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在和蒂伯·安塔尔以及塞尔维亚数学家伊瓦那·波西奇(Ivana Bozic)共同展开的联合项目中,我与伯特·沃格尔斯坦联手进行研究,以了解在不断扩大的癌细胞群体中如何产生突变、并进一步推动疾病总体进程的原因。我们研究了腺瘤、癌瘤和肿瘤转移的发展过程,并在针对每一种加速肿瘤增长速度的驱动性突变的研究之中,都利用上了数学模型。
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第一次驱动突变促成了肿瘤在最初阶段的扩张。但是,其是否具有致命的毁灭性还要看第二次驱动突变何时开始出现。在我们用数字构建起来的几位“患者”身上,第二次突变会在一两年之内发生。这些虚拟病人身上都长有巨大的肿瘤,许多突变会在第一次突变发生后的十年内出现。这是快速而致命的疾病发展过程。但在另一些患者身上,第二次突变可能在长达八年之后才会发生。在这种情况下,肿瘤可以在十年或更长的时间内都保持较小的体积。而其致命性,就要看进化的随机选择了。我们都离不开体内细胞的持久合作。如果身体内部的合作出现问题,就是关乎生死的大事。
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治疗癌症的新思路,就是如何让细胞间恢复合作
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为了找到对治癌症的新方法,我们可以拜大自然为师。对于我们体内的任何细胞而言,最基本的本能就是分裂。而成百上千万年的进化已经形成了一些富有智慧的机制,能对这些自私的本能起到一定的阻碍作用,令我们的细胞能抵抗癌症这种致命的残害。一些基因会不知疲倦地工作,确保细胞的遗传物质——染色体不出差错。还有一些基因会保证细胞整洁有序地进行分裂。绝大多数细胞都会不断地收集来自邻居的信号,在正常运转的情况下向邻居表示肯定和支持。如果细胞得不到这些以化学信号表现出来的肯定与支持信息,就可能会选择自杀,也就是细胞凋亡。举例来说,如果一个肝细胞进入流动的血液,来到了身体的其他部位,就会得到错误的信号,并启动自我毁灭程序。我们可以认为,整个人体就是一个蜂房,而这些信号就等同于群体压力,令细胞遵守规则,做正确的事。
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还有其他一些机制在保护我们免受肿瘤威胁。有证据显示,人体中存在着“免疫监督”。也就是说,早期的癌症端倪可以在免疫系统的运转和作用下被发现并及时制止。有一种被称为“T细胞”的特殊白细胞,会在人体组织内循环之时,识别并破坏癌细胞。然而,随着时间的发展,肿瘤细胞会在适者生存的达尔文定律作用下被选择,从而忽略T细胞的攻击,并最终排挤掉所有的保护机制。
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进化充分展现出了她博大的智慧,用我们了解到的这些方式,想尽办法来避免并推迟癌症的发生。进化利用层级式的细胞排列来构建起我们人体。这些层级体系的统治者,就是我们称为干细胞的那些分裂速度较慢、生命周期较长的母细胞。这就是王权在细胞结构中的体现。干细胞产出更多的分化细胞宗族,而这些分化细胞则会以更快的速度进行分裂,而生命周期也更短。
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举例来说,我们人体中的血细胞——红细胞、白细胞以及血小板,是从骨髓,也就是骨头中间海绵状结构中的造血干细胞处产生的。像皮肤这样的人体结构,只需要很少的专门负责皮肤的干细胞。这些为数不多的干细胞会制造出起到中间过度作用的中间细胞,而这些中间细胞则会负责皮肤细胞的制造工作,而皮肤细胞本身则没有复制能力。我们之所以能长寿,很大一部分原因就在于这样的机制与设计。如果我们将人类的寿命与构建起人体基础单元的存在时长相比较,就会发现,人类的寿命的确很长。人体内一个细胞要完成分裂,通常只需要几天的时间。
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这些见解可以帮助医生进行病情诊断,并发展出新的治疗手法,诸如免疫疗法等。在免疫治疗过程中,患者体内的抗癌免疫机制会更加有效。通过对根本原理的了解,进化生物学能帮助患者打赢这场对抗背叛细胞的战争。昆虫、鸟类、翼龙、蝙蝠分别进化出了翅膀,而它们并没有同一个长着翅膀的祖先。同样,各种不同的癌细胞都能排挤掉新型药物,而导致细胞合作解体的原因也是相通的。通过了解这些不和谐的细胞关系,我们就能看明白:导致细胞变得自私并出现癌变的原因究竟是什么。
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归根结底,治愈癌症还要靠我们对人体环境的进一步了解。这样,我们就能对环境进行设计,从而阻止细胞合作的解体,并利用遗传工程等先进的治疗手段,恢复合作,甚至要在细胞内部构建起额外的控制机制,确保细胞不会走上自私的歧途。
