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我国学者提出,癌症本质是多维时空“生态进化合一”的生态病

时间:2025-08-14来源:网络作者:小白

化合一”的生态病

 
 
 
2023
04/10

生物世界

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作者认为,肿瘤出芽可以被视为癌症的重骑兵,其理想战场是肿瘤-宿主界面,而肿瘤细胞的表型可塑性是界面的显著特征之一。

 

撰文丨生物世界

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

鼻咽癌是我国南方尤其是广东珠三角地区常见的一种头颈部恶性肿瘤,又称为“广东瘤”,是我国的特色癌种,其发生发展与微生物如EBV、HPV和细菌感染以及化学物刺激等有密切关系,具有高度的肿瘤间和肿瘤内异质性以及遗传易感性等特点。与其他人类肿瘤一样,通常被认为是一种基因病。

近日,深圳市第三人民医院(南方科技大学第二附属医院)/国家感染性疾病临床医学研究中心罗伟仁博士在 Theranostics 期刊发表了题为:Nasopharyngeal carcinoma ecology theory: cancer as multidimensional spatiotemporal “unity of ecology and evolution”pathological ecosystem 的综述论文。

该综述以鼻咽癌作为肿瘤研究的切入点,创造性构建鼻咽癌生态学理论以及人类肿瘤生态树,明确提出肿瘤(包括鼻咽癌)本质上是多维时空生态进化合一的生态病,而并非基因病。

该论文此前于2022年10月17日在预印本平台Preprints发表。作者认为,“肿瘤进化和生态是照亮彼此唯一的光芒”。鼻咽癌生态学理论和肿瘤生态树的构建将打开一个新的视野,并为我们了解这种疾病的复杂进展以及为患者制定潜在价值的预防和治疗策略提供新范式。

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首先,作者讨论了鼻咽癌(肿瘤)是一个进化生态合一的病理生态系统,肿瘤微环境是肿瘤异质性和进化的主要决定因素,肿瘤的发生发展包括正常细胞癌变等均可被认为是肿瘤细胞与微环境相互作用、此消彼长或共同进化的一个“阴阳”病理生态过程;2022年最新的“hallmarks of cancer”(癌症特征),比如“血管诱导生成;Inducing/accessing vasculature”、“免疫逃逸;Avoiding immune destruction”、“促瘤炎症;Tumor-promoting inflammation”、“细胞能量代谢的失控;Reprogramming cellular metabolism”和“多态性微生物组;Polymorphic microbiomes”等可视为影响肿瘤种群生态适应度(生存和繁殖)的生态因子。其中,“基因组不稳定和突变;Genome instability & mutation”可导致种群物种多样性和进化适应,其他癌症特征则通过生存和繁殖能力的动态变化影响肿瘤细胞的生态适应(图1)。

癌细胞间充质表型(梭形癌细胞)、血管生成拟态以及癌细胞形似反应性增生淋巴组织等病理现象均可视为肿瘤对外界环境的一种形态和生存适应。这里要说明的是,无论是肿瘤细胞还是周边的微环境细胞,各自本身亦均涉及到生态和进化。作者最后作出结论,“肿瘤微环境是照亮进化的唯一光芒”。

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图1:癌症特征为种群适应度的生态因子

癌症转移通常被人们认为是一个单向过程。鼻咽癌细胞作为入侵物种,其转移过程可视为肿瘤细胞通过跳跃扩散等方式进行的多向生态扩散,由原发生态系统、循环生态系统、转移生态系统和多向生态系统等组成(鼻咽癌入侵生态学)。作者讨论了循环肿瘤细胞(CTCs)在转移到远处器官/组织的过程中所遇到的扩散障碍,例如为了适应选择压力采取的保守进化休眠策略、以及作为“ecological engineers;生态工程师”对新居住地进行“pre-metastaticniche;转移前生态位”改造,使到肿瘤种群得以生存、繁殖和进一步传播。作者认为鼻咽癌(肿瘤)这些生态系统的恶性细胞并不是混乱的细胞团。为了提高存活率并最终目的是繁殖更多的后代,整个生态系统中各种肿瘤细胞群在复杂的微环境中进行“智能”互作交流,对外部因素的刺激做出快速反应,并通过生态进化动力做出优化的决策。多向扩散模型(图2)将为复发/转移性鼻咽癌的有效预防和治疗提供新的思考路径。

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图2:鼻咽癌多向转移扩散模型(可通过CTCs或转移性癌细胞self-seeding(自我播种,生长因子、外泌体和细胞因子等self-feeding(自我供给),或宿主中CAFs和免疫细胞等self-accomplice(自我帮凶))。

接下来,作者阐释了鼻咽癌进展中的基本生态学原理,包括种内关系和种间关系:前者包括种群共存(coexistence)、竞争(competition)、空间行为(spatial behavior)以及通讯行为(communication behavior)等。比如,对有限空间和资源的竞争降低了肿瘤细胞的密度和数量。尤其像形成缺氧和酸性这样的恶劣微环境时,更能适应的种群将赢得竞争,并被赋予入侵表型;后者主要包括竞争(competition)、捕食(predation)、寄生(parasitism)和互利共生(mutualism)等。系统/局部“冷热”免疫系统的捕食可能是鼻咽癌中肿瘤细胞的重要选择压力,其导致免疫应答。肿瘤的进化也使抑制性免疫信号在肿瘤间质内募集,进而引起肿瘤免疫逃逸。值得注意的是,这些种间关系并非孤立存在,而是相互依存和转化;互利共生是其中重要的一环,肿瘤细胞和细胞微环境在时空动态中相互作用,甚至协同进化。“桑基鱼塘”是我国长三角地区常见的农业生态养殖模式,有着悠久的传统历史。在该文中,作者首次将“桑基鱼塘”模式与肿瘤生态系统的动态互惠进行类比(图3),并阐明其对治疗策略的意义。

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图3:肿瘤细胞与微环境共同构建了一个“肿瘤生态命运共同体”,他们之间的互利共生关系可通过“桑基鱼塘”生态模型进行阐释。

然后,作者详细论述了肿瘤-宿主界面(tumor-host interface),也就是肿瘤侵袭边缘(tumor invasive front),是肿瘤的生态过渡区(ecological transition zone),而肿瘤出芽则是与陆地分离的孤立生态岛(ecological islands)(图4)。

作者认为,肿瘤出芽可以被视为癌症的重骑兵,其理想战场是肿瘤-宿主界面,而肿瘤细胞的表型可塑性是界面的显著特征之一。在这里需要注意的是,肿瘤侵袭边缘由于其蜿蜒弯曲、不规则性导致的显著边缘效应(edge effect)。作者认为,适应性潜能,例如可以通过弯曲的形状模式实现界面中维持的肿瘤细胞增殖信号最大化,就如形态奇异的手指状“创生之柱”一样,许多新生恒星在其前端孕育和诞生。

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图4:肿瘤-宿主界面类比地球的海陆生态交错区,肿瘤出芽可视为孤立生态岛。

随后,作者探讨了鼻咽癌的选择驱动因素和包括热疗和适应性治疗等在内的生态治疗,并进行了总结以及对未来的展望。肿瘤生态学的研究并非一朝一夕。在过去的几十年里,一些癌症科学家在不同层面构建了相关的理论(学说)对该领域进行探求。

早在20世纪60年代初,Smithers DW就将肿瘤视为一种组织疾病;80年代,Heppner GH等提出肿瘤为“生态系统”的观点;90年代,Pienta K J等提出肿瘤可视为“一个复杂的适应系统”,并于2008年提出肿瘤“生态治疗”策略。作者在这里明确提出,肿瘤是一种多维时空生态进化合一的生态病。此外,作者就“生态病理学”(ecological pathology),即应用生态学(进化)原理和方法来研究人类疾病的病因、发病机制、病理变化和结局,以及“生态影像学;ecological radiology”,“合成肿瘤生态学;synthetic cancer ecology”、“多维肿瘤生态学;multidimensional tumoriecology”以及“整合肿瘤生态学;integrated tumoriecology”等作了敲门砖式陈述。

文末,作者再次强调人类癌症的发生和发展(例如,从正常到病变、从早期到晚期、从局部到扩散等)均可视为一种生态病,一个多维的跨组织层次的时空生态进化合一的过程。在这种无序细胞组织结构的生态病理系统中,实质细胞与其特定的微/-环境如微生物、免疫细胞、基质细胞和非生物因子(以及能量、信息和物质的交流)相互作用、甚至共同进化和适应。由此,作者构建出人类肿瘤生态树,为该领域提供了一个全面的框架认识和研究方向(图5)。

尽管如今仍是体细胞突变范式占研究主流地位,但正如国际著名的癌症生物学家 Bissell MJ 教授等所倡议的——我们是时候“重新思考癌症”了。


被称为“滑翔壁虎”!云南发现我国第二种伞虎亚属物种“盈江伞虎”

9月11日,据云南德宏发布消息,近日,国际知名期刊《Herpetologica》发表中国科研团队关于伞虎新物种的研究成果,将在盈江发现的新伞虎正式命名为盈江伞虎。这是继版纳伞虎之后,我国发现的第二种伞虎亚属物种,为云南“生物多样性宝库”再添标志性新成员。 盈江伞虎 伞虎,隶属于有鳞目壁虎科壁虎属伞虎亚属,是一类极具生态适应性的树栖爬行动物。这类动物最显著的特征是拥有扁平的尾部,体侧及四肢周围发达的翼膜状皮肤皱褶,且指趾间具宽大蹼膜——这些特化结构赋予它们在雨林树冠层间灵活滑翔的能力,因此也被称为“滑翔壁虎”,是自然界中“拟态与运动适应”协同进化的典型代表。由于其特殊的生活习性,野外调查中难以发觉,以至于我国在2016年才首次记录有伞虎分布。 盈江伞虎的发现,始于一次偶然的观测。2022年6月,盈江县观鸟协会理事长曾祥乐在盈江县石梯村区域首次发现该物种,当时这只亚成体雌性伞虎正栖息于树干之上,其体色与树皮完美融合,展现出极强的伪装能力。这一发现随即引起科研界关注,中国科学院昆明动物研究所车静研究员团队迅速介入,联合云南铜壁关省级自然保护区等单位开启系统性研究。 盈江伞虎 此后3年间,科研团队先后开展多次实地科考,采集标本并进行细致的形态学观测与分子遗传学分析。通过对比盈江伞虎与已知伞虎物种的18项关键形态指标——包括吻肛长、尾部皮瓣数量、前臂前缘皮瓣位置、背部横纹特征等,结合线粒体ND2基因片段的系统发育分析,科研人员最终确认:盈江伞虎与版纳伞虎虽互为姐妹群,但二者在前肢腕部的皮膜形态、尾节形态和色斑上存在明显不同,线粒体遗传差异更达到了9%。 值得关注的是,盈江伞虎的发现,首次将伞虎亚属的已知分布北界进一步拓展,成为目前该亚属中分布最北的物种。 此次发现,是中国科学院昆明动物研究所联合地方保护机构、民间科研力量协同攻关的成果,体现了“科研机构+基层保护+公众参与”生物多样性调查模式的有效性。盈江伞虎的命名与发表,进一步印证了我国西南边境地区物种多样性的独特价值,再次凸显该区域在生物多样性保护中的重要地位。返回搜狐,查看更多

打造更强劲“中国心”——我国航空发动机事业七十载风云

AES100发动机。 中国航发供图 日前举办的中国航发国企开放日活动传来喜讯,以中国航发动研所为主自主设计研发、中国航发南方工业有限公司牵头制造生产的1000千瓦级民用涡轴发动机AES100,已获颁中国民用航空局型号合格证。 这是我国第一型严格按照国际通行适航标准自主研制、具有完全自主知识产权的先进民用涡轴发动机,实现了我国先进民用航空发动机自主研制产品从无到有的历史性突破。 从1954年新中国制造的第一台航空发动机M-11开始,老一辈航发人自力更生、艰苦奋斗,在工业基础薄弱、技术积累一片空白的情况下,绘就出一幅幅大干、快干的生动图景,为新中国航空发动机事业拼出一片新天地,创造了零的突破。 走过七十载岁月,我国航空发动机事业已实现从试制活塞发动机到自主研制涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等系列先进发动机的历史性转变。新一代航发人站在新的起点上,正向着打造更加强劲“中国心”、建设航空强国的宏伟目标奋勇前进。 任务交给墙泥未干的国营厂 如今,各大城市的机场上空,不时有银鹰拖着巨大的轰鸣声飞过蔚蓝色天穹,成为都市繁荣的一景。可鲜有人知,新中国第一架自己制造的银鹰的“心脏”——航空发动机,是70年前,2000多名来自五湖四海的第一批航发人干出来的。他们肩负着“保家卫国”的神圣使命,日夜兼程来到株洲,众志成城、攻坚克难,在一片废墟中,艰难地开始了新中国第一台航空发动机的制造,书写从无到有的动力传奇。 1951年4月,《关于航空工业建设的决定》颁发,这是新中国航空工业的原点。仅仅过了3年时间,百废待兴的新中国就要制造出高度复杂的航空发动机,难度可想而知。 试制航空发动机的任务,交给了墙泥未干的国营三三一厂(现中国航发南方工业有限公司)。 工厂第一代员工、89岁的李腾芳至今仍记得当时的一些情况。M-11航空发动机,起飞功率为118千瓦(160马力),用于军用教练机,共有零部件567种2684件。对于以修理航空发动机为任务而组建的国营三三一厂,试制任务难度之大,可想而知。几千张施工卡要重新编制,3121种工具、夹具、刀具、量具需要设计制造,生产工艺装备的厂房要从土建开始…… 这些,仿佛一座座高山,横亘在创业者面前。 根据生产需要和工厂实际,厂里设立了设计、工艺、冶金、检验四大总师,抽调技术骨干强化技术部门,相继建立了各项管理制度。经过反复研究,工厂决策部门提出了“平行作业,分步实施,关键环节集中围歼”的攻关策略,一场航发人与困难斗争、与时间赛跑的序幕就此拉开。 没有光学曲线磨床,也没有线切割机床,航发人就用锉刀锉、油石磨,制成数十块型板和样板,最终完成了钢模制造任务;镀槽尚未加工完成,航发人仅凭着一本旧书摊上淘来的《电镀法》,经过无数次试验,成功为第一个零部件镀上了铜…… 1954年7月26日,最后一批零部件加工完毕。装配工人接连奋战3个昼夜,完成了总装任务。8月16日,M-11发动机200小时长期运行试车考验顺利结束。 在审查有关资料和现场察看发动机运转情况并对发动机进行分解检查后,国家鉴定委员会签署鉴定意见,批准工厂进行成批生产,这标志着新中国第一台航空发动机试制成功。 李腾芳回忆起70年前那一幕仍激动不已:共和国刚成立5年,就填补了航空发动机制造的空白,中国人不能制造航空发动机的历史结束了!全厂员工把会场围得水泄不通,聚在一起相互拥抱握手,道贺成功,欣喜伴着泪水,人们久久不散;热烈的掌声仿佛气势磅礴的大潮,飞出偏僻的小山冲,直上云霄…… 今日首都北京中轴线北延长线的东侧,雍容大度、气势磅礴的中国共产党历史展览馆巍然矗立。展览馆一角的聚光灯下,陈列着一台宛若莲花般的航空发动机,机体斑驳的锈迹深深地浓缩了那一段奋斗的记忆。 “我们在跑,别人也在跑” 攀登一座高山后,却发现有更多高山等着征服。 中国航发南方工业有限公司原总经理陶光孟在接受记者采访时指出,斗志昂扬的航发人,并不甘躺在功劳簿上,决心开始研制喷气发动机,继续走自主创新之路。 20世纪六七十年代,新一轮世界科技革命风起云涌,航空发动机的温度、压力、转速、负荷等性能指标逐渐逼近极限,成为一个国家工业基础和科技水平的集中体现,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。 从试制航空发动机到自主研发设计制造航空发动机,我国航空发动机事业的征途依然漫漫。 1976年夏天,黄沙漫天的建筑工地上,湖南动力机械研究所(现中国航发动研所)的干部职工正一同卸载从长沙运来的试验用油罐。这一年,是研究所由长沙迁到株洲的第3年。 1984年,“玉龙”发动机预研工作在研究所正式起步。与新中国第一台航空发动机相比,“玉龙”发动机的意义同样重大,将填补我国在自主研制涡轴发动机领域的空白,为我国的直升机装上“中国心”。 “每次去长沙计算中心,半夜就开始排队,计算打印出来的数据要用箩筐来挑,回来后再手工处理,一个一个数据仔细核对。”一名研制“玉龙”发动机的亲历者回忆:“那时,科研经费短缺,试验人员都十分小心,发动机一有‘风吹草动’就下台分解检查,推转速、上状态,如履薄冰、反复斟酌。” 26年磨一剑。2010年,作为我国第一型完全自主创新的先进涡轴发动机,“玉龙”发动机通过设计定型审查。2013年,“玉龙”发动机工程荣获国家科学技术进步奖一等奖,这是我国航空发动机单独申报取得的最高国家级奖项。 中国工程院院士、中国航发科技委原主任尹泽勇在“玉龙”发动机自主创新研发使用发展40年座谈会上,曾这样评价“玉龙”发动机的研制:“我们在跑,别人也在跑,要追上别人,勇于创新才能跑出加速度。” 2016年,中国航空发动机集团有限公司组建,开启了新时代航空发动机事业的崭新篇章。 如今的动研所,2600多人的员工队伍中,1600多人学历为硕博。研发人员平均年龄37岁。一群青年科技尖兵在发动机研制中默默耕耘,频传捷报。 包容试验是航空发动机风险最大的试验之一,是检验航空发动机机匣包容能力的特种试验。试验中要在最大转速下主动脱落叶片,而此时,飞出的叶片不允许击穿机匣,更不允许产生危害性的后果。 负责这一项目的一位副总师介绍,叶片在飞行中因为各种情况可能断裂,安全要求是断裂后不能击穿机匣,不能起大火。由于国外对这一技术严格封锁,动研所的工程师们自行研发、试制。其间,设计迭代100多次。 试验中,要对高度旋转的发动机停车切轴,其产生的碎片比子弹还快,具有高度危险性。为此,现场还专门配备了消防车和救护车,以备不时之需。 类似的试验不胜枚举。诸如防飞鸟撞击、极端天气下的吸雨结冰等测试,都历经无数次艰难的试验,浸润着研发团队辛勤的汗水,为最终摘得“皇冠上的明珠”立下了汗马功劳。 每一次抵达都是开创性的迸发 2024年,低空经济被首次写入政府工作报告。党的二十届三中全会再次强调“发展通用航空和低空经济”。 “让国产民用直升机装上自主研制的先进民用涡轴发动机,这是几代航发人的梦想。”中国航发专职总师、AES100发动机总设计师李概奇说,“当接到任务时,我们都很激动,决心要让梦想成真。” 要拿到中国民航局颁发的型号合格证,意味着AES100发动机要在高温、高压、高转速、高载荷等恶劣环境下,在有限空间内集成上万个零部件长时间安全可靠运行,意味着AES100发动机要通过世界级难度水平的考试,意味着配装的直升机能安全执行巡逻、救援、观光、公务飞行等多种任务。 被冠以“第一”的每一次抵达,都是开创性的迸发。 李概奇带领团队打破传统思维,注重打好提前量、留出冗余度、做到极致,针对影响发动机性能、寿命、成本、安全性的关键瓶颈开展技术攻关,首次提出并实施了低油耗、长寿命、高安全性且经济性好的涡轴发动机研制技术路线,首次自主创新完成了涡轴发动机3000小时首翻期(指‌发动机首次大修的时间‌)寿命、整机结冰等一系列适航试验,突破了数十项关键核心技术,填补了我国民用航空发动机技术领域的诸多空白。 在低空经济的赛道下,这里不只有AES100发动机。将视线转向中国航发动研所科技成果展厅,一台台闪耀着“工业银”金属色彩的发动机,见证着中国航发支撑低空经济发展的通航动力产业布局。 全国人大代表、中国航发动研所专职总师单晓明指出,通航动力是构建自主低空装备体系的关键,一架民用飞机中,航空发动机的价值约占27%。如今,中国航发已是通航动力的研究龙头和核心力量。 从新中国成立时的一穷二白,到涡喷、涡扇、涡轴、涡桨等先进航空发动机系列化发展,位于株洲的中国航发动研所和中国航发南方工业有限公司,已经成为我国最重要的中小型航空发动机研制生产基地。单晓明表示,研制团队将锚定高水平科技自立自强,打造更强劲的“中国心”。 来源:中国青年报 作者: 洪克非返回搜狐,查看更多 责任编辑:
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