癌癥攻堅(jiān)：物理學(xué)家能做些什么
2012-12-05
若物理學(xué)家善用“立體”、“系統(tǒng)”的思維習(xí)慣，就可能從炎癥微環(huán)境與微生物菌群相互作用的角度找到炎癥刺激與腫瘤發(fā)生的“蛛絲馬跡”。
盡管1975-2005年間美國(guó)食品和藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的抗癌藥物多達(dá)59種，美國(guó)在癌癥研究上投入的經(jīng)費(fèi)高達(dá)2000億美元，但癌癥死亡率卻始終維持在2‰基本不變。
11月22日出版的《自然》雜志推出“展望”專欄，以《物理學(xué)家對(duì)付癌癥》為題收入十幾篇評(píng)論文章及背景文稿，集中介紹了在生命科學(xué)家與癌癥搏斗陷入進(jìn)退維谷之際，物理學(xué)家如何介入癌癥研究。
為何邀請(qǐng)“外行”參與癌癥研究？難道由生命科學(xué)家主導(dǎo)的癌癥攻堅(jiān)之路走偏了？物理學(xué)家能否在癌癥的診斷與治療策略上完成糾偏？
路越走越窄
應(yīng)該說(shuō)，由生命科學(xué)家主導(dǎo)的癌癥攻堅(jiān)之路這些年來(lái)已經(jīng)越走越窄了！究其原因，關(guān)鍵在于至今還沒有找到癌癥的起因，有人說(shuō)癌細(xì)胞起源于干細(xì)胞，也有人說(shuō)癌干細(xì)胞來(lái)自癌細(xì)胞，但癌細(xì)胞究竟如何起源仍然完全不清楚。不難想象，一個(gè)不明病因的疾病何以做到既能“治標(biāo)”又能“治本”？
其次，癌癥的治療一是手術(shù)切除，二是放療，三是化療，其總的治則是根除癌細(xì)胞?？墒?，無(wú)論何種治法，病灶消失后，病因未消除，復(fù)發(fā)就是必然的。
另外，化療藥無(wú)靶向性，不僅無(wú)法根除癌細(xì)胞，而且還誘發(fā)癌細(xì)胞產(chǎn)生抗藥性，最終必然讓癌癥患者陷入無(wú)可救藥、萬(wàn)劫不復(fù)的境地。
當(dāng)然，最重要的原因還在于生命科學(xué)家缺乏物理學(xué)家的立體思維。那么，在此癌癥攻堅(jiān)之戰(zhàn)中，物理學(xué)家可以有何作為呢？
攻堅(jiān)需要“新思維”
40年前的癌癥研究一直由物理學(xué)家與生命科學(xué)家共同承擔(dān)，德國(guó)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、法國(guó)維拉德發(fā)現(xiàn)γ射線、居里夫人因發(fā)現(xiàn)鐳而獲得諾貝爾獎(jiǎng)后，放療（包括伽馬刀）就成為癌癥的常規(guī)治法并沿用至今，但此后癌癥的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和細(xì)胞學(xué)而與物理學(xué)分道揚(yáng)鑣了。
盡管如此，物理學(xué)家仍然關(guān)注癌癥。在美國(guó)圣塔芭芭拉的Kavli理論物理學(xué)研究所，每年都會(huì)舉行10場(chǎng)物理學(xué)領(lǐng)域的前沿討論會(huì)，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩到三個(gè)月。今年5月21日至7月13日舉行的研討會(huì)主題是“癌癥的物理學(xué)與數(shù)學(xué)”。
據(jù)物理學(xué)與癌癥網(wǎng)站介紹，今年以來(lái)，物理學(xué)家們已在世界各地組織了5場(chǎng)專題研討會(huì)，最近的一次是11月份的“癌癥的藥物與免疫抗性理論基礎(chǔ)”小型會(huì)議。
據(jù)去年《自然》雜志發(fā)表的《物理學(xué)遭遇癌癥：破解者》一文介紹，理論物理學(xué)家保羅·戴維斯在他65歲那年，接到時(shí)任美國(guó)癌癥研究所副所長(zhǎng)的安娜·巴克女士的一通電話，邀請(qǐng)他參加一個(gè)“抗癌戰(zhàn)爭(zhēng)”的研討會(huì)并發(fā)表主旨演講，以便讓腫瘤學(xué)家與物理學(xué)家碰出些新思維的“火花”。
巴克組織的這個(gè)研討會(huì)最終促成了美國(guó)在2009年底成立12個(gè)物理學(xué)—腫瘤學(xué)中心，而戴維斯就是其中一個(gè)中心——“超越”科學(xué)基本概念中心的負(fù)責(zé)人，并且還是“物理學(xué)遭遇癌癥”總體項(xiàng)目的主要參與者。
最近，戴維斯與澳大利亞國(guó)立大學(xué)的查爾斯·萊恩威弗合作，以進(jìn)化觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，發(fā)展了一個(gè)關(guān)于癌癥的新理論——返祖假說(shuō)。他們認(rèn)為，癌癥可能是一種古老生命形式的復(fù)蘇。戴維斯說(shuō)：“變異的積累破壞了后生動(dòng)物進(jìn)化過程中的基因調(diào)控，因此重新激活一種用于預(yù)編程行為的古老的基因工具箱?！?
