Da furubiller invaderte nordamerikanske skoger, kastet de et delikat økosystem ut av balanse. Kreftceller oppfører seg som skadelige invasive arter. Foto av Flickr-bruker Kneale Quayle
Noen ganger er det å tenke på et gammelt problem fra en forfriskende ny vinkel bare det som trengs for å finne det eureka-øyeblikket.
Kreft, en av de mest beryktede medisinske sykdommer, er blitt studert intenst i den moderne tidsalderen for moderne medisin. Men et økende antall forskere tror at å bringe en fersk, ut-av-boksen tilnærming til å forstå sykdommen kan føre til noen nye innsikter og, kanskje, løsninger. Og emnet de håper kan tjene som et vindu i studiet av kreft kan overraske deg: økologi.
Pålydende virker onkologi og økologi veldig forskjellige. For det første er den ene lokalisert til spesifikke celler i kroppen, mens den andre per definisjon spenner over hele kloden. Men heller enn å merke kreft som en gruppe av muterte celler, slik tanken går, bør vi se kreft som en forstyrrelse i balansen i et komplekst mikro-miljø i menneskekroppen. Som en skadelig invasiv bille som spiser seg gjennom skoger i Colorado, en ny sykdom som bryter ut i bestander av ville fugler, eller tømmerhoggere som klipper ned deler av Amazonas regnskog, kaster kreft en apeskiftenøkkel inn i et ellers rolig, balansert system.
Denne tankegangen får kreft til å virke enda mer komplisert enn den allerede er, men den kan gi innsikt som til slutt gjør kreft mer behandlingsdyktig, foreslår forskere fra Moffet Cancer Center i en artikkel publisert i tidsskriftet Interface Focus .
"Einstein er kjent for å ha sagt at alt burde gjøres så enkelt som mulig, men ikke enklere, " skriver de. "Det viser seg at kompleksiteten har sin plass, og så praktisk som det ville være for kreftbiologer å studere tumorceller isolert, er det så mye fornuftig som å prøve å forstå frosker uten å tenke på at de har en tendens til å bo i nærheten av sumper og fest på insekter. .”
Vi har en tendens til å tenke på kreft bare når det gjelder muterte celler, fortsetter forfatterne. Men å ta i bruk denne smale tilnærmingen er som å prøve å forstå hvorfor en frosk har en klissete tunge uten å ta hensyn til at frosker bruker tungene sine for å fange insekter. Kreftceller trenger også kontekst. En glupsk kreftcelle, for eksempel, kan plassere seg ved siden av et blodkar ikke ved en tilfeldighet, men slik at den kan få mer næringsstoffer og oksygen for å støtte dens ubegrensede inndeling.
Kreftceller må konkurrere i kroppen om næringsstoffer og andre ressurser, akkurat som dyr som lever i et miljø må konkurrere med hverandre for å overleve. Dette betyr at kreft, som enhver organisme, må tilpasse seg sitt miljø for å trives. Forskerne forklarer:
Det begynner nå å være enighet om at kreft ikke bare er en genetisk sykdom, men den der evolusjonen spiller en avgjørende rolle. Dette betyr at tumorceller utvikler seg, tilpasser seg og endrer miljøet de lever i. De som ikke klarer det, vil til slutt bli utdødd. De som gjør det, vil ha en sjanse til å invadere og metastasere. En tumorcells kapasitet til å tilpasse seg et nytt miljø vil således bestemmes av miljøet og celleartene fra det opprinnelige stedet, som den allerede omhyggelig har tilpasset seg.
Så hvordan kan all denne teorien brukes i det virkelige liv? Miljøtilnærmingen til å forstå kreft er så kompleks at den utelukker normale eksperimenter; de kan lett gå galt med så mange forskjellige komponenter å vurdere. I stedet foreslår forskerne å vende seg til matematikk og beregning for å forstå den større miljømessige konteksten som fører til kreft. Økologer bruker en slik matematisk tilnærming, spillteori, som en måte å studere evolusjonsbiologi og måten dyr interagerer med:
Kraften til naturlig seleksjon holder økosystemborgerne fokusert på å optimalisere bunnlinjen: langsiktig reproduksjon. I spillene som er studert av evolusjonære spillteoretikere, konkurrerer individer om tilgjengelige ressurser ved å bruke en rekke strategier. Disse funksjonene og atferden, kjent som den fenotypiske strategien, bestemmer vinnere og tapere av evolusjonen.
