du Colorado Boulder et chercheuse principale de l’étude, Ashley Maloney, dont le père est dermatologue.
Maloney explique dans un [communiqué](https://www.colorado.edu/today/2024/05/06/geologists-biologists-unearth-atomic-fingerprints-cancer) de presse publié par l’Université du Colorado Boulder: « Mon père retirait constamment des cellules cancéreuses de la peau des gens, et je me demandais : en quoi le métabolisme de ces cellules peut-il être différent de celui des cellules voisines non cancéreuses? ».
Pour répondre à cette question, il était utile de comprendre comment l’hydrogène est intégré dans les cellules. Maloney explique : « Dans certains cas, les atomes d’hydrogène proviennent d’une enzyme connue sous le nom de phosphate nicotinamide adénine dinucléotide, qui est cruciale. Cette enzyme rassemble des atomes d’hydrogène et les transmet à d’autres molécules pour la production des acides gras, éléments essentiels de la vie ».
Elle poursuit : « Cependant, cette enzyme n’utilise pas toujours les mêmes atomes d’hydrogène. Des recherches antérieures sur les bactéries ont indiqué que, selon les actions des autres enzymes dans la cellule, l’enzyme pourrait utiliser des isotopes d’hydrogène différents ».
La question suivante était : si le cancer modifie le métabolisme cellulaire, peut-il également changer la manière dont l’enzyme obtient l’hydrogène, et ainsi modifier la composition atomique de la cellule ?
Pour découvrir cela, des réservoirs remplis de colonies de levure ont été préparés dans les laboratoires de l’Université de Princeton et de celle du Colorado Boulder. Parallèlement, des expériences ont été réalisées sur des colonies de cellules de foie de souris saines et cancéreuses. Les chercheurs ont extrait les acides gras des cellules et utilisé un spectromètre de masse pour identifier la proportion d’atomes d’hydrogène en leur sein.
« Nous avons découvert que les cellules de levure fermentée, similaires aux cellules cancéreuses, contenaient environ 50% moins de deutérium par rapport aux cellules de levure normales, un changement frappant. Les cellules cancéreuses ont montré une réduction similaire, mais moins prononcée, de deutérium », ajoute Maloney.
Les médecins dévoués à transformer la découverte des empreintes atomiques du cancer en applications cliniques (Shutterstock)
Une avancée majeure vers la détection précoce
Shining Zhang, professeure au département de géosciences de l’Université de Princeton et co-chercheuse de l’étude, espère que cette découverte aidera à la détection précoce et au traitement du cancer. Zhang, dont le père est décédé des suites d’un cancer, espère que les résultats seront utiles à des familles comme la sienne.
« Le cancer et d’autres maladies représentent malheureusement un grand sujet de préoccupation pour beaucoup de gens. Il est excitant de voir qu’un outil utilisé pour surveiller la santé de la Terre peut aussi être appliqué à la surveillance de la santé et des maladies des formes de vie. Nous espérons que cela pourra un jour être utilisé chez l’humain », déclare Zhang dans le communiqué de presse de l’université.
M. Mahmoud Kandil, consultant en oncologie au ministère de la Santé égyptien, se réjouit également des résultats de cette étude. Dans une interview téléphonique avec Al Jazeera, il souligne que « comprendre les différences métaboliques entre les cellules cancéreuses et saines au niveau atomique ouvre de nouvelles possibilités pour la détection et le traitement du cancer ».
« En identifiant l’empreinte unique dans la composition atomique des cellules cancéreuses, les chercheurs pourraient développer des outils diagnostiques capables de détecter le cancer à un stade précoce, avant que les méthodes conventionnelles ne puissent le faire. Cette détection précoce pourrait conduire à des options de traitement plus efficaces et des taux de survie plus élevés pour les patients atteints de cancer », ajoute-t-il.
Pour réaliser ces bénéfices, Kandil estime que la prochaine mission incombera principalement aux médecins plutôt qu’aux scientifiques de la Terre. Il sera crucial de travailler sur des études ultérieures pour déterminer comment réaliser des tests pouvant détecter l’empreinte hydrogénique des cellules cancéreuses, et explorer la faisabilité et l’exactitude de cette détection dans les échantillons cliniques collectés chez les patients cancéreux.
Il faut aussi que les études suivantes répondent à des questions sur les effets à long terme du ciblage du métabolisme des cellules cancéreuses en se basant sur l’empreinte hydrogénique. Elles devront évaluer la sécurité et l’efficacité des traitements basés sur le métabolisme dans des modèles précliniques et des essais cliniques.