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法国诗人、画家、电影制片人让·科克托(Jean Coteau)曾这样说道:“你从来没见过死亡吗?每天照照镜子,你就能看见死亡像一群玻璃蜂巢里的蜜蜂一样,正在繁忙工作。”到此,我已经讲述了我们称为人体的这个细胞蜂巢中发生癌症的可怕结果。我也就这些细胞蜜蜂重拾单细胞祖先传统、放弃合作、与人体做对的现象进行了建模。我希望通过从进化的角度来对肿瘤的发展和扩散进行解释,可以帮助医疗工作者设计出新颖的癌症治疗手段,可以令细胞再一次回到通力合作的状态。如果我们能延长并持续保持人体内细胞健康合作的关系,就能极大地削弱癌症带来的威胁。
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超级合作者 她,是合作模式的女掌门,是数以百万计成员组成的社会中至高无上的统治者,是“齐心协力”最具说服力的演绎。切叶蚁的蚁后身长2.5厘米左右,卧在她那四处绵延的地下王国的中心地带。在西半球的热带地区,随处可见这种深红色的切叶蚊属蚂蚁。有的蚁穴规模非常庞大,由最长达8米的隧道、输送管道和小室组成的地下网络,能覆盖50平方米左右的区域。蚁穴周围堆积着数十吨土壤,这都是由那些体型比蚁后小得多的雌性臣民们挖掘出来的。在蚁后长达15年的统治生涯中,她手下300万短命的常住民会在几十项任务上进行分工,并以通力合作的精神开展工作。蚁后万岁,您就是合作的化身。
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在这些社会性昆虫所构成的巨大社会中,协作和交流是通过一种复杂的化学语言进行的。而社会本身远远大于各个组成部分的简单相加。这一社会的组织层级对应有7种不同体形的蚂蚁。不同的体形差别巨大,体重可以相差200倍,而头部的宽度可以相差8倍。总体上看,这7种级别的蚂蚁总共执行着约30种任务。
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其中一个级别的蚂蚁负责切剪树叶,这类蚂蚁的颚部肌肉占据了整个身体重量的四分之一。根据一些热带生态学家估计,切叶蚁群落在鼎盛时期,能采摘掉位于墨西哥和中南美洲的整个热带雨林中所有树叶的17%。只需要一天的时间,一个蚁穴中的成员就能将觅食之路踏平,并将一棵树的叶子全部采光。一年之中,某些品种的切叶蚁个体能采摘多达470公斤的干燥植物。
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另一个级别的蚂蚁能够利用水平的觅食隧道,将这树叶碎片运送回巢穴中。隧道如同蚂蚁的高速公路,长度可达6米,甚至更长。第三种级别的蚂蚁,在装配线式的运作过程中将树叶裁切成小方块。但是,蚂蚁本身并不食用自己采摘的树叶。通过将富有消化酶的分泌物涂抹在叶片上,它们能将这些切成小片的树叶转变成为培养菌类的堆肥。工蚁将菌类富有营养的成串节状体拔下来,用来喂养群落中的蚂蚁幼虫。切叶蚁,就是一群爱好和平的“蘑菇种植专业户”。
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很有意思的是,如果没有这种白鬼伞属菌类,切叶蚁群落就无法生存,而这种菌类也只能在切叶蚁的巢穴中找到。切叶蚁并不收集生长于地面的菌类,而是自己在地下的小室中种植蘑菇。蘑菇的体积可以和一个橄榄球相比。总体来看,一个切叶蚁穴有大约1 000个这样的地下小室。身材最小的一类蚂蚁负责照料蘑菇花园,并利用制造抗菌素的细菌来确保作物的健康生长。它们还会为花园除草,摘除争抢养分的其他菌类,并将花园保持在理想的弱酸性环境之中。如此看来,蚂蚁群落的农场依赖于三者之间的合作:蚂蚁、细菌和蘑菇。
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因为有了这种菌类赋予的消化能力,蚂蚁幼虫就能享用到这些原本味同嚼蜡的热带树叶所提供的养分,而且不会受到热带树叶本身含有的萜类化合物和植物碱等防御食叶昆虫的化学物质的伤害。这些蚂蚁能年复一年地栽培单一作物,同时还能保证作物的健康。它们以非常谨慎的方式使用抗生素,完全不用担心会发生人类医药领域中某些疾病产生抗生素抗药性的问题。
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蚁穴中的工作原则之一,就是将风险更大的工作交与年事已高、即将不久于人世的工蚁,这些工作包括垃圾清扫和巢穴防御。如果群落受到骚扰,兵蚁就会倾巢出动,摆出压倒侵略者的阵势。我们人类通常会将年轻的男性送上战场,而蚂蚁社会则是一群老奶奶上阵。兵蚁是由年长雌性蚂蚁组成的,其中每一位的头部都有3毫米宽,还长有发育健全的颚部。它们一口咬下去,就能刺穿人类的皮肤。它们的下颌非常坚韧,美洲土著居民常用蚂蚁的下颌作为缝合伤口的连接线。
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