微钙化指纹可以产生有关癌症的信息

一项为期10年的跨学科合作使用材料科学方法来“指纹”钙矿物质沉积物，称为微钙化，揭示乳腺癌和潜在其他疾病进展的病理线索。

该小组的论文“乳房微钙化的生物矿物学特征”于22月21日发表在《科学进展》上。主要作者是博士后研究员Jennie Kunitake，Ph.D. ' <>。

健康的矿物质沉积是一个精心策划的过程，如骨骼和牙齿的形成所见。然而，有时矿物质沉积物会在它们不属于的地方形成，例如肾脏(即肾结石)和乳房组织。在乳腺癌的背景下，微钙化是一种关键的筛查工具，因为它们在乳房X光检查中显示为鲜艳的白色斑点，并且在某些情况下表明存在乳腺癌。

“通常在最初的乳房X光检查之后，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光检查的分辨率，在微观和化学水平上，并从这些微钙化中获得更多信息，“共同资深作者，康奈尔工程材料科学与工程教授Lara Estroff说。“通过从材料科学中采用成熟的高分辨率表征技术，并将这些技术与生物矿化以及生物体如何控制矿物沉积的理解相结合，我们对可能对疾病具有重要意义的病理矿物获得了独特的见解。

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，她开始与斯坦利·布赖尔(Stanley Bryer 1946年生物医学工程教授)克劳迪娅·菲施巴赫(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，其中骨样矿物质出现在原发性肿瘤部位，从那里开始，合作者对这些微钙化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，反过来会影响矿物的组成、形态和机械性能。

“矿物与生物学有不同的规则，”Kunitake说。“乳腺癌中形成的矿物质可能捕获反映其形成环境的化学信息，并且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，但材料科学家尚未探索这种现象。

“生物矿化是一个相当小众的领域，涉及材料科学、地质学、生物学等的贡献。这是非常多学科的，“埃斯特罗夫说。“肿瘤学家绝对没有理由关注这些正在出现的微小晶体的材料特性。我认为这真的需要一个知道矿物可以提供什么的人来做到这一点。我们说，我们能不能把我们从研究生理生物矿物质中学到的一切，应用到这些病理矿物上?”

Fischbach将Estroff和Kunitake与Memorial Sloan Kettering癌症中心的研究人员联系起来，后者提供了来自40名乳腺癌患者的含有微钙化的组织样本。

然后，Kunitake开始了长达数年的艰苦过程，试图准确理解他们在看什么。她求助于当时在卡尤加医疗中心的丹尼尔·苏迪洛夫斯基博士，他帮助表征了他们发现的每种微钙化的病理学。

接下来，研究人员没有像其他研究那样研磨和均质化组织样本，而是试图获得矿物和有机基质化学的高分辨率三维图，这样它们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，他是该论文的共同资深作者，他使用了一种称为拉曼显微镜的振动光谱技术，该技术可以检测生物分子有机和无机化学的独特振动特征，并绘制这些特征发生的位置。

然后，Kunitake开始使用受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。

“当你有很多数据时，查看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行为。使用分层聚类，我们可以将数据视为热图，这让我们了解我们测量的不同参数如何相互关联，以及不同的钙化如何根据指纹进行分组。

研究人员的主要发现包括：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;矿物碳酸盐在肿瘤内表现出大量的多样性;微量金属(包括锌、铁和铝)在恶性局部钙化中增强;在预后不良的患者中，微钙化中脂质与蛋白质的比例较低。

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它，但研究结果表明与疾病严重程度有关。研究人员希望这些发现也可以阐明其他类型癌症的钙化，如甲状腺癌和卵巢癌。

该团队现在计划研究更大范围的疾病特征，并将他们的方法应用于其他病理性矿化疾病，例如钙化性主动脉瓣疾病，其中矿物质在心脏瓣膜中形成，或者正如Estroff所说，“矿物质就是疾病。

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