Знаете ли вы, что рак эволюционирует? Можно ли этому помешать?

Предотвращение распространения, развития и вреда рака, поиск лечения и исцеления являются основными целями онкологии и ее подразделений. Эволюционный подход к ракуможет приоткрыть некоторые тайны. Сначала нам нужны несколько основных сведений.

О раке — что такое рак?

Рак можно характеризовать как возникающий из природы принципов жизни побочный эффект работы механизмов эволюции. Из-за накопленных повреждений ДНК (при некоторых видах рака вирусных факторов) наблюдаются неконтролируемый рост клеток и способность в здоровые части тела метастазы давать (распространяться); эту группу заболеваний называют раком.

Часто причина неконтролируемого деления — незапланированные изменения генетического кода. Мутации могут возникать разными путями: UV повреждает структуру ДНК, а репарация не способна полностью исправить; ДНК копируется неправильно, и исправление пропускается; токсичные вещества среды влияют на топологию клетки, мешая делению (топология — раздел геометрии/математики о свойствах поверхностей и общих форм, без длин и углов). Тогда вступают система репарации ДНК, апоптоз (программируемая клеточная смерть) или иммунная система . При возникновении рака контроль ослаблен. Например, слабая иммунная система менее эффективно справляется с мутантными клетками, чем сильная. У некоторых могут быть специализированные иммунные клетки, лучше распознающие рак (например, их описали у людей старше 100 лет; см. соответствующее открытие).

Пояснение рисунка: Сверху показаны причины повреждения ДНК, снизу — наиболее распространенные механизмы его восстановления.

Рак — явление, минимум ухудшающее качество жизни, максимум прекращающее жизнь.

Возникновение во множестве типов клеток — главное исходное преимущество рака. Основная видимая причина — по мере усложнения клетки в эволюции восстановление различных систем становится труднее; элементы репарации еще не оптимизированы либо нет необходимых для их оптимизации систем. Поэтому с усложнением организмов рак эволюционирует вместе с ними в будущее. Пока есть эволюция, то есть превращение веществ из формы в форму со временем, будут органические структуры, соответствующие определению рака. Но недавние исследования человечества стали лучом надежды и помогли попыткам предотвращения многих известных видов рака.

Существуют 4 основных вида рака

1. Образующаяся в железистых и эпителиальных тканях и формирующая солидные (твердые, органные) опухоли карцинома — наиболее распространенный вид рака. Сюда относятся рак простаты, молочной железы, легкого и ободочной кишки.
2. Известная как рак мягких тканей, возникающая в мышцах, нервах, жире, сухожилиях, сосудах и подобных структурах и формирующая мягкие опухоли саркома— редкий вид рака.
3. Лейкозтакже известен как рак крови. Упрощенно это неконтролируемая выработка аномальных лейкоцитов в костном мозге. Вместо смерти через некоторое время они продолжают размножаться. В крови остается мало места эритроцитам, поэтому уменьшается переносимый кислород. Опухоли в большинстве не наблюдаются.
4. Лимфомавозникает в B-, T- и естественных киллерных лимфоцитах (видах лейкоцитов, распознающих патогены). Может образовываться опухоль.

Есть 2 основных типа опухолей:

1. Доброкачественные опухоли (benign)не метастазируют, обычно окружены соединительной тканью и делятся определенное время. По свойствам ближе к нормальным клеткам. Но компактной структурой могут повреждать нервы, уменьшать кровоток, косвенно вызывать ишемическую гангрену и повреждение органов. Вокруг доброкачественных опухолей мало ангиогенеза (ветвления новых сосудов), что важно для невозможности быстрого роста и метастазирования.
2. Злокачественные опухоли (malign)способны метастазировать и чрезмерно неконтролируемо размножаются. Они нарушают орган прямо или косвенно: прямо возникая на структуре и влияя на ее функцию; косвенно при чрезмерном ангиогенезе расходуя кислород и питание крови преимущественно на опухоль. Высокий ангиогенез существенно развивает способность метастазирования. Склонные к злокачественности опухоли называют предзлокачественными (pre-malign); нужно строго наблюдать, иначе они могут стать злокачественными.

Не каждый рак образует опухоль, не каждой опухоли ставят диагноз рака Большинство доброкачественных опухолей исчезнет само либо останется с вами, как некоторые кожные выросты (см. различие родинок и кожных выростов; для их озлокачествления есть критерии, некоторые могут предвещать рак).

Что такое эволюция?

Перед эволюцией рака нужно дать определение эволюции . Хотя ее часто объясняют биологически, по сути следует представлять законом механизма работы Вселенной. Эволюция — накопление небольших изменений со временем до больших различий. Нечто исходное через небольшие изменения в итоге становится новым. Это верно не только для живых, но для всего земного. Посмотрим так:

Явление видно везде, всегда и во всех областях. Долгие изменения личностей людей, обмен культур, движение континентов, изменение музыкальных инструментов и оружия, умножение методов лечения; более краткие изменения отношений родителей с детьми и внуками, музыкального восприятия, более мясистые современные арбузы по сравнению со столетними — прекрасные примеры эволюции.

