Белки и птицы делают гнезда, кролики роют норы, бобры строят плотины, а пчелы – ульи. Подобно этим видам, преобразующим мир дикой природы, чтобы создать более благоприятные для себя условия, раковые клетки меняют внутренний мир нашего тела так, чтобы было проще выживать и размножаться. В экологии существует понятие создания экологических ниш, подразумевающее изменение организмами своей среды обитания, чтобы сделать ее более пригодной для жизни, богатой ресурсами и безопасной.
РАКОВЫЕ КЛЕТКИ – НАСТОЯЩИЕ МАСТЕРА СОЗДАНИЯ ТАКИХ НИШ: ОНИ МЕНЯЮТ СВОЕ ОКРУЖЕНИЕ, ПОСЫЛАЯ СИГНАЛЫ О ПЕРЕДАЧЕ РЕСУРСОВ, ЗАЩИЩАЯ СЕБЯ ОТ ИММУННОЙ СИСТЕМЫ И ИСПОЛЬЗУЯ РЯД ДРУГИХ СТРАТЕГИЙ.
Чтобы построить для себя экологическую нишу, раковым клеткам приходится преодолеть многие барьеры тканевой архитектуры и регуляции роста. Так, сначала им необходимо прорваться через базальную мембрану, служащую барьером между внутренней полостью органа и внешними тканями. Для преодоления преград раковым клеткам зачастую приходится сотрудничать друг с другом с целью выработки специальных факторов (под называнием матриксные металлопротеиназы), которые способствуют разрушению базальной мембраны. Кроме того, для преодоления этой оболочки и других тканей организма раковым клеткам необходимо координировать свои электрические сигналы. Также они могут использовать нормальные поддерживающие клетки, называемые стромальными, заставляя их работать себе во благо. Стромальные клетки могут создавать экологическую нишу для раковых клеток, вырабатывая факторы роста, переделывая тканевую архитектуру (например, за счет выработки коллагена, из-за которого опухоль на ощупь может напоминать узелок в эластичной ткани) и посылая сигналы на создание новых кровеносных сосудов. Таким образом, процесс построения ниши может включать извращенную форму клеточного сотрудничества между раковыми и нормальными клетками, «готовность» которых оказывать всяческую «помощь», свойственную нормальным клеткам, используют в своих корыстных целях клетки опухоли. Это одно из самых странных и увлекательных явлений, наблюдаемых в микроокружении опухоли – раковые клетки обманным путем эксплуатируют нормальные клетки организма, чтобы было проще выживать и делиться.
Одним из важнейших аспектов построения ниши при раке является формирование новых кровеносных сосудов для питания опухоли. Так как раковые клетки потребляют все локальные ресурсы, рост опухоли может быть ограничен из-за нехватки материалов для создания новых клеток. Кровь – отличный источник материала для строительства новых клеток, и раковые клетки в ходе своей эволюции учатся использовать кровеносные сосуды для поддержания роста опухоли, когда локальные запасы начинают истощаться.
Дефицит питательных веществ усиливает конкуренцию между клетками, равно как и способствует их сотрудничеству.
Он стимулирует эксплуатацию, однако также и открывает дорогу для инноваций. Так, люди построили сложнейшие инфраструктурные системы для получения и транспортировки ресурсов, чтобы им не приходилось ежедневно сталкиваться с их нехваткой.
Одним из самых удивительных примеров рукотворной инфраструктуры является ирригационная система, которую люди культуры Хохокам начали строить примерно в 600 году нашей эры. Это американские индейцы, обитавшие вдоль реки Соль в Аризоне – том самом месте, где теперь живу и работаю я. На протяжении примерно восьми веков они строили крупнейшую ирригационную систему, общая протяженность каналов которой составляла сотни миль. Палками-копалками они рыли траншеи, достигавшие до четырех метров в глубину, по которым вода попадала в удаленные от реки дома и фермы, где иначе людям было просто не выжить. Из-за отсутствия каких-либо письменных документов современным археологам остается только гадать, как именно они организовали строительство этого чуда инженерной мысли, а также как управляли этой системой доставки ресурсов, когда она была достроена.
Эффективное управление системой каналов представляет собой еще большую загадку, чем ее проектирование и строительство. Ирригационные каналы, подобные тем, что были построены людьми культуры Хохокам, связаны со множеством социальных дилемм, которые значительно усложняют эффективную координацию и сотрудничество участников. У каждого в системе может появиться соблазн взять себе больше воды, чем ему положено. Любой, находящийся выше по течению в ирригационной системе, может попросту открыть краны и монополизировать воду, почти ничего не оставив живущим вниз по течению людям. Кроме того, всегда имеет место соблазн иждивенчества за счет усилий людей, занимающихся созданием и обслуживанием системы. Эта проблема несколько отличается от недобросовестного открытия кранов. Вот почему так поразительно, что людям культуры Хохокам удавалось веками управлять огромной системой каналов и обслуживать ее.
