Una colaboración interdisciplinaria de 10 años en desarrollo utilizó un enfoque de ciencia de materiales para « huellas digitales » de los depósitos minerales de calcio conocidos como microcalcificaciones que revelan pistas patológicas sobre la progresión del cáncer de mama y potencialmente otras enfermedades.

El artículo del grupo, « Firmas biomineralógicas de las microcalcificaciones mamarias », se publicó el 22 de febrero en Science Advances. La autora principal es la investigadora posdoctoral Jennie Kunitake, Ph.D. ’21.

La deposición mineral saludable es un proceso delicadamente orquestado, como se ve en la formación de huesos y dientes. A veces, sin embargo, se forman depósitos minerales en lugares a los que no pertenecen, como los riñones (es decir, cálculos renales) y el tejido mamario. En el contexto del cáncer de mama, las microcalcificaciones son una herramienta de detección crítica porque aparecen como manchas blancas vívidas en las mamografías y, en ciertos casos, indican la presencia de cáncer de mama.

« Por lo general, después de la mamografía inicial, las microcalcificaciones se ignoran en gran medida. Y lo que estamos diciendo es que podemos mirar más allá de la resolución de la mamografía, a nivel microscópico y químico, y obtener más información de estas microcalcificaciones », dijo el coautor principal. Lara Estroff, profesora de ciencia e ingeniería de materiales en Cornell Engineering. « Al tomar técnicas de caracterización de alta resolución bien establecidas de la ciencia de los materiales y combinarlas con una apreciación de la biomineralización y cómo los organismos pueden controlar la deposición de minerales, hemos obtenido una visión única de un mineral patológico que puede tener implicaciones importantes para enfermedad. »

El grupo de Estroff se especializa en biomineralización, es decir, cómo los organismos biológicos controlan el crecimiento de cristales en sus tejidos. Hace más de una década, comenzó a colaborar con Claudia Fischbach, profesora de ingeniería biomédica de Stanley Bryer en 1946 y coautora principal del artículo, para explorar la propagación metastásica del cáncer de mama a los huesos. Esto condujo a una exploración de un fenómeno « extraño » en el que aparecía un mineral similar al hueso en los sitios de los tumores primarios y, a partir de ahí, los colaboradores se interesaron en las formas en que estas microcalcificaciones pueden capturar elementos del microambiente tisular donde se forman, casi como una instantánea.. El microambiente, también conocido como matriz orgánica, puede a su vez influir en la composición, morfologías y propiedades mecánicas del mineral.

« Los minerales tienen reglas diferentes a las de la biología », dijo Kunitake. « Los minerales que se forman en el cáncer de mama podrían estar atrapando información química que refleja su entorno de formación, y eso podría tener un valor y una relevancia clínica ».

Si bien algunos biólogos del cáncer han estudiado las microcalcificaciones, los científicos de materiales no han explorado el fenómeno.

« La biomineralización es un área bastante específica que involucra contribuciones de la ciencia de los materiales, la geología, la biología y más. Es muy multidisciplinaria », dijo Estroff. « No hay absolutamente ninguna razón por la que los oncólogos presten atención a las propiedades de los materiales de estos diminutos cristales que están apareciendo. Creo que realmente se necesitó a alguien que tuviera una idea de lo que el mineral podría ofrecer para hacer esto. Dijimos, ¿podemos tomar todo lo que sabemos del estudio de biominerales fisiológicos, y aplicarlo ahora a estos minerales patológicos? »

Fischbach conectó a Estroff y Kunitake con investigadores del Centro de Cáncer Memorial Sloan Kettering, quienes proporcionaron muestras de tejido que contenían microcalcificaciones de 40 pacientes con cáncer de mama.

Kunitake luego comenzó el arduo proceso de años de tratar de entender exactamente lo que estaban viendo. Recurrió al Dr. Daniel Sudilovsky, entonces en el Centro Médico Cayuga, quien ayudó a caracterizar la patología de cada tipo de microcalcificación que encontraron.

Luego, en lugar de triturar y homogeneizar las muestras de tejido, como habían hecho otros estudios, los investigadores buscaron obtener mapas tridimensionales de alta resolución de la química del mineral y la matriz orgánica, de modo que no alteraran la estructura tisular. Así que colaboraron con Admir Masic del Instituto de Tecnología de Massachusetts, coautor principal del artículo, quien usó una técnica de espectroscopia vibratoria llamada microscopía Raman que puede detectar las distintas firmas vibratorias de las químicas orgánica e inorgánica de una molécula biológica, y también mapear dónde esas firmas están ocurriendo.

Luego, Kunitake se dedicó a integrar y analizar todos los datos utilizando técnicas inspiradas en la investigación ómica en bioquímica y genética.

« Una forma de ver los datos, cuando tienes muchos, es usar estrategias de las comunidades ómicas », dijo Kunitake. « No tiene que ser cuantitativo, solo para visualizar cómo se comportan los datos. Usando el agrupamiento jerárquico, pudimos ver nuestros datos como un mapa de calor, y eso nos dio una idea de cómo los diferentes parámetros que medimos se relacionaron entre sí. y cómo se agruparon las diferentes calcificaciones en función de sus huellas dactilares ».

Entre los hallazgos clave de los investigadores: las microcalcificaciones asociadas con el cáncer se agrupan en grupos fisiológicamente relevantes que reflejan el tipo de tejido y la malignidad local; el carbonato mineral exhibe una variedad sustancial dentro del tumor; los metales traza, incluidos el zinc, el hierro y el aluminio, aumentan en las calcificaciones malignas localizadas; y la proporción de lípidos a proteínas dentro de las microcalcificaciones es menor en pacientes con mal pronóstico.

Si bien los investigadores no están seguros de si las microcalcificaciones se forman antes de que se desarrolle el cáncer o debido a ello, los hallazgos indican que existe una correlación con la gravedad de la enfermedad. Los investigadores tienen la esperanza de que los hallazgos también puedan iluminar las calcificaciones en otros tipos de cáncer, como el cáncer de tiroides y de ovario.

El equipo ahora planea estudiar una mayor variedad de características de la enfermedad y también aplicar su enfoque a otras enfermedades patológicas de mineralización, como la enfermedad de la válvula aórtica calcificada, en la que se forma mineral en la válvula del corazón, o como dice Estroff, « el mineral es el enfermedad. »

Los coautores incluyen : Lynn Johnson, directora y consultora estadística de la Unidad de Consultoría Estadística de Cornell; el investigador postdoctoral Siyoung Choi; el Dr. Daniel Sudilovsky del Centro Médico Regional Kingman en Kingman, Arizona; el Dr. Neil Iyengar, oncólogo médico en el Servicio de Medicina del Seno en el Centro de Cáncer Memorial Sloan Kettering y profesor asociado de medicina en Weill Cornell Medicine; e investigadores del Centro de Cáncer Memorial Sloan Kettering y el MIT.

La investigación fue apoyada por el Programa de Ciencias Human Frontier y por el Centro de Física del Metabolismo del Cáncer del Instituto Nacional del Cáncer.

Los investigadores utilizaron el Centro de Investigación de Materiales de Cornell, que cuenta con el apoyo del programa MRSEC de la Fundación Nacional de Ciencias, y el Centro de Diagnóstico de Salud Animal de la Facultad de Medicina Veterinaria.