Эволюция — общий термин. Химическая эволюция изучает молекулы и новые вещества; физическая — постепенно установившиеся после Большого взрыва законы физики и косвенно химические, космические, биологические явления; биологическая — жизнь и ее сложность. Это три основные ветви, предшествовавшие бесчисленным научным областям.

Макро- и микроэволюция делят эволюцию на две группы по времени достижения нового этапа. Макроэволюцияобозначает накопление длительных изменений; микроэволюция— относительно краткие изменения. Примеры второго абзаца под этим заголовком соответственно подходят макро- и микроэволюции.

Чем различаются теория, закон и явление?

Теперь, когда мы «кратко» объяснили эволюцию, для различия эволюции и теории эволюции вновь «кратко» рассмотрим различия теории, закона и явления:

Избирательность передачи информации людьми привела со временем к забыванию важного. Определения теории и закона пострадали в многолетних конфликтах учебных программ. Это два научных инструмента с совершенно разными функциями, не превращающиеся друг в друга. Оба основаны на научных методах и собираются из малых частей в большие, нуждаются в опытах и строгих доказательствах. Но при этом сходстве есть различие:

• Теорияиспользуется для объяснения явления. Она происходит из основанных на наблюдениях гипотез и требует множества доказательств для полного объяснения. Явления постоянно исследуются, а для более точного и приемлемого объяснения привлекают множество наук. Экономическая теория, теория информации, теория эволюции, относительности, Большого взрыва и клеточная теория — хорошие примеры.
• Закониспользуется для описания явления. Он тоже происходит из наблюдательных гипотез. Его создают по одинаковым результатам опытов во всем мире о явлении и способности стать научной основой. Законы объясняют теории, а законы описывают используемые теориями явления. Эта двойственность важна для прогресса. Закон тяготения в теории относительности, закон Ома в теории цепей, закон сохранения массы в кинетической теории — примеры.
• Явления — наблюдаемое, исследуемое нечто, из исследований которого создают гипотезы, а из них долгой работой законы или теории; основанное на предположении, но само не предположение. Научное понятие явления основано на онтологическом материализме: даже кажущееся сверхъестественным или внеприродным явление можно объяснить механизмами Вселенной и проследить происхождение. Этот согласованный с изучаемыми наукой механизмами взгляд принимают и используют ученые.

Итак, различие эволюции и теории эволюции теперь видно: Эволюция — явление, теория эволюции — инструмент объяснения и осмысления явления и создания основы исследования.

Теперь рассмотрим эволюцию и объясняющую биологическую эволюцию (учебную тему) онкологическую интерпретацию теории эволюции .

Эволюция рака: эволюционная биология и адаптивная терапия

Пояснение рисунка: При делении клетки приобретают мутации, способные обеспечить аномальный рост и образование опухолей. Опухоли и метастазы могут состоять из разных групп клеток. То есть метастатические опухоли могут иметь фенотип (вид) и генотип (генетику), сильно отличающиеся от исходной раковой клетки.

Раковые клетки могут возникать повсюду в организме, поэтому рак наблюдается в разных типах клеток. Для понимания эволюции сначала посмотрим на возникновение рака в теле.

Рак может возникать в герминальных (репродуктивных) клетках и передаваться как наследственный признак следующим поколениям (наследственный рак молочной железы или яичников), либо в соматических (телесных) клетках и ограничиваться телом (см. семейный, наследственный и спорадический рак). В обоих путях для возникновения нужны определенные критерии. Большинство из них — эволюционные давления.

Эволюционные давления — факторы, вызывающие положительное или отрицательное изменение организма.

Рассмотрим экологический пример онкологически:

Основная цель живого — дожить до размножения. Множество рисков несут возможность не спариться: конкуренция, голод, жажда, среда, наследственные особенности (сила экспрессии генов и другое), интеллект и эффективность охоты важны для продолжения рода. Способность справиться с отбором, приспособиться к созданной этими факторами природе, успешно пройти периоды размножения и минимизировать повреждения определяется как приспособленность (fitness). В эволюции на какой возраст успешного организма смещается давление отбора, на тот промежуток склонен смещаться и самый активный, энергичный период. Это хаотичный процесс, где выживают только готовые к следующим давлениям.

Дикие мыши живут около 1 года, лабораторные — 2–3 года. У лабораторных рак чаще, чем у диких родственников; важная причина — старость. Клетки старея теряют функции (но ежедневно образуется около 230 миллиардов новых клеток; речь не о смерти клеток, а об утрате функций вновь возникающими со временем). Утрата этих функций по указанным причинам важна для смещения «молодости» организма (максимальной энергии и оптимального размножения) к периоду эволюционных давлений. Изменения распределения энергии по жизни непосредственно связаны с приспособленностью.

