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癌症攻坚:物理学家能做些什么

来源:中国科学报 作者: 2012-12-4

摘要: 若物理学家善用“立体”、“系统”的思维习惯,就可能从炎症微环境与微生物菌群相互作用的角度找到炎症刺激与肿瘤发生的“蛛丝马迹”。■曾庆平尽管1975~2005年间美国食品和药品监督管理局批准的抗癌药物多达59种,美国在癌症研究上投入的经费高达2000亿美元,但癌症死亡率却始终维持在2‰基本不变。11月22日出版的《自然......


开栏的话:生物产业的发展,涉及诸多学科。各学科的发展,都可能会对生命科学、生物技术及其产业产生直接或间接的影响。因而,介绍各相关学科目前的发展情况或研发思路,将对生物产业的相关人士有所启发。从本期开始,本刊将陆续邀约相关专家撰写学科述评,以飨读者。

 

若物理学家善用“立体”、“系统”的思维习惯,就可能从炎症微环境与微生物菌群相互作用的角度找到炎症刺激与肿瘤发生的“蛛丝马迹”。

 

■曾庆平

 

尽管1975~2005年间美国食品和药品监督管理局批准的抗癌药物多达59种,美国在癌症研究上投入的经费高达2000亿美元,但癌症死亡率却始终维持在2‰基本不变。

 

11月22日出版的《自然》杂志推出“展望”专栏,以《物理学家对付癌症》为题收入十几篇评论文章及背景文稿,集中介绍了在生命科学家与癌症搏斗陷入进退维谷之际,物理学家如何介入癌症研究。

 

为何邀请“外行”参与癌症研究?难道由生命科学家主导的癌症攻坚之路走偏了?物理学家能否在癌症的诊断与治疗策略上完成纠偏?

 

路越走越窄

 

应该说,由生命科学家主导的癌症攻坚之路这些年来已经越走越窄了!究其原因,关键在于至今还没有找到癌症的起因,有人说癌细胞起源于干细胞,也有人说癌干细胞来自癌细胞,但癌细胞究竟如何起源仍然完全不清楚。不难想象,一个不明病因的疾病何以做到既能“治标”又能“治本”?

 

其次,癌症的治疗一是手术切除,二是放疗,三是化疗,其总的治则是根除癌细胞。可是,无论何种治法,病灶消失后,病因未消除,复发就是必然的。

 

另外,化疗药无靶向性,不仅无法根除癌细胞,而且还诱发癌细胞产生抗药性,最终必然让癌症患者陷入无可救药、万劫不复的境地。

 

当然,最重要的原因还在于生命科学家缺乏物理学家的立体思维。那么,在此癌症攻坚之战中,物理学家可以有何作为呢?

 

攻坚需要“新思维”

 

40年前的癌症研究一直由物理学家与生命科学家共同承担,德国伦琴发现X射线、法国维拉德发现γ射线、居里夫人因发现镭而获得诺贝尔奖后,放疗(包括伽马刀)就成为癌症的常规治法并沿用至今,但此后癌症的研究方向逐渐转向分子生物学、遗传学和细胞学而与物理学分道扬镳了。

 

尽管如此,物理学家仍然关注癌症。在美国圣塔芭芭拉的Kavli理论物理学研究所,每年都会举行10场物理学领域的前沿讨论会,时间长达两到三个月。今年5月21日至7月13日举行的研讨会主题是“癌症的物理学与数学”。

 

据物理学与癌症网站介绍,今年以来,物理学家们已在世界各地组织了5场专题研讨会,最近的一次是11月份的“癌症的药物与免疫抗性理论基础”小型会议。

 

据去年《自然》杂志发表的《物理学遭遇癌症:破解者》一文介绍,理论物理学家保罗·戴维斯在他65岁那年,接到时任美国癌症研究所副所长的安娜·巴克女士的一通电话,邀请他参加一个“抗癌战争”的研讨会并发表主旨演讲,以便让肿瘤学家与物理学家碰出些新思维的“火花”。

 

巴克组织的这个研讨会最终促成了美国在2009年底成立12个物理学—肿瘤学中心,而戴维斯就是其中一个中心——“超越”科学基本概念中心的负责人,并且还是“物理学遭遇癌症”总体项目的主要参与者。

