Общие принципы взаимоотношений живых организмов с экосистемой и злокачественных клеток с живым организмом

А.Г. Голубев

Аннотация


Настоящий обзор литературы касается исследований, основанных на мнении, что раковые клетки в многоклеточном организме ведут себя аналогично одноклеточным организмам в экосистеме, а раковая опухоль аналогична первичным колониальным многоклеточным формам жизни. Существование популяций одноклеточных и их колоний было возможно лишь в меру компенсации гибели одних пролиферацией других. Поэтому пролиферация или готовность к ней является для клеток приоритетом. В эволюции многоклеточных контроль над ним усиливался. С таких позиций, общий набор ключевых свойств, к которому приводит прогрессия разных форм раковых опухолей с разными исходными сочетаниями мутаций онкогенов и анти-онкогенов и в разных органах с различными исходными условиями, является результатом не конвергентной эволюции, а рекапитуляции к общему для любых клеток исходному в эволюционном плане модусу существования. Злокачественная трансформация сопровождается снятием блока с гештальта свойств, способствующего выживанию популяций одноклеточных в содержащей нужные ресурсы экосистеме, в каковую для раковых клеток в конечном счете превращается организм. Такие подчерпнутые из экологии представления о злокачественном росте позволяют лучше понять развитие резистентности опухолей к терапии по аналогии с резистентностью вредителей к ядохимикатам и бактерий к антибиотикам, а метастазирование — по аналогии с экологической инвазией. Одним из способов выживания одноклеточных является повышение генетической нестабильности в неблагоприятных условиях. Такие условия для раковых клеток создает цитотоксическая терапия, которая усиливает генерацию генетического разнообразия клеток и становится фактором селекции клонов, устойчивых к той же терапии. Вследствие конкуренция разных клонов за ресурсы экосистемы (организма) уничтожение чувствительных клеток благоприятно для резистентных. Поэтому с эколого-эволюционных позиций разумнее стремиться не к уничтожению опухоли, а к поддержанию ее клеточных популяций в равновесии, позволяющем перевести онкологическое заболевание из категории летальных в категорию хронических. Такие соображения лежат в основе разрабатываемых в настоящее время режимов адаптивной терапии рака.

Ключевые слова


экология, онкология, эволюция, экосистема, терапевтическая резистентность, адаптивная терапия

Полный текст:

PDF

Как процитировать материал

Литература


Голубев АГ, Семиглазова ТЮ, Клюге ВА, Каспаров БС, Беляев АМ, Анисимов ВН. Три пандемии сразу: неинфекционная (онкологическая), инфекционная (CoVID-19) и поведенческая (гипокинезия). Вопр онкол. 2021;67(2):163-80.

Голубев АГ. Болезни, старение и болезни старения. В кн.: Голубев АГ. Естественная история продолжительности жизни и старения. Санкт-Петербург: Эко-Вектор; 2022. С. 420-65.

Потиевский МБ, Шегай ПВ, Каприн АД. Перспективы применения методов эволюционной биологии в онкологии. Журн эволюц биохим физиол. 2022;58(2):84-95.

Стрельцова О, Прохоров А. Метрономная химиотерапия в лечении онкологических заболеваний. Онкол журн. 2018;12(1):89-94.

Golubev AG, Semiglazova TY, Klyuge VA, Kasparov BS, Belyaev AM, Anisimov VN. Three pandemics at once: noninfectious (cancer), infectious (COVID-19), and behavioral (hypokinesia). Voprosy Onkologii. 2021; 67(2):163-80. (In Russ.)

Golubev AG. Diseases, aging, and diseases of aging. In: Golubev AG. Yestestvennaya Istoriya Prodolzhitelnosti Zhizni i Stareniya Natural History of the Spans of Life and Aging. Saint Petersburg, Eko-Vektor; 2022. P. 42065.

Potievskiy MB, Shegai PV, Kaprin AD. Prospects for the application of methods of evolutionary biology in oncology. Zhurnal Evoliutsionnoy Biokhimii i Fiziologii. 58(2):84-95.(In Russ.)

Streltsova OV, ProkharauAV. Metronomic chemotherapy in the treatment of oncologic diseases. Onkologicheskiy Zhurnal. 2018;12(1):89-94. (In Russ.)

Adler FR, Amend SR, Whelan CJ, Baratchart E. From Ecology to Cancer Biology and Back Again. Frontiers Media SA; 2022.

