14.01.2013

Ключом к победе над раком может стать физика, а не биология

Основная проблема любого современного государства — растущие расходы на здравоохранение. И на первом месте в списке — онкология с её чрезвычайно дорогими лекарствами, которые почти не приносят пользы. Поколение послевоенного демографического взрыва стареет, и эти расходы будут только увеличиваться.

Исследования рака поглощают миллиарды долларов в год, но ожидаемая продолжительность жизни с этим диагнозом за последние десятилетия изменилась мало. Как правило, всё, что может сегодня предложить медицина, — это по-прежнему попытка хотя бы немного отсрочить неизбежное. Панацея всё так же далека.

В 2008 году Национальный онкологический институт США (NCI), признавая этот тупик, сделал смелый шаг: его сотрудники решили, что, раз биологи не справляются, имеет смысл привлечь к работе математиков и физиков.

В конце концов, история науки учит, что значительного прогресса зачастую удаётся добиться в тех случаях, когда происходит радикальный пересмотр концептуальных основ той или иной области. Возможно, проблема в том, что на рак смотрят с неверной точки зрения. Поэтому NCI учредил 12 центров физики и онкологии. И сотрудничество стало приносить первые плоды. Например, показано, как меняется упругость клеток, когда рак прогрессирует.

Ещё в XIX веке живой организм порой рассматривался как машина, в которую вдохнули таинственную силу. Со временем биологи осознали, что дело вовсе не в сверхъестественном элементе, а в сложной схеме химических реакций. Затем состоялась генетическая революция, результатом которой стало описание жизни на языке информатики — инструкций, кодов, сигналов. Современные исследования сосредоточены почти исключительно на химических путях и генетических последовательностях. Например, онкологические препараты предназначены, как правило, для блокирования реакций, замешанных в раке. В генетической базе рака накоплены терабайты данных, в которых специалисты надеются обнаружить некий мутационный шаблон. Но, несмотря на большой научный интерес, эти проекты так и не привели к долгожданному прорыву.

Почему? Нетрудно сказать. Живая клетка (в том числе раковая) — это бездонная пропасть. Клетки (в том числе раковые) чрезвычайно сложны и разнородны. Упрощённый подход, который стремится раскрыть детали каждого молекулярного пути в каждой раковой клетке, потребует десятилетий и миллиардов долларов. При этом линейные цепи причин и следствий редко работают в биологии. Первоочередную роль в функционировании живых организмов играют сложные сети взаимодействий вроде обратной связи и замкнутых систем регулирования.

Существует, однако, другой способ взглянуть на клетки. Это не только «мешки», набитые химическими веществами и системами обработки информации, но и физические объекты, обладающие такими свойствами, как размер, масса, форма, упругость, количество свободной энергии, липкость поверхности и электрический потенциал. В раковых клетках можно найти насосы, рычаги, шкивы и прочие вещи, знакомые физикам и инженерам. Кроме того, многие из этих свойств меняются, когда опухоль становится злокачественной.

Прежде всего следует уйти от понятия лечения и мыслить в терминах контроля и управления раком. Подобно старению, рак — это не столько болезнь, сколько процесс. Эффекты старения можно смягчить без полного понимания процесса: это может оказаться верным и в случае рака.

Очень часто в популярной литературе рак ошибочно объясняется чем-то вроде клеточного безумия. В действительности он имеет чётко детерминированный механизм. Первичная опухоль редко становится причиной смерти. Перспективы пациента резко ухудшаются лишь после того, как рак распространяется по всему телу и захватывает другие органы.

Это хорошо описанный, но плохо понятый физический процесс. Из первичной опухоли раковые клетки попадают в кровеносные сосуды, где в течение некоторого времени курсируют то поодиночке, то сбиваясь в «банды» благодаря тромбоцитам. Иногда эти мигранты застревают в венулах или же выстраиваются вдоль стенки сосуда и выбрасывают своего рода молекулярные крючки — кадгерины, которые позволяют им удерживаться несмотря на ток крови и со временем проникать в ближайший орган.

Во время этого процесса физические свойства и форма клеток могут резко измениться. Как правило, раковые клетки мягки и «уродливы» по сравнению со здоровыми клетками того же типа, но в дальнейшем способны на трансформацию, которая может повлиять на их подвижность и повысить инвазивный потенциал. Раковые клетки строят колонии в новых для себя органах, меняя структуру и физические свойства внеклеточного матрикса, а также «вербуя» местные здоровые клетки. Есть также намёки на то, что первичная опухоль шлёт химические сигналы, подготавливающие физические и химические основания для колонистов.

Метастазирование кажется дьявольски эффективным методом распространения, но в действительности рассеянные раковые клетки никогда не становятся причиной крупных неприятностей, поскольку они почти полностью гибнут. Подавляющее большинство летальных исходов вызывается клетками, которые смогли выжить и на долгие годы и даже десятилетия залегли в костном мозге или же образовали микрометастазы. Смертоносна прежде всего вторичная опухоль.

Вот он — просвет! В ближайшей перспективе можно было бы отказаться от мечты о панацее и сконцентрировать усилия на том, чтобы продлить этот период бездействия. Тогда рак перестанет быть проблемой здравоохранения.

Чтобы добиться этого, вовсе не нужно знать детали всех онкологических процессов. Известно, что клетки управляют генами не только с помощью химических сигналов, но и путём изменений физических свойств микросреды. Например, они способны ощущать сдвиговое напряжение и эластичность близлежащих тканей. Они также реагируют на температуру, электрическое поле, pH, давление и концентрацию кислорода. Некоторые уже пытаются применять гипербарическую кислородную терапию, при которой пациент находится в камере с чистым кислородом под высоким давлением.

Необходимо также привлекать специалистов из других разделов биологии, ведь рак широко распространён среди млекопитающих, рыб, рептилий и даже растений. Очевидно, что он является неотъемлемой частью эволюции многоклеточных. Большинство нормальных клеток, похоже, рождается с «предустановленной» раковой подпрограммой, которая может быть активирована при определённых условиях. Необходимо понять эволюционное происхождение этого механизма. Кроме того, давно признано, что есть много общего между раком и развитием эмбриона. Растёт число свидетельств в пользу того, что некоторые гены, участвующие в ходе эмбриогенеза, заново пробуждаются раком...

Дмитрий Целиков

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА