乳腺癌也有“指纹”

　　一项历时10年的跨学科合作利用材料科学方法对被称为微钙化的钙矿物质沉积物“指纹”，揭示了乳腺癌和其他潜在疾病进展的病理线索。

　　

一项历时10年的跨学科合作，利用材料科学方法对被称为微钙化的钙矿物质沉积物进行“指纹识别”，揭示了乳腺癌和其他潜在疾病进展的病理线索。

该小组的论文发表在2月22日的《Science Advances》上。第一作者是博士后研究员Jennie Kunitake博士。

健康的矿物质沉积是一个精心安排的过程，如骨骼和牙齿的形成。然而，有时矿物质沉积会在它们不属于的地方形成，比如肾脏——也就是肾结石——和乳房组织。在乳腺癌的背景下，微钙化是一个重要的筛查工具，因为它们在乳房x线照片中表现为生动的白色斑点，在某些情况下，表明乳腺癌的存在。

“通常在初次乳房X光检查后，微钙化在很大程度上被忽略了。我们所说的是，我们可以超越乳房X光片的分辨率，在微观和化学层面上，从这些微钙化物中获得更多信息，”康奈尔工程学院材料科学与工程教授、联合资深作者Lara Estroff说。“通过从材料科学中采用成熟的、高分辨率的表征技术，并将这些技术与生物矿化以及生物如何控制矿物沉积的认识相结合，我们对一种可能对疾病有重要影响的病理矿物有了独特的见解。”

Estroff的小组专门研究生物矿化，即生物有机体如何控制其组织中晶体的生长。十多年前，她开始与Stanley Bryer 1946生物医学工程教授、该论文的共同高级作者Claudia Fischbach合作，探索乳腺癌向骨骼的转移扩散。这导致了对一种“奇怪”现象的探索，即骨样矿物出现在原发肿瘤部位，从那里，合作者开始对这些微钙化物如何捕获它们形成的组织微环境元素感兴趣，几乎就像快照一样。微环境，也称为有机基质，可以反过来影响矿物的组成、形貌和力学性能。

“矿物有不同于生物学的规律，”Kunitake说。“在乳腺癌中形成的矿物质可能会捕获反映其形成环境的化学信息，这可能具有临床价值和相关性。”

虽然一些癌症生物学家已经研究了微钙化，但材料科学家还没有探索过这种现象。

“生物矿化是一个相当小众的领域，涉及到材料科学、地质学、生物学等方面的贡献。这是非常多学科的。肿瘤学家绝对没有理由关注这些微小晶体的材料特性。我认为这真的需要一个知道这种矿物可以提供什么的人来做这件事。我们说，我们能把我们从研究生理生物矿物中所知道的一切，现在应用到这些病理矿物上吗?”

纪念斯隆凯特琳癌症中心的研究人员提供了40名乳腺癌患者的含有微钙化的组织样本。

Kunitake随后开始了艰苦的、长达数年的过程，试图弄清楚他们到底在看什么。她求助于当时在卡尤加医疗中心(Cayuga Medical Center)的Daniel Sudilovsky医生，后者帮助描述了他们发现的每种微钙化的病理特征。

接下来，研究人员并没有像其他研究那样将组织样本磨碎并均质化，而是寻求获得矿物和有机基质化学成分的高分辨率三维地图，这样就不会改变组织结构。因此，他们与麻省理工学院的Admir Masic合作，Masic是这篇论文的共同高级作者，他使用了一种称为拉曼显微镜的振动光谱技术，可以检测生物分子有机和无机化学的不同振动特征，并绘制出这些特征发生的位置。

Kunitake随后开始使用受到生物化学和遗传学组学研究启发的技术来整合和解析所有数据。

“当你拥有大量数据时，观察数据的一种方法是使用组学社区的策略，”Kunitake说。“它不必是定量的，只是为了可视化数据的表现。使用分层聚类，我们可以将我们的数据视为热图，这让我们了解了我们测量的不同参数是如何相互关联的，以及不同的钙化是如何根据它们的指纹分组的。”

在研究人员的主要发现中:癌症相关的微钙化聚集成反映组织类型和局部恶性肿瘤的生理相关组;碳酸盐矿物在肿瘤内部表现出大量的变化;微量金属——包括锌、铁和铝——在恶性局部钙化中增强;预后差的患者微钙化内脂蛋白比较低。虽然研究人员不确定微钙化是在癌症发展之前形成的，还是因为癌症而形成的，但研究结果表明，这与疾病的严重程度有关。研究人员希望这一发现也能揭示其他类型癌症的钙化现象，如甲状腺癌和卵巢癌。该团队现在计划研究更广泛的疾病特征，并将他们的方法应用于其他病病性矿化疾病，如钙化主动脉瓣疾病，其中矿物质在心脏瓣膜中形成，或如埃斯特罗夫所说，“矿物质就是疾病。”

这项研究得到了人类前沿科学计划和国家癌症研究所癌症代谢物理中心的支持。