Aggarwal V, Montoya CA, DonnenbergVS, Sant S. Interplay between tumor microenvironment and partial EMT as the driver of tumor progression. iScience. 2021;24(2):102113. doi: 10.1016/j.isci.2021.102113

Aktipis CA, Boddy AM, Jansen G, Hibner U, Hochberg ME, Maley CC, et al. Cancer across the tree of life: cooperation and cheating in multicellularity. Philos Transact Roy Soc B Biol Sci. 2015;370(1673). doi: 10.1098/rstb.2014.0219

Amend SR,Pienta KJ. Ecology meets cancer biology: the cancer swamp promotes the lethal cancer phenotype. Oncotarget. 2015;6:9669-78.

Basu S, Dong Y, Kumar R, Jeter C, Tang DG. Slow-cycling (dormant) cancer cells in therapy resistance, cancer relapse and metastasis. Semin Cancer Biol. 2022;78:90-103.

Belkhir S, Thomas F, Roche B. Darwinian approaches for cancer treatment: Benefits of mathematical modeling. Cancers. 2021;13(17):4448. doi: 10.3390/cancers13174448

Biffi G, Tuveson DA. Diversity and biology of cancer-associated fibroblasts. Physiol Rev. 2021;101:147-76.

Bischoff-Ferrari HA, Willett WC, Manson JE, Dawson-Hughes B, Manz MG, Theiler R, et al. Combined vitamin D, omega-3 fatty acids, and a simple home exercise program may reduce cancer risk among active adults aged 70 and older: A randomized clinical trial. Front Aging. 2022;3. doi:10.3389/fragi.2022.852643

Böttger K, Hatzikirou H, Voss-Böhme A, Cavalcanti-Adam EA, Herrero MA, Deutsch A. An emerging Allee effect is critical for tumor initiation and persistence. PLoS Comput Biol. 2015;11(9):e1004366. doi: 10.1371/journal.pcbi.1004366

Boutry J, Dujon AM, Gerard A-L, Tissot S, Macdonald N, Schultz A, et al. Ecological and evolutionary consequences of anticancer adaptations. iScience. 2020;23(11):101716. 10.1016/j.isci.2020.101716doi:

Brabletz S, Schuhwerk H, Brabletz T, Stemmler MP. Dynamic EMT: a multi-tool for tumor progression. EMBO J. 2021;40(18):e108647. doi: 10.15252/embj.2021108647

Bukkuri A, Adler FR. Viewing cancer through the lens of corruption: Using behavioral ecology to understand cancer. Front Ecol Evolut. 2021;9. doi: 10.3389/fevo.2021.678533

Chikatsu N, Nakamura Y, SatoH, Fujita T, AsanoS, Motokura T. p53 mutations and tetraploids under r- and K-selection. Oncogene. 2002;21:3043-9.

Chroni A, Kumar S. Tumors are evolutionary island-like tcosystems. Genome Biol Evolut. 2021;13(12). doi:10.1093/gbe/evab276

Cunningham JJ. A call for integrated metastatic management.Nature Ecol Evolut. 2019;3:996-8.

Cunningham JJ, Bukkuri A, Brown JS, Gillies RJ, Gatenby RA. Coupled source-sink habitats produce spatial and temporal variation of cancer cell molecular properties as an alternative to branched clonal evolution and stem cell paradigms. Front Ecol Evolut. 2021;9. doi: 10.3389/fevo.2021.676071

Davies PCW, Lineweaver CH. Cancer tumors as Metazoa 1.0: tapping genes of ancient ancestors. Phys Biol. 2011;8(1):015001. doi: 10.1088/1478-3975/8/1/015001

DeGregori J. Challenging the axiom: does the occurrence of oncogenic mutations truly limit cancer development with age? Oncogene. 2013;32:1869-75.

Denmeade S, Antonarakis ES, Markowski MC. Bipolar androgen therapy (BAT):Apatient's guide. Prostate. 2022;82:753-62.

Dolejs J. The extension of Gompertz law's validity. Mech Ageing Dev. 1997;99:233-44.

Domazet-Lošo T, Tautz D. Phylostratigraphic tracking of cancer genes suggests a link to the emergence of multicellularity in metazoa. BMC Biol. 2010;8(1):66. doi:10.1186/1741-7007-8-66

Edwards J, Marusyk A, Basanta D. Selection-driven tumor evolution with public goods leads to patterns of clonal expansion consistent with neutral growth. iScience. 2021;24(1):101901. doi: 10.1016/j.isci.2020.101901

Farrokhian N, Maltas J, Dinh M, Durmaz A, Ellsworth P, Hitomi M, et al. Measuring competitive exclusion in non-small cell lung cancer. bioRxiv. 2020:2020.09. 18.303966. doi: 10.1101/2020.09.18.303966

Gatenbee CD, Minor ES, Slebos RJC, Chung CH, Anderson ARA. Histoecology: Applying ecological principles and approaches to describe and predict tumor ecosystem dynamics across space and time. Cancer Control. 2020;27(3):1073274820946804. doi: 10.1177/1073274820946804

Gatenby RA. A change of strategy in the war on cancer. Nature.2009;459:508-9.