Подобно системе каналов, построенной людьми, чтобы доставлять воду в дома, которые в ней нуждаются, в процессе нашего развития клетки, по сути, строят свою ирригационную систему для переноса крови по всему организму. Пока мы были в материнской утробе, специальные клетки, называемые эндотелиальными (клетки стенок наших кровеносных сосудов), проникли во все ткани тела, образовав сеть кровеносных сосудов для транспортировки и распределения ресурсов. Между тем эти кровеносные сосуды не статичны – они постоянно растут и меняются в зависимости от сигналов, получаемых от своего клеточного окружения. Так, например, сигналы к заживлению могут привести к усилению кровотока и даже к образованию новых сосудов. Эта система позволяет осуществлять динамичное управление ресурсами организма, доставляя кровь к клеткам, которые в ней нуждаются.
НАШ ОРГАНИЗМ – ЭТО ОСОБАЯ ЭКОСИСТЕМА, КОТОРАЯ БЫЛА СОЗДАНА МНОГОКЛЕТОЧНЫМ СООБЩЕСТВОМ В ПРОЦЕССЕ РАЗВИТИЯ, ЧТОБЫ ДОСТАВЛЯТЬ ПИТАТЕЛЬНЫЕ ВЕЩЕСТВА ВСЕМ КЛЕТКАМ, ИЗ КОТОРЫХ МЫ СОСТОИМ.
При нормальной работе она приносит ресурсы всем периферическим тканям, где клетки вырабатывают из них энергию, необходимую для выполнения своих функций и поддержания нашей жизнедеятельности. Когда все работает, как задумано, наш организм процветает. Это во многом напоминает систему каналов, которая доставляет воду в дома, где без нее не обойтись. Наш организм сродни такой хорошо функционирующей системе, состоящей из триллионов клеточных домиков, где успешно решены все социальные дилеммы, обычно делающие сотрудничество подобного масштаба невозможным. Проблема в том, что это равновесие шаткое, и если какие-то клетки внутри организма начнут злоупотреблять системой, то многоклеточное сообщество может начать разваливаться. Раковые клетки могут угрожать локальным экосистемам и многоклеточной инфраструктуре, в рамках которой растут. Они жадно черпают запасы из каналов нашей кровеносной системы, параллельно истощая все локальные ресурсы до полного разрушения окружающей их инфраструктуры.
В системе каналов, распределяющей воду между людьми, и сосудистой системе, распределяющей кровь по организму между клетками, недобросовестное поведение может представлять серьезную проблему. Раковые клетки «открывают краны», посылая сигналы, которые увеличивают проницаемость кровеносных сосудов, чтобы получить больше ресурсов, в результате чего клеткам, расположенным «ниже по течению», их достается меньше. Кроме того, раковые клетки иногда работают сообща, чтобы посылать сигналы существующим кровеносным сосудам и строить новые – подобно группе людей, которые объединяются, чтобы выкопать траншею и подключиться к построенной другими людьми системе каналов. Такое сотрудничество позволяет им более эффективно использовать запасы организма. Между тем оно зачастую недолговечно. Любые раковые клетки, которые ничего сами не делают, а просто пожинают плоды работы своих сородичей, получают преимущество перед более склонными к взаимодействию, которым приходится тратить дополнительные ресурсы на строительство новых кровеносных сосудов.
Когда раковые клетки начинают выкачивать запасы для собственных нужд, они не только лишают ресурсов нормальные клетки, но и ставят под угрозу целостность инфраструктуры доставки ресурсов – что может привести к коллапсу кровеносных сосудов. Система каналов может оставаться совершенно стабильной и без воды, однако пустой кровеносный сосуд под давлением окружающих тканей может спасться. Когда раковые клетки открывают краны, посылая сигналы на получение большего количества питательных веществ из крови, в кровеносных сосудах остается меньше жидкости для поддержания артериального давления и предотвращения их коллапса. При коллапсе сосуда клетки, которые зависели от него, либо умирают, либо, если у них есть такая возможность, посылают сигналы на создание новых кровеносных сосудов, которые снова будут уязвимы для эксплуатации и разрушения. Это одна из причин, по которым система кровоснабжения опухоли зачастую настолько беспорядочная и непредсказуемая. Васкуляризированная (снабжаемая кровью через сеть сосудов) опухоль, по сути, представляет собой средоточие социальных дилемм, разыгрывающихся на каждом миллиметре каждого кровеносного сосуда, с постоянно возникающим и прекращающимся клеточным сотрудничеством, отражающим появление и разрушение кровеносных сосудов, которые раковые клетки создают и используют.
Спасение от экопокалипсиса
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.