Une collaboration interdisciplinaire de 10 ans dans la fabrication a utilisé une approche de la science des matériaux pour “empreintes digitales” les dépôts minéraux de calcium connus sous le nom de microcalcifications qui révèlent des indices pathologiques sur la development du cancer du sein et potentiellement d’autres maladies.
L’article du groupe, “Biomineralogical Signatures of Breast Microcalcifications”, a été publié le 22 février dans Science Advancements. L’auteur principal est la chercheuse postdoctorale Jennie Kunitake, Ph.D. ’21.
Un dépôt minéral sain est un processus délicatement orchestré, comme on le voit dans la formation des os et des dents. Parfois, cependant, des dépôts minéraux se forment dans des endroits auxquels ils n’appartiennent pas, comme les reins – c’est-à-dire les calculs rénaux – et les tissus mammaires. Dans le contexte du most cancers du sein, les microcalcifications sont un outil de dépistage essentiel car elles apparaissent sous forme de taches blanches vives sur les mammographies et, dans certains cas, indiquent la présence d’un most cancers du sein.
“Habituellement, après la mammographie initiale, les microcalcifications sont largement ignorées. Et ce que nous disons, c’est que nous pouvons regarder au-delà de la résolution de la mammographie, au niveau microscopique et chimique, et obtenir plus d’informations sur ces microcalcifications”, a déclaré le co-auteur principal. Lara Estroff, professeur de science et génie des matériaux à Cornell Engineering. “En prenant des strategies de caractérisation à haute résolution bien établies de la science des matériaux et en les associant à une appréciation de la biominéralisation et à la façon dont les organismes peuvent contrôler le dépôt de minéraux, nous avons acquis un aperçu one of a kind d’un minéral pathologique qui peut avoir des implications importantes pour maladie.”
Le groupe d’Estroff se spécialise dans la biominéralisation, c’est-à-dire comment les organismes biologiques contrôlent la croissance des cristaux dans leurs tissus. Il y a plus de dix ans, elle a commencé à collaborer avec Claudia Fischbach, professeure de génie biomédical Stanley Bryer 1946 et co-auteur principal de l’article, pour explorer la propagation métastatique du most cancers du sein aux os. Cela a conduit à une exploration d’un phénomène “weird” dans lequel des minéraux ressemblant à des os sont apparus sur les sites tumoraux primaires, et à partir de là, les collaborateurs se sont intéressés à la manière dont ces microcalcifications peuvent capturer des éléments du microenvironnement tissulaire où ils se forment, presque comme un instantané.. Le microenvironnement, également appelé matrice organique, peut à son tour influencer la composition, les morphologies et les propriétés mécaniques du minéral.
“Les minéraux ont des règles différentes de celles de la biologie”, a déclaré Kunitake. “Les minéraux qui se forment dans le cancer du sein pourraient piéger des informations chimiques qui reflètent leur environnement de development, et qui pourraient potentiellement avoir une valeur et une pertinence cliniques.”
Alors que certains biologistes du cancer ont étudié les microcalcifications, le phénomène n’a pas été exploré par les scientifiques des matériaux.
“La biominéralisation est un domaine plutôt de specialized niche qui implique des contributions de la science des matériaux, de la géologie, de la biologie et moreover encore. C’est très multidisciplinaire”, a déclaré Estroff. “Il n’y a absolument aucune raison pour que les oncologues prêtent notice aux propriétés matérielles de ces minuscules petits cristaux qui apparaissent. Je pense qu’il a vraiment fallu quelqu’un qui avait une idée de ce que le minéral pouvait offrir pour faire cela. Nous avons dit, pouvons-nous prendre tout ce que nous savons de l’étude des biominéraux physiologiques, et l’appliquer maintenant à ces minéraux pathologiques ?”
Fischbach a mis en get in touch with Estroff et Kunitake avec des chercheurs du Memorial Sloan Kettering Most cancers Center, qui ont fourni des échantillons de tissus contenant des microcalcifications de 40 patientes atteintes d’un most cancers du sein.
Kunitake a alors commencé le processus ardu de plusieurs années pour essayer de comprendre exactement ce qu’ils regardaient. Elle s’est tournée vers le Dr Daniel Sudilovsky, alors au Cayuga Medical Heart, qui a aidé à caractériser la pathologie de chaque kind de microcalcification qu’ils ont trouvé.
Ensuite, plutôt que de broyer et d’homogénéiser les échantillons de tissus, comme d’autres études l’avaient fait, les chercheurs ont cherché à obtenir des cartes tridimensionnelles à haute résolution de la chimie du minéral et de la matrice organique, de manière à ce qu’elles n’altèrent pas la structure tissulaire. Ils ont donc collaboré avec Admir Masic du Massachusetts Institute of Technological innovation, co-auteur principal de l’article, qui a utilisé une strategy de spectroscopie vibrationnelle appelée microscopie Raman qui peut détecter les signatures vibrationnelles distinctes des chimies organiques et inorganiques d’une molécule biologique, et également cartographier où ces signatures se produisent.
Kunitake a ensuite entrepris d’intégrer et d’analyser toutes les données à l’aide de approaches inspirées de la recherche en omique en biochimie et en génétique.
“Une façon de regarder les données, quand vous en avez beaucoup, est d’utiliser les stratégies des communautés omiques”, a déclaré Kunitake. “Cela n’a pas besoin d’être quantitatif, juste pour visualiser le comportement des données. En utilisant le clustering hiérarchique, nous pourrions regarder nos données comme une carte thermique, et cela nous a donné une idée de la façon dont les différents paramètres que nous avons mesurés étaient liés les uns aux autres. et remark les différentes calcifications se sont regroupées en fonction de leurs empreintes digitales.”
Parmi les principales découvertes des chercheurs : les microcalcifications associées au most cancers se regroupent en groupes physiologiquement pertinents qui reflètent le kind de tissu et la malignité locale le carbonate minéral présente une variété substantielle à l’intérieur de la tumeur les métaux traces – y compris le zinc, le fer et l’aluminium – sont renforcés dans les calcifications malignes localisées et le rapport lipides/protéines dans les microcalcifications est additionally faible chez les patients de mauvais pronostic.
Bien que les chercheurs ne sachent pas si les microcalcifications se forment avant le développement du cancer ou à lead to de celui-ci, les résultats indiquent qu’il existe une corrélation avec la gravité de la maladie. Les chercheurs espèrent que les résultats pourront également éclairer les calcifications dans d’autres kinds de cancer, tels que le cancer de la thyroïde et de l’ovaire.
L’équipe prévoit maintenant d’étudier une plus grande propagation des caractéristiques de la maladie et d’appliquer également son approche à d’autres maladies pathologiques de la minéralisation, telles que la calcification de la valvule aortique, dans laquelle des minéraux se forment dans la valvule cardiaque, ou comme le dit Estroff, “le minéral est le maladie.”
Les co-auteurs incluent : Lynn Johnson, directrice et consultante statistique de la Cornell Statistical Consulting Unit le chercheur postdoctoral Siyoung Choi le Dr Daniel Sudilovsky du Kingman Regional Health care Center à Kingman, Arizona Dr Neil Iyengar, oncologue médical au services de médecine du sein du Memorial Sloan Kettering Cancer Center et professeur agrégé de médecine à Weill Cornell Medication et des chercheurs du Memorial Sloan Kettering Cancer Center et du MIT.
La recherche a été soutenue par le Human Frontier Science Application et par le Nationwide Cancer Institute’s Heart on the Physics of Most cancers Rate of metabolism.
Les chercheurs ont utilisé le Cornell Heart for Materials Investigation, qui est soutenu par le programme MRSEC de la Nationwide Science Foundation, et le Animal Health Diagnostic Middle du Faculty of Veterinary Medicine.