 

最近,戴维斯与澳大利亚国立大学的查尔斯·莱恩威弗合作,以进化观点为基础,发展了一个关于癌症的新理论——返祖假说。他们认为,癌症可能是一种古老生命形式的复苏。戴维斯说:“变异的积累破坏了后生动物进化过程中的基因调控,因此重新激活一种用于预编程行为的古老的基因工具箱。”

 

物理学家看“癌”:旁观者清  

在物理学家看来,以往的癌症研究过分注重基因“细节”,反而忽略了“主体”,人们不知道“生命机器”的崩溃究竟是哪儿出了错?事实上,如今有关肿瘤的基因组、转录物组、蛋白质组、代谢物组数据堪称海量,但它们并未帮助生物学家彻底厘清肿瘤发生的头绪。

 

来自美国佛罗里达的整合数学、放射学、肿瘤学家罗伯特·葛特柏却不以为然。他反驳道:“对控制生物社会原则的了解不一定需要——甚至可以忽略——遗传学。”为此,他还以穴居鱼类为例,说明复杂的基因数据代替不了简单而直观的生物学观察。

 

许多癌症教科书都开宗明义地写道:“癌症是一种基因疾病。”但是,物理学家认为,癌症并非基因突变所致,而是一种发育病,其扩散是受作用于细胞的物理力影响的结果。在生物体内,细胞无时无刻不被暴露在物理力的作用之下,如收缩力、舒张力、流体静压力和机械剪切力等。

 

为此,他们倡议创立癌症力学及物理肿瘤学,专门致力于研究癌细胞分裂、互作、信号、运动和接触,从生物学家不擅长的三维角度阐释肿瘤浸润和转移的机理。

 

如何大显身手

 

纳米给药工具:用纳米技术制造的药物载体能将化疗药物准确地运送到病灶部位(器官靶向)。一种新发明的“通讯化疗”方法如下:1)给肿瘤注射金纳米棒;2)施加电磁波;3)纳米棒加热肿瘤;4)热量导致信号级联引起血液凝聚;5)载药纳米颗粒注射入血受信号级联吸引向肿瘤集中。

 

单细胞成像:基于物理学原理的诊断工具能在发病早期鉴定肿瘤所在。一种新型单细胞诊断工具——Cell-CT癌扫描系统的工作过程为:1)包埋在凝胶内的细胞依次通过玻璃毛细管;2)随着玻管旋转,每个细胞从各个角度被扫描,生成一套连续图像;3)计算机程序将全部图像合成细胞三维影像;4)根据最终细胞三维影像分析癌细胞的结构异常。

 

细胞弹性测定:让肿瘤细胞沿着一个两侧安装激光器及下层配备摄像头的通道移动,受两束方向相反的激光照射及离开激光束照射区后,细胞将发生从压缩到松弛的形态变化,从留下系列活动图像可判断肿瘤进展程度并预测实体瘤浸润及转移倾向。通常细胞弹性(收缩性)大小预示肿瘤进展期晚近,细胞越柔软,转移倾向越强。处于G1期的乳腺瘤细胞的弹性与正常乳腺细胞相近,而G3-细胞弹性增强,G3+细胞弹性最强。

 

肿瘤增殖数字模拟:计算机模拟有助于更好地理解癌症研究中物理学、基因学和细胞学的相互作用。数学模型可以预测肿瘤的发展趋势(滋生抗药性或肿瘤转移倾向)以及提供最有效的给药方案(防止复发和恶化)。

 

物理学家的介入目前只能改良癌症的诊断和治疗效果,还不能治愈癌症。人类要彻底打败癌症,必须发起一场突破性思维革命,其前提就是首先回答癌症发生的根源是什么?

 

若物理学家善用“立体”、“系统”的思维习惯,就可能从炎症微环境与微生物菌群相互作用的角度找到炎症刺激与肿瘤发生的“蛛丝马迹”。

 

聪明的物理学家们,挽救癌症患者的生命,你们准备好了吗?

 

(作者系广州中医药大学教授,美国植物生物学者学会会员)


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