物理學(xué)家看“癌”：旁觀者清
在物理學(xué)家看來(lái)，以往的癌癥研究過分注重基因“細(xì)節(jié)”，反而忽略了“主體”，人們不知道“生命機(jī)器”的崩潰究竟是哪兒出了錯(cuò)？事實(shí)上，如今有關(guān)腫瘤的基因組、轉(zhuǎn)錄物組、蛋白質(zhì)組、代謝物組數(shù)據(jù)堪稱海量，但它們并未幫助生物學(xué)家徹底厘清腫瘤發(fā)生的頭緒。
來(lái)自美國(guó)佛羅里達(dá)的整合數(shù)學(xué)、放射學(xué)、腫瘤學(xué)家羅伯特·葛特柏卻不以為然。他反駁道：“對(duì)控制生物社會(huì)原則的了解不一定需要——甚至可以忽略——遺傳學(xué)。”為此，他還以穴居魚類為例，說(shuō)明復(fù)雜的基因數(shù)據(jù)代替不了簡(jiǎn)單而直觀的生物學(xué)觀察。
許多癌癥教科書都開宗明義地寫道：“癌癥是一種基因疾病?！钡?，物理學(xué)家認(rèn)為，癌癥并非基因突變所致，而是一種發(fā)育病，其擴(kuò)散是受作用于細(xì)胞的物理力影響的結(jié)果。在生物體內(nèi)，細(xì)胞無(wú)時(shí)無(wú)刻不被暴露在物理力的作用之下，如收縮力、舒張力、流體靜壓力和機(jī)械剪切力等。
為此，他們倡議創(chuàng)立癌癥力學(xué)及物理腫瘤學(xué)，專門致力于研究癌細(xì)胞分裂、互作、信號(hào)、運(yùn)動(dòng)和接觸，從生物學(xué)家不擅長(zhǎng)的三維角度闡釋腫瘤浸潤(rùn)和轉(zhuǎn)移的機(jī)理。
如何大顯身手
納米給藥工具：用納米技術(shù)制造的藥物載體能將化療藥物準(zhǔn)確地運(yùn)送到病灶部位（器官靶向）。一種新發(fā)明的“通訊化療”方法如下：1）給腫瘤注射金納米棒；2）施加電磁波；3）納米棒加熱腫瘤；4）熱量導(dǎo)致信號(hào)級(jí)聯(lián)引起血液凝聚；5）載藥納米顆粒注射入血受信號(hào)級(jí)聯(lián)吸引向腫瘤集中。
單細(xì)胞成像：基于物理學(xué)原理的診斷工具能在發(fā)病早期鑒定腫瘤所在。一種新型單細(xì)胞診斷工具——Cell-CT癌掃描系統(tǒng)的工作過程為：1）包埋在凝膠內(nèi)的細(xì)胞依次通過玻璃毛細(xì)管；2）隨著玻管旋轉(zhuǎn)，每個(gè)細(xì)胞從各個(gè)角度被掃描，生成一套連續(xù)圖像；3）計(jì)算機(jī)程序?qū)⑷繄D像合成細(xì)胞三維影像；4）根據(jù)最終細(xì)胞三維影像分析癌細(xì)胞的結(jié)構(gòu)異常。
細(xì)胞彈性測(cè)定：讓腫瘤細(xì)胞沿著一個(gè)兩側(cè)安裝激光器及下層配備攝像頭的通道移動(dòng)，受兩束方向相反的激光照射及離開激光束照射區(qū)后，細(xì)胞將發(fā)生從壓縮到松弛的形態(tài)變化，從留下系列活動(dòng)圖像可判斷腫瘤進(jìn)展程度并預(yù)測(cè)實(shí)體瘤浸潤(rùn)及轉(zhuǎn)移傾向。通常細(xì)胞彈性（收縮性）大小預(yù)示腫瘤進(jìn)展期晚近，細(xì)胞越柔軟，轉(zhuǎn)移傾向越強(qiáng)。處于G1期的乳腺瘤細(xì)胞的彈性與正常乳腺細(xì)胞相近，而G3-細(xì)胞彈性增強(qiáng)，G3+細(xì)胞彈性最強(qiáng)。
腫瘤增殖數(shù)字模擬：計(jì)算機(jī)模擬有助于更好地理解癌癥研究中物理學(xué)、基因?qū)W和細(xì)胞學(xué)的相互作用。數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測(cè)腫瘤的發(fā)展趨勢(shì)（滋生抗藥性或腫瘤轉(zhuǎn)移傾向）以及提供最有效的給藥方案（防止復(fù)發(fā)和惡化）。
物理學(xué)家的介入目前只能改良癌癥的診斷和治療效果，還不能治愈癌癥。人類要徹底打敗癌癥，必須發(fā)起一場(chǎng)突破性思維革命，其前提就是首先回答癌癥發(fā)生的根源是什么？
若物理學(xué)家善用“立體”、“系統(tǒng)”的思維習(xí)慣，就可能從炎癥微環(huán)境與微生物菌群相互作用的角度找到炎癥刺激與腫瘤發(fā)生的“蛛絲馬跡”。
聰明的物理學(xué)家們，挽救癌癥患者的生命，你們準(zhǔn)備好了嗎？
（曾慶平：廣州中醫(yī)藥大學(xué)教授，美國(guó)植物生物學(xué)者學(xué)會(huì)會(huì)員）
