Афина Актипис - Клетка-предатель. Откуда взялся рак и почему его так трудно вылечить

Поведение раковых клеток может привести к трагедии общих ресурсов. Те из них, которые быстро размножаются и быстро потребляют ресурсы, обладают краткосрочным преимуществом перед теми, которые ведут себя более сдержанно. Иногда клетки, злоупотребляющие своими локальными ресурсами, умирают либо из-за их полного истощения, либо из-за чрезмерного скопления отходов жизнедеятельности, которые они уже попросту не успевают выводить. В других случаях клетки находят выход из этого локального экологического кризиса, либо посылая сигналы на получение дополнительных ресурсов, как мы уже видели ранее, либо эволюционируя и получая способность мигрировать и колонизировать новые экологические ниши организма.

Основная идея теории расселения в экологии состоит в следующем: когда организмы эксплуатируют свою локальную среду обитания, это может привести к эволюционному давлению в пользу расселения — преимущество получают индивиды, способные находить новые места обитания. Этот же принцип применим и к эволюции раковых клеток. Когда клетки эксплуатируют локальные ресурсы, это дает эволюционное преимущество способным передвигаться, а также тем, которые более охотно перемещаются в ответ на плохие экологические условия.

Вдохновившись этим экологическим принципом, мы с коллегами создали компьютерную модель, чтобы понять, как чрезмерное расходование питательных веществ раковыми клетками может влиять на эволюцию клеточной подвижности. Мы смоделировали ткань с кровеносными сосудами, по которым к ним доставлялись ресурсы. Там были клетки, быстро потребляющие ресурсы (как это делают раковые клетки), и клетки, темп потребления которых был соизмерим с количеством поступающей крови (они представляли нормальные клетки). Мы хотели сравнить, как будет происходить эволюция клеточной подвижности в этих различных условиях, и понять, создают ли клетки, быстро потребляющие ресурсы, экологические условия, которые впоследствии способствуют их повышенной мобильности и миграции. Как и ожидалось, быстрое использование питательных веществ и разрушение среды обитания злокачественными клетками способствовало эволюции клеточной подвижности. В соответствии с теорией расселения, высокий уровень потребления ресурсов раковыми клетками приводит к естественному отбору клеток, способных к миграции.

Экологическая теория расселения имеет важное значение в понимании инвазии и процессе образования метастазов. После того как произошла инвазия опухоли, а тем более после формирования метастазов, лечить рак становится гораздо сложнее. Согласно нашей модели, клетки в ходе своей эволюции могут обрести подвижность на гораздо более ранней стадии развития опухоли, чем считалось ранее — задолго до появления явных признаков инвазии и метастазов. Эта модель демонстрирует, что для эволюции подвижных раковых клеток может быть попросту достаточно быстрого потребления ресурсов и разрушения локальной среды обитания. Это согласуется с некоторыми любопытными фактами о метастазах, например, что они часто образуются из раковых клеток в процессе ранней диссеминации, то есть покинувших опухоль на ранних стадиях ее развития. Это говорит о том, что клетки могут рано обретать способность к передвижению, в то время как последствия этой клеточной подвижности становятся очевидными лишь после инвазии опухоли и образования метастазов.

Эволюция расселения и формирование экологических ниш могут показаться диаметрально противоположными процессами: эволюция расселения происходит в результате разрушения среды обитания, в то время как создание экологических ниш несет созидательный характер. На самом же деле эти процессы идут рука об руку: разрушение среды обитания приводит к естественному отбору в пользу расселения, однако эффективная инвазия и колонизация новой среды обитания требуют активного формирования новых экологических ниш и сотрудничества между раковыми клетками. Чтобы преодолеть базальную мембрану, раковым клеткам необходимо совместными усилиями построить экологическую нишу на фронте инвазии опухоли — без этого им не преодолеть этот физический барьер нашего организма. Как мы уже видели ранее, инвазия зачастую требует от раковых клеток сотрудничества между собой для производства матриксных металлопротеиназ, которые разрушают базальную мембрану. Кроме того, раковые клетки могут «обмануть» сосудистую систему своими скоординированными электрическими сигналами, чтобы проникнуть через эндотелий (внутренняя оболочка кровеносных сосудов). Добравшись до кровотока, они могут путешествовать по всему телу и колонизировать новые ткани и системы органов.