癌癥攻堅：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年間美國食品和藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的抗癌藥物多達59種，美國在癌癥研究上投入的經(jīng)費高達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)家對付癌癥》為題收入十幾篇評論文章及背景文稿，集中介紹了在生命科學(xué)家與癌癥搏斗陷入進退維谷之際，物理學(xué)家如何介入癌癥研究。
為何邀請“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，由生命科學(xué)家主導(dǎo)的癌癥攻堅之路這些年來已經(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，有人說癌細胞起源于干細胞，也有人說癌干細胞來自癌細胞，但癌細胞究竟如何起源仍然完全不清楚。不難想象，一個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胞?？墒?，無論何種治法，病灶消失后，病因未消除，復(fù)發(fā)就是必然的。
另外，化療藥無靶向性，不僅無法根除癌細胞，而且還誘發(fā)癌細胞產(chǎn)生抗藥性，最終必然讓癌癥患者陷入無可救藥、萬劫不復(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，在此癌癥攻堅之戰(zhàn)中，物理學(xué)家可以有何作為呢？
攻堅需要“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)，德國倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、法國維拉德發(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)和細胞學(xué)而與物理學(xué)分道揚鑣了。
盡管如此，物理學(xué)家仍然關(guān)注癌癥。在美國圣塔芭芭拉的Kavli理論物理學(xué)研究所，每年都會舉行10場物理學(xué)領(lǐng)域的前沿討論會，時間長達兩到三個月。今年5月21日至7月13日舉行的研討會主題是“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，物理學(xué)家們已在世界各地組織了5場專題研討會，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，接到時任美國癌癥研究所副所長的安娜·巴克女士的一通電話，邀請他參加一個“抗癌戰(zhàn)爭”的研討會并發(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”。
巴克組織的這個研討會最終促成了美國在2009年底成立12個物理學(xué)—腫瘤學(xué)中心，而戴維斯就是其中一個中心——“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”總體項目的主要參與者。
最近，戴維斯與澳大利亞國立大學(xué)的查爾斯·萊恩威弗合作，以進化觀點為基礎(chǔ)，發(fā)展了一個關(guān)于癌癥的新理論——返祖假說。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：“變異的積累破壞了后生動物進化過程中的基因調(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，以往的癌癥研究過分注重基因“細節(jié)”，反而忽略了“主體”，人們不知道“生命機器”的崩潰究竟是哪兒出了錯？事實上，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。
來自美國佛羅里達的整合數(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：“對控制生物社會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，說明復(fù)雜的基因數(shù)據(jù)代替不了簡單而直觀的生物學(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，其擴散是受作用于細胞的物理力影響的結(jié)果。在生物體內(nèi)，細胞無時無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胞分裂、互作、信號、運動和接觸，從生物學(xué)家不擅長的三維角度闡釋腫瘤浸潤和轉(zhuǎn)移的機理。
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)致信號級聯(lián)引起血液凝聚；5）載藥納米顆粒注射入血受信號級聯(lián)吸引向腫瘤集中。
單細胞成像：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)的細胞依次通過玻璃毛細管；2）隨著玻管旋轉(zhuǎn)，每個細胞從各個角度被掃描，生成一套連續(xù)圖像；3）計算機程序?qū)⑷繄D像合成細胞三維影像；4）根據(jù)最終細胞三維影像分析癌細胞的結(jié)構(gòu)異常。
細胞彈性測定：讓腫瘤細胞沿著一個兩側(cè)安裝激光器及下層配備攝像頭的通道移動，受兩束方向相反的激光照射及離開激光束照射區(qū)后，細胞將發(fā)生從壓縮到松弛的形態(tài)變化，從留下系列活動圖像可判斷腫瘤進展程度并預(yù)測實體瘤浸潤及轉(zhuǎn)移傾向。通常細胞彈性（收縮性）大小預(yù)示腫瘤進展期晚近，細胞越柔軟，轉(zhuǎn)移傾向越強。處于G1期的乳腺瘤細胞的彈性與正常乳腺細胞相近，而G3-細胞彈性增強，G3+細胞彈性最強。
腫瘤增殖數(shù)字模擬：計算機模擬有助于更好地理解癌癥研究中物理學(xué)、基因?qū)W和細胞學(xué)的相互作用。數(shù)學(xué)模型可以預(yù)測腫瘤的發(fā)展趨勢（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，美國植物生物學(xué)者學(xué)會會員）