Atferdsstrategier kan endres avhengig av både et dyrs natur og situasjonens kontekst. Her er et hypotetisk eksempel, basert på spillteoritankegang: Hvis to hyener graver seg inn i en stor, smakfull gnuerkadaver, vil de gjerne dele den ressursen. Men hvis to løver finner det samme kadaveret, vil de kjempe for eksklusive rettigheter til å spise det, noe som betyr at den ene løven kommer seirende ut og tar alle kjøttfulle bytte, mens den andre ikke får mat - pluss er skadet. Til slutt, hvis en løve møter en hyene ved kadaveret, vil hyene boltre seg, og overgi varene sine til den sterkere løven. Spillteoriespillere kan med andre ord reagere på en av tre måter, avhengig av hvem de er og hva som skjer: de kan dele, kjempe eller forspille.
Som en skår av klar kuttet jungel eller en invasiv art som sakte sprer seg og etterlater et spor etter skader i kjølvannet, påvirker og blir svulster, som den ovenfor, påvirket av vevet i det omkringliggende miljøet. Foto av Flickr-bruker Ed Uthman
Lignende spill kan spilles med tumorceller. "Et godt eksempel vil være en svulst med celler som beveger seg bort når de blir konfrontert med knappe ressurser (motil) og celler som blir igjen for å bruke dem (proliferativ), " skriver forfatterne. For å gjøre ting enda mer komplisert er det imidlertid kjent at tumorceller endrer oppførsel når de spredes og metastaserer i hele kroppen, noe som betyr at de kan bytte fra en hyene til en løve.
En avgjørende ting som spillteori på et økosystemnivå viser oss, fortsetter de, er at vilkårlig fokusering på å drepe så mange tumorceller som muligens ikke gir det beste resultatet for pasienten. I følge spillteorimodeller, avhenger det endelige resultatet av spillet av spesifikke interaksjoner mellom spillerne, ikke av antall involverte spillere. Lions vil fortsette å kjempe mot hverandre, uansett om to løver eller 2000 løver møtes. En behandling som utelukkende er basert på vilkårlig fjerning av de fleste (men ikke alle) kreftceller, kan bare ha en midlertidig effekt; som i de fleste tilfeller vil det opprinnelige antallet tumorceller etter hvert bli gjenopprettet og overskredet, ”skriver forfatterne.
I stedet indikerer spillteori at et mer effektivt alternativ ville være basert på å prøve å endre måtene celler interagerer med hverandre og med omgivelsene. Dette kan påvirke cellers atferd, styrke og reproduksjonssuksess, forklarer forfatterne, noe som kan føre til en svulstutvikling mot mindre aggressive celletyper, eller til en mer stabil sameksistens med ikke-kreftceller.
"Økosystembildet er til syvende og sist en helhetlig som ser på kreftprogresjon som en prosess som kommer ut av samspillet mellom flere cellulære arter og interaksjoner med tumormikromiljøet, " skriver forfatterne. "Et økosystemperspektiv gir oss spennende implikasjoner, " sier de sammen med en rekke spørsmål om hvor langt analogien mellom økosystemer og kreft kan tas.
Hvis for eksempel kreftceller sprer seg som en invasiv art gjennom et økosystem, hvilken evolusjonsgevinst oppnås når det lukkede økosystemet (et legeme) er uopprettelig skadet (gjennom en persons død) slik at pestilensen også dør? I motsetning til et virus, som kan drepe verten, men spres til andre verter i prosessen, har kreftceller selv for det meste ingen midler til å spre seg fra individ til individ. Og tar kreftceller signalene fra prosesser drevet av konkurranse eller fra samarbeid? Kan man tenke mer proaktivt, kan ikke-kreftceller utløses slik at de oppfører seg som løver og bruker ressursene til kreftceller til kreften er håndterbar?
Selv om økologi og matematikk sannsynligvis ikke vil beseire kreft på egenhånd, kan det å se sykdommen fra dette perspektivet gjøre det mulig for leger å bedre forutsi hvor i kroppen tumorceller har de beste og verste sjansene for å overleve, og hvordan de effektivt kan forhindre dem i å spre seg.
"Hjertet med saken er at et økologisk syn på svulster ikke ugyldiggjør men kompletterer og bygger på flere tiår med kreftforskning, og utvilsomt vil dette føre til en bedre forståelse av kreftens biologi og til nye og forbedrede terapier, " konkluderer forskerne. . "Vi trenger å forstå trærne (f.eks. Hvert blad, kvist og gren) ordentlig før vi kan forstå skogen, men vi har ikke råd til å ignorere skogen fordi trærne er så interessante på egen hånd."