Gatenby RA, Silva AS, Gillies RJ, Frieden BR. Adaptive therapy. Cancer Res. 2009;69:4894-903.

Gatenby RA, Artzy-Randrup Y, Epstein T, Reed DR, Brown JS. Eradicating metastatic cancer and the ecoevolutionary dynamics of anthropocene extinctions. Cancer Res.2020;80:613-23.

Gedye C, Navani V. Find the path of least resistance: Adaptive therapy to delay treatment failure and improve outcomes. Biochimi Biophys Acta Rev Cancer. 2022;1877(2):188681. doi: 10.1016/j.bbcan.2022.188681

Gerlee P, Altrock PM, Malik A, Krona C, Nelander S. Autocrine signaling can explain the emergence of Allee effects in cancer cell populations. PLOS Comput Biol. 2022;18(3):e1009844. doi: 10.1371/journal.pcbi.1009844

Ghaffari Laleh N, Loeffler CML, Grajek J, Staňková K, Pearson AT, Muti HS, et al. Classical mathematical models for prediction of response to chemotherapy and immunotherapy. PLOS ComputBiol. 2022;18(2):e1009822. doi: 10.1371/journal.pcbi.1009822

Golubev AG, Anisimov VN. Aging and cancer: Is glucose a mediator between them? Oncotarget. 2019;10:675867.

Hamilton PT, Anholt BR, Nelson BH. Tumour immunotherapy: lessons from predator-prey theory. Nature Rev Immunol. 2022. doi: 10.1038/s41577-022-00719-y

Hanahan D, Weinberg RA. Hallmarks of cancer: the next generation. Cell. 2011;144:646-74.

Hanahan D, Bergers G, Bergsland E. Less is more, regularly: metronomic dosing of cytotoxic drugs can target tumor angiogenesis in mice. J Clin Invest. 2000;105:1045-7.

Hansen E, Read AF. Modifying adaptive therapy to enhance competitive suppression. Cancers. 2020;12(12):3556. doi: 10.3390/cancers12123556 .

Huntly N, Freischel AR, Miller AK, Lloyd MC, Basanta D, Brown JS. Coexistence of "Cream Skimmer" and "Crumb Picker" phenotypes in nature and in cancer. Front Ecol Evolut. 2021;9. doi: 10.3389/fevo.2021.697618

Kareva I, Brown JS. Estrogen as an essential resource and the coexistence of ER+ and ER– cancer cells. Front Ecol Evolut. 2021;9. doi: 10.3389/fevo.2021.673082

Kareva I, Luddy KA, O’Farrelly C, Gatenby RA, Brown JS. Predator-prey in tumor-immune interactions: A wrong model or just an incomplete one? Front Immunol. 2021;12. doi: 10.3389/fimmu.2021.668221

Kuznetsov M, Clairambault J, Volpert V. Improving cancer treatments via dynamical biophysical models. Phys Life Rev. 2021;39:1-48. 44.

Laco ni E, Marongiu F, DeGregori J. Cancer as a disease of old age: changing mutational and microenvironmental landscapes. Brit J Cancer. 2020;122:943-52.

Lee-Six H, Olafsson S, Ellis P, Osborne RJ, Sanders MA, Moore L, etal. The landscape of somatic mutation in normal colorectal epithelial cells. Nature. 2019;574:532-7.

Li T, Liu J,Feng J, Liu Z, Liu S, Zhang M, et al. Variation in the life history strategy underlies functional diversity of tumors. Natl Sci Rev. 2020;8(2):124. doi: 10.1093/nsr/nwaa124

Li X, Thirumalai D. A mathematical model for phenotypic heterogeneity in breast cancer with implications for therapeutic strategies. J Roy Soc Interface. 2022;19(186):20210803. doi: doi:10.1098/rsif.2021.0803

Liu R, Wang S, Tan X, Zou X. Identifying optimal adaptive therapeutic schedules for prostate cancer through combining mathematical modeling and dynamic optimization. Appl Math Modelling. 2022;107:688-700.

Ma L, Hernandez MO,Zhao Y, Mehta M, Tran B, Kelly M, et al. Tumor cell biodiversity drives microenvironmental reprogramming in liver cancer. Cancer Cell. 2019;36:418-30.

Martincorena I. Somatic mutation and clonal expansions in human tissues. Genome Med. 2019;11(1):35. doi: 10.1186/s13073-019-0648-4

Martincorena I, Raine KM, Gerstung M, Dawson KJ, Haase K, Van Loo P, et al. Universal patterns of selection in cancer and