Toen pijnboomkevers Noord-Amerikaanse bossen binnenvielen, gooiden ze een delicaat ecosysteem uit balans. Kankercellen gedragen zich ook als schadelijke invasieve soorten. Foto door Flickr-gebruiker Kneale Quayle
Soms is nadenken over een oud probleem vanuit een verfrissende nieuwe invalshoek precies wat nodig is om dat eureka-moment te vinden.
Kanker, een van de meest beruchte medische kwalen, is intensief bestudeerd in het huidige tijdperk van moderne geneeskunde. Maar een groeiend aantal onderzoekers denkt dat het brengen van een nieuwe, out-of-the-box benadering voor het begrijpen van de ziekte kan leiden tot enkele nieuwe inzichten en, misschien, oplossingen. En het onderwerp waarvan ze hopen dat het als een venster op de studie van kanker kan dienen, zal je misschien verbazen: ecologie.
Op het eerste gezicht lijken oncologie en ecologie enorm verschillend. Om te beginnen is de ene gelokaliseerd op specifieke cellen in het lichaam, terwijl de andere per definitie de hele wereld overspant. Maar in plaats van kanker als een groep gemuteerde cellen te labelen, zouden we, zoals men denkt, kanker moeten zien als een verstoring in de balans van een complexe micro-omgeving in het menselijk lichaam. Als een schadelijke invasieve kever die zich een weg baant door bossen in Colorado, een nieuwe ziekte die uitbarst in populaties van wilde vogels, of houthakkers die delen van het Amazone-regenwoud maaien, gooit kanker een moersleutel in een anders rustig, evenwichtig systeem.
Deze manier van denken maakt kanker nog complexer dan het al is, maar het zou inzichten kunnen opleveren die kanker uiteindelijk beter behandelbaar maken, stellen onderzoekers van het Moffet Cancer Center voor in een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Interface Focus .
"Einstein staat erom bekend dat alles zo eenvoudig mogelijk moet worden gemaakt, maar niet eenvoudiger, " schrijven ze. “Het blijkt dat complexiteit zijn plaats heeft en, zo handig als het zou zijn voor kankerbiologen om tumorcellen op zichzelf te bestuderen, dat is net zo logisch als proberen kikkers te begrijpen zonder te bedenken dat ze de neiging hebben om in de buurt van moerassen te leven en van insecten te genieten .”
We denken meestal alleen aan kanker in termen van gemuteerde cellen, vervolgen de auteurs. Maar deze smalle benadering volgen is als proberen te begrijpen waarom een kikker een plakkerige tong heeft zonder rekening te houden met het feit dat kikkers hun tong gebruiken om insecten te vangen. Kankercellen hebben ook context nodig. Een vraatzuchtige kankercel kan zich bijvoorbeeld niet toevallig naast een bloedvat bevinden, maar kan dus meer voedingsstoffen en zuurstof verkrijgen om zijn onbeperkte verdeling te ondersteunen.
Kankercellen moeten in het lichaam concurreren om voedingsstoffen en andere hulpbronnen, net zoals dieren in een omgeving met elkaar moeten concurreren om te overleven. Dit betekent dat kanker, net als elk organisme, zich moet aanpassen aan zijn omgeving om te kunnen gedijen. De onderzoekers leggen uit:
Het begint nu algemeen aanvaard te worden dat kanker niet alleen een genetische ziekte is, maar ook een waarbij evolutie een cruciale rol speelt. Dit betekent dat tumorcellen evolueren, zich aanpassen aan en de omgeving waarin ze leven veranderen. Degenen die dit niet doen, zullen uiteindelijk uitsterven. Degenen die dat wel doen, krijgen de kans om binnen te vallen en metastaseren. Het vermogen van een tumorcel om zich aan te passen aan een nieuwe omgeving zal dus worden bepaald door de omgeving en de cellulaire soort van de oorspronkelijke locatie, waaraan het zich al nauwgezet heeft aangepast.
Dus hoe kan al deze theorie in het echte leven worden toegepast? De milieu-benadering om kanker te begrijpen is zo complex dat normale experimenten uitgesloten zijn; ze kunnen gemakkelijk misgaan met zoveel verschillende componenten om te overwegen. In plaats daarvan stellen de onderzoekers voor om zich tot wiskunde en computationeel te wenden om de grotere milieucontext te begrijpen die tot kanker leidt. Ecologen gebruiken een dergelijke wiskundige benadering, speltheorie, als een manier om evolutionaire biologie en de manier waarop dieren met elkaar omgaan te bestuderen:
De kracht van natuurlijke selectie houdt ecosysteembewoners gericht op het optimaliseren van de bottom line: reproductie op lange termijn. In de spellen die door evolutionaire speltheoretici zijn bestudeerd, concurreren individuen om beschikbare middelen met behulp van een verscheidenheid aan strategieën. Deze kenmerken en gedragingen, bekend als de fenotypische strategie, bepalen de winnaars en verliezers van evolutie.
