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Uma colaboração interdisciplinar de 10 anos em desenvolvimento usou uma abordagem de ciência de materiais para “impressão digital” dos depósitos minerais de cálcio conhecidos como microcalcificações que revelam pistas patológicas para a progressão do câncer de mama e potencialmente de outras doenças.
O artigo do grupo, “Biomineralogical Signatures of Breast Microcalcifications”, publicado em 22 de fevereiro em Avanços da Ciência. A principal autora é a pesquisadora de pós-doutorado Jennie Kunitake, Ph.D. ’21.
A deposição mineral saudável é um processo delicadamente orquestrado, como visto na formação de ossos e dentes. Às vezes, no entanto, depósitos minerais se formam em lugares aos quais não pertencem, como rins – ou seja, cálculos renais – e tecido mamário. No contexto do câncer de mama, as microcalcificações são uma ferramenta de triagem crítica porque aparecem como manchas brancas vivas nas mamografias e, em certos casos, indicam a presença de câncer de mama.
“Normalmente, após a mamografia inicial, as microcalcificações são amplamente ignoradas. E o que estamos dizendo é que podemos olhar além da resolução da mamografia, no nível microscópico e químico, e obter mais informações dessas microcalcificações”, disse o co-autor sênior Lara Estroff, professora de ciência e engenharia de materiais na Cornell Engineering. “Pegando técnicas de caracterização de alta resolução bem estabelecidas da ciência dos materiais e combinando-as com uma apreciação da biomineralização e como os organismos podem controlar a deposição de minerais, obtivemos uma visão única de um mineral patológico que pode ter implicações importantes para doença.”
O grupo de Estroff é especializado em biomineralização, ou seja, como os organismos biológicos controlam o crescimento de cristais em seus tecidos. Mais de uma década atrás, ela começou a colaborar com Claudia Fischbach, professora de engenharia biomédica Stanley Bryer em 1946 e co-autora sênior do artigo, para explorar a disseminação metastática do câncer de mama para os ossos. Isso levou à exploração de um fenômeno “bizarro” no qual minerais semelhantes a ossos apareciam em locais de tumores primários e, a partir daí, os colaboradores se interessaram pelas maneiras como essas microcalcificações podem capturar elementos do microambiente tecidual onde se formam, quase como um instantâneo. . O microambiente, também conhecido como matriz orgânica, pode por sua vez influenciar a composição, morfologia e propriedades mecânicas do mineral.
“Os minerais têm regras diferentes da biologia”, disse Kunitake. “Os minerais formados no câncer de mama podem estar retendo informações químicas que refletem seu ambiente de formação e que podem ter valor e relevância clínica”.
Embora alguns biólogos do câncer tenham estudado microcalcificações, o fenômeno não foi explorado por cientistas de materiais.
“A biomineralização é uma área de nicho que envolve contribuições da ciência dos materiais, geologia, biologia e muito mais. É muito multidisciplinar”, disse Estroff. “Não há absolutamente nenhuma razão para que os oncologistas prestem atenção às propriedades materiais desses minúsculos cristais que estão aparecendo. Acho que realmente precisou de alguém que tivesse uma ideia do que o mineral poderia oferecer para fazer isso. Dissemos, podemos aceitar tudo o que sabemos do estudo de biominerais fisiológicos e aplicá-lo agora a esses minerais patológicos?”
Fischbach conectou Estroff e Kunitake com pesquisadores do Memorial Sloan Kettering Cancer Center, que forneceram amostras de tecido contendo microcalcificações de 40 pacientes com câncer de mama.
Kunitake então começou o árduo processo de anos para tentar entender exatamente o que eles estavam vendo. Ela procurou o Dr. Daniel Sudilovsky, então no Cayuga Medical Center, que ajudou a caracterizar a patologia de cada tipo de microcalcificação que encontraram.
Em seguida, em vez de triturar e homogeneizar as amostras de tecido, como fizeram outros estudos, os pesquisadores buscaram obter mapas tridimensionais de alta resolução da química do mineral e da matriz orgânica, de modo que não alterassem a estrutura do tecido. Assim, eles colaboraram com Admir Masic, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, um co-autor sênior do artigo, que usou uma técnica de espectroscopia vibracional chamada microscopia Raman, que pode detectar as assinaturas vibracionais distintas das químicas orgânicas e inorgânicas de uma molécula biológica, e também mapear onde essas assinaturas estão ocorrendo.
Kunitake então começou a integrar e analisar todos os dados usando técnicas inspiradas na pesquisa ômica em bioquímica e genética.
“Uma maneira de olhar para os dados, quando você tem muitos deles, é usar estratégias das comunidades ômicas”, disse Kunitake. “Não precisa ser quantitativo, apenas para visualizar como os dados se comportam. Usando agrupamento hierárquico, podemos ver nossos dados como um mapa de calor, e isso nos deu uma ideia de como os diferentes parâmetros que medimos estavam relacionados entre si , e como as diferentes calcificações agrupadas com base em suas impressões digitais.”
Entre as principais descobertas dos pesquisadores: as microcalcificações associadas ao câncer agrupam-se em grupos fisiologicamente relevantes que refletem o tipo de tecido e a malignidade local; o carbonato mineral exibe uma variedade substancial dentro do tumor; traços de metais – incluindo zinco, ferro e alumínio – são aumentados em calcificações malignas localizadas; e a proporção de lipídios para proteínas dentro das microcalcificações é menor em pacientes com prognóstico ruim.
Embora os pesquisadores não tenham certeza se as microcalcificações se formam antes do desenvolvimento do câncer ou por causa dele, as descobertas indicam que há uma correlação com a gravidade da doença. Os pesquisadores estão esperançosos de que as descobertas também possam iluminar calcificações em outros tipos de câncer, como câncer de tireóide e ovário.
A equipe agora planeja estudar uma distribuição maior das características da doença e também aplicar sua abordagem a outras doenças patológicas da mineralização, como a valvopatia calcificada aórtica, na qual o mineral se forma na válvula cardíaca ou, como diz Estroff, “o mineral é o doença.”
Os co-autores incluem: Lynn Johnson, diretora e consultora estatística da Cornell Statistical Consulting Unit; pesquisador de pós-doutorado Siyoung Choi; Dr. Daniel Sudilovsky do Kingman Regional Medical Center em Kingman, Arizona; Dr. Neil Iyengar, um oncologista médico no Serviço de Medicina da Mama no Memorial Sloan Kettering Cancer Center e professor associado de medicina na Weill Cornell Medicine; e pesquisadores do Memorial Sloan Kettering Cancer Center e do MIT.
A pesquisa foi apoiada pelo Human Frontier Science Program e pelo National Cancer Institute’s Center on the Physics of Cancer Metabolism.
Os pesquisadores fizeram uso do Cornell Center for Materials Research, que é apoiado pelo programa MRSEC da National Science Foundation, e do Centro de Diagnóstico de Saúde Animal da Faculdade de Medicina Veterinária.
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