- Связанная тема: Почему рак чаще возникает в старости? Подход к лечению в пожилом возрасте

Дикие мыши едва достигают старости. Поэтому их клетки еще относительно «молоды», клеточные группы находятся в наиболее эффективном и функциональном состоянии. Их высокая приспособленность свидетельствует об активной работе предотвращающих или останавливающих рак систем.

Теперь перейдем к клеткам:

Одна из причин озлокачествления — колебания приспособленности клеточных групп тканей. Канцерогенныевещества (асбест, кадмий, никель, винилхлорид и другие) могут нарушать работу некоторых клеточных групп организмов с недостаточно работающим относительно возраста иммунитетом (недостатками приспособленности) и повреждать ДНК. Тогда в зависимости от способности ремонтировать повреждения, допускаемой возрастом клетки, ее механизмы могут нарушиться и клетка стать раковой. Канцерогены иногда вызывают рак и у высокоприспособленных групп; это зависит и от того, насколько часто и интенсивно канцерогены поступают в организм (см., когда канцерогенное вещество вызывает рак).

Кроме клеток, ставших раковыми под эволюционным давлением, есть происходящие из раковой стволовой клетки (CSC). Каждая клетка начинает жизнь стволовой в месте своего происхождения. Стволовые клетки еще не получили специфических функций.

Естественные стволовые клетки делятся на взрослые и эмбриональные. Оба типа могут превращаться во многие клетки, но эмбриональные — в любую клетку тела, их основная цель — формирование эмбриона. Взрослые (например, предшественники эритроцитов костного мозга, нейральные стволовые клетки, образующие нейроны) менее потенциальны, не превращаются в любые клетки, принадлежат органу-системе и предназначены преимущественно для восстановления тканей.

Взрослые стволовые клетки живут дольше всех соматических и репродуктивных клеток и поддерживаются в определенном числе в органе. Организм эволюционировал так, чтобы не производить новые без необходимости, поэтому ожидающие клетки рискуют накапливать мутации. Накопив достаточные определенные онкогенные мутации, они могут образовать опухоли в месте использования. Если мутации позволяют метастазировать, это метастатические раковые стволовые клетки (MCSC). Исследования продолжаются; молекулярная карта метастазов и понимание озлокачествления стволовых клеток могут помочь победить рак.

Есть 3 типа генов, связанных с раком

Это:

Как эволюционная биология поможет победить рак?

Ответ вновь можно связать с отбором:

Химиотерапиячасто успешно уменьшает опухоли, но рак в определенных условиях находит путь рецидива / возвращения (см. какой рак с какой частотой рецидивирует). Этот «найденный путь» интересует эволюционную биологию. Естественный отбор в теории эволюции объясняет более сильный рак, рецидивирующий после химиотерапии, используя «выживание наиболее приспособленного», также известное как «выживание лучшего» или «сильнейшего» (survival of the fittest): химиотерапия уничтожает не только раковые клетки, но в меньшей степени повреждает здоровые. Выжившие после «бомбардировки» высокоприспособлены. Ожидается, что они наиболее открыты мутациям и изменениям, то есть раковые. Даже одна выжившая раковая клетка означает возможность рецидива. Но при высокочувствительных видах, прежде всего яичка, ободочной кишки и молочной железы, химиотерапия может дать излечение.

Проблема лекарственной устойчивости рака для ее преодоления испытывается адаптивная терапия (AT). Хотя ее представляют более трудоемкой и ненужной, AT основана на минимальном вреде пациенту. Раковым клеткам позволяют иметь свою область и сохранять в ней приспособленность. Энергия систем пролиферации расходуется на стабильную приспособленность группы; фенотипы клеток (топологические свойства, отражение генов устойчивости в физических особенностях) сохраняются однородными. Этой однородностью пользуются, минимизируя число выживших после бомбардировки клеток группы со сходными фенотипами.

Метод уменьшает вред здоровым клеткам и мешает раковым подниматься по эволюционным ступеням и накапливать устойчивость. Необходимая доза химиотерапии мала, значит и воздействующая на здоровые клетки доза низка; это минимизирует запас энергии раковых клеток для пролиферации, выведения токсинов и других систем и в лучшем случае предотвращает новый рецидив.

Однако с развитием иммунотерапии и лечения рака по генетическим мишеням интерес к адаптивной химиотерапии уменьшился.

Заключение

Рак — одна из самых быстро эволюционирующих болезней; скорость зависит от силы приложенных эволюционных давлений. Помимо терапии, давление в основном связано с естественными средовыми и генетическими факторами. Освещая их теорией эволюции, мы открываем и продолжаем открывать способы повысить эффективность имеющихся методов лечения.