Gedragsstrategieën kunnen veranderen, afhankelijk van zowel de aard van een dier als de context van de situatie. Hier is een hypothetisch voorbeeld, gebaseerd op het denken in de speltheorie: als twee hyena's in een groot, lekker gnoe-karkas graven, zullen ze die hulpbron graag delen. Maar als twee leeuwen datzelfde karkas vinden, zullen ze vechten voor exclusieve rechten om het te eten, wat betekent dat een leeuw als overwinnaar tevoorschijn komt en alle vlezige buit neemt, terwijl de andere geen voedsel krijgt - plus is gewond. Ten slotte, als een leeuw een hyena bij het karkas ontmoet, zal de hyena schieten en zijn goederen overgeven aan de sterkere leeuw. Met andere woorden, spelers in de speltheorie kunnen op drie manieren reageren, afhankelijk van wie ze zijn en wat er aan de hand is: ze kunnen delen, vechten of verbeuren.
Als een strook duidelijk afgebakend oerwoud of een invasieve soort die zich langzaam verspreidt en een spoor van schade achterlaat, beïnvloedt een tumor, zoals die hierboven, het weefsel in zijn omgeving. Foto door Flickr-gebruiker Ed Uthman
Soortgelijke games kunnen worden gespeeld met tumorcellen. "Een goed voorbeeld is een tumor met cellen die weggaan wanneer ze worden geconfronteerd met schaarse middelen (beweeglijk) en cellen die blijven om ze te gebruiken (proliferatief), " schrijven de auteurs. Om het allemaal nog ingewikkelder te maken, is het echter bekend dat tumorcellen hun gedrag veranderen als ze zich door het lichaam verspreiden en uitzaaien, wat betekent dat ze van een hyena naar een leeuw kunnen overschakelen.
Een cruciaal ding dat speltheorie op ecosysteemniveau ons laat zien, vervolgen ze, is dat zonder onderscheid focussen op het doden van zoveel mogelijk tumorcellen mogelijk niet de beste uitkomst voor de patiënt oplevert. Volgens speltheoremodellen hangt het uiteindelijke langetermijnresultaat van het spel af van specifieke interacties tussen de spelers, niet van het aantal betrokken spelers. Leeuwen zullen elkaar blijven vechten voor voedsel, ongeacht of twee leeuwen of 2000 leeuwen elkaar ontmoeten. “Een behandeling die uitsluitend is gebaseerd op het zonder onderscheid verwijderen van de meeste (maar niet alle) kankercellen heeft mogelijk slechts een tijdelijk effect; zoals in de meeste gevallen zal het oorspronkelijke aantal tumorcellen uiteindelijk worden hersteld en overschreden, ”schrijven de auteurs.
In plaats daarvan geeft speltheorie aan dat een effectiever alternatief gebaseerd zou zijn op het proberen te veranderen van de manieren waarop cellen met elkaar en met hun omgeving omgaan. Dit kan het gedrag, de sterkte en het reproductieve succes van de cellen beïnvloeden, verklaren de auteurs, wat de evolutie van een tumor in de richting van minder agressieve celtypen of een stabielere coëxistentie met niet-kankercellen zou kunnen aansturen.
"De ecosysteemweergave is uiteindelijk een holistische weergave van kankerprogressie als een proces dat voortkomt uit de interacties tussen meerdere cellulaire soorten en interacties met de tumormicro-omgeving, " schrijven de auteurs. "Een ecosysteemperspectief biedt ons intrigerende implicaties, " zeggen ze, samen met een hele reeks vragen over hoe ver de analogie tussen ecosystemen en kanker kan worden genomen.
Als bijvoorbeeld kankercellen zich als een invasieve soort door een ecosysteem verspreiden, welke evolutionaire winst wordt dan behaald wanneer het afgesloten ecosysteem (een lichaam) onherstelbaar wordt beschadigd (door de dood van een persoon) zodat de pest ook sterft? In tegenstelling tot een virus, dat zijn gastheer kan doden maar zich naar andere gastheren in het proces kan verspreiden, hebben kankercellen zelf meestal geen middel om zich van individu naar individu te verspreiden. En nemen kankercellen hun aanwijzingen in processen die worden aangestuurd door concurrentie of door samenwerking? Kunnen niet-kankercellen meer proactief denken, zodat ze zich gedragen als leeuwen en de bronnen van kankercellen in beslag nemen totdat de kanker beheersbaar is?
Hoewel ecologie en wiskunde waarschijnlijk zelf geen kanker zullen verslaan, kan het bekijken van de ziekte vanuit dit perspectief artsen in staat stellen beter te voorspellen waar tumorcellen in het lichaam de beste en slechtste overlevingskansen hebben en hoe ze het meest effectief kunnen worden voorkomen dat ze zich verspreiden.
"De kern van de zaak is dat een ecologische kijk op tumoren niet ongeldig is, maar een aanvulling vormt op en voortbouwt op tientallen jaren kankeronderzoek en dit zal ongetwijfeld leiden tot een beter begrip van de biologie van kanker en tot nieuwe en verbeterde therapieën", concluderen de onderzoekers . "We moeten de bomen (bijv. Elk blad, takje en tak) goed begrijpen voordat we het bos kunnen begrijpen, maar we kunnen het ons niet veroorloven het bos te negeren omdat de bomen op zichzelf zo interessant zijn."
