一項(xiàng)為期10年的跨學(xué)科合作使用材料科學(xué)方法來“指紋”鈣礦物質(zhì)沉積物，稱為微鈣化，揭示乳腺癌和潛在其他疾病進(jìn)展的病理線索。

該小組的論文“乳房微鈣化的生物礦物學(xué)特征”于22月21日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。主要作者是博士后研究員Jennie Kunitake，Ph.D. ' <>。

健康的礦物質(zhì)沉積是一個(gè)精心策劃的過程，如骨骼和牙齒的形成所見。然而，有時(shí)礦物質(zhì)沉積物會在它們不屬于的地方形成，例如腎臟(即腎結(jié)石)和乳房組織。在乳腺癌的背景下，微鈣化是一種關(guān)鍵的篩查工具，因?yàn)樗鼈冊谌榉縓光檢查中顯示為鮮艷的白色斑點(diǎn)，并且在某些情況下表明存在乳腺癌。

“通常在最初的乳房X光檢查之后，微鈣化在很大程度上被忽略了。我們所說的是，我們可以超越乳房X光檢查的分辨率，在微觀和化學(xué)水平上，并從這些微鈣化中獲得更多信息，“共同資深作者，康奈爾工程材料科學(xué)與工程教授Lara Estroff說。“通過從材料科學(xué)中采用成熟的高分辨率表征技術(shù)，并將這些技術(shù)與生物礦化以及生物體如何控制礦物沉積的理解相結(jié)合，我們對可能對疾病具有重要意義的病理礦物獲得了獨(dú)特的見解。

Estroff的小組專門研究生物礦化，即生物有機(jī)體如何控制其組織中晶體的生長。十多年前，她開始與斯坦利·布賴爾(Stanley Bryer 1946年生物醫(yī)學(xué)工程教授)克勞迪婭·菲施巴赫(Claudia Fischbach)合作，探索乳腺癌向骨骼的轉(zhuǎn)移擴(kuò)散。這導(dǎo)致了對一種“奇怪”現(xiàn)象的探索，其中骨樣礦物質(zhì)出現(xiàn)在原發(fā)性腫瘤部位，從那里開始，合作者對這些微鈣化如何捕獲它們形成的組織微環(huán)境元素感興趣，幾乎就像快照一樣。微環(huán)境，也稱為有機(jī)基質(zhì)，反過來會影響礦物的組成、形態(tài)和機(jī)械性能。

“礦物與生物學(xué)有不同的規(guī)則，”Kunitake說。“乳腺癌中形成的礦物質(zhì)可能捕獲反映其形成環(huán)境的化學(xué)信息，并且可能具有臨床價(jià)值和相關(guān)性。

雖然一些癌癥生物學(xué)家已經(jīng)研究了微鈣化，但材料科學(xué)家尚未探索這種現(xiàn)象。

“生物礦化是一個(gè)相當(dāng)小眾的領(lǐng)域，涉及材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、生物學(xué)等的貢獻(xiàn)。這是非常多學(xué)科的，“埃斯特羅夫說。“腫瘤學(xué)家絕對沒有理由關(guān)注這些正在出現(xiàn)的微小晶體的材料特性。我認(rèn)為這真的需要一個(gè)知道礦物可以提供什么的人來做到這一點(diǎn)。我們說，我們能不能把我們從研究生理生物礦物質(zhì)中學(xué)到的一切，應(yīng)用到這些病理礦物上?”

Fischbach將Estroff和Kunitake與Memorial Sloan Kettering癌癥中心的研究人員聯(lián)系起來，后者提供了來自40名乳腺癌患者的含有微鈣化的組織樣本。

然后，Kunitake開始了長達(dá)數(shù)年的艱苦過程，試圖準(zhǔn)確理解他們在看什么。她求助于當(dāng)時(shí)在卡尤加醫(yī)療中心的丹尼爾·蘇迪洛夫斯基博士，他幫助表征了他們發(fā)現(xiàn)的每種微鈣化的病理學(xué)。

接下來，研究人員沒有像其他研究那樣研磨和均質(zhì)化組織樣本，而是試圖獲得礦物和有機(jī)基質(zhì)化學(xué)的高分辨率三維圖，這樣它們就不會改變組織結(jié)構(gòu)。因此，他們與麻省理工學(xué)院的Admir Masic合作，他是該論文的共同資深作者，他使用了一種稱為拉曼顯微鏡的振動光譜技術(shù)，該技術(shù)可以檢測生物分子有機(jī)和無機(jī)化學(xué)的獨(dú)特振動特征，并繪制這些特征發(fā)生的位置。

然后，Kunitake開始使用受生物化學(xué)和遺傳學(xué)組學(xué)研究啟發(fā)的技術(shù)來整合和解析所有數(shù)據(jù)。

“當(dāng)你有很多數(shù)據(jù)時(shí)，查看數(shù)據(jù)的一種方法是使用組學(xué)社區(qū)的策略，”Kunitake說。“它不必是定量的，只是為了可視化數(shù)據(jù)的行為。使用分層聚類，我們可以將數(shù)據(jù)視為熱圖，這讓我們了解我們測量的不同參數(shù)如何相互關(guān)聯(lián)，以及不同的鈣化如何根據(jù)指紋進(jìn)行分組。

研究人員的主要發(fā)現(xiàn)包括：癌癥相關(guān)的微鈣化聚集成反映組織類型和局部惡性腫瘤的生理相關(guān)組;礦物碳酸鹽在腫瘤內(nèi)表現(xiàn)出大量的多樣性;微量金屬(包括鋅、鐵和鋁)在惡性局部鈣化中增強(qiáng);在預(yù)后不良的患者中，微鈣化中脂質(zhì)與蛋白質(zhì)的比例較低。

雖然研究人員不確定微鈣化是在癌癥發(fā)展之前形成的還是因?yàn)樗?，但研究結(jié)果表明與疾病嚴(yán)重程度有關(guān)。研究人員希望這些發(fā)現(xiàn)也可以闡明其他類型癌癥的鈣化，如甲狀腺癌和卵巢癌。

該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在計(jì)劃研究更大范圍的疾病特征，并將他們的方法應(yīng)用于其他病理性礦化疾病，例如鈣化性主動脈瓣疾病，其中礦物質(zhì)在心臟瓣膜中形成，或者正如Estroff所說，“礦物質(zhì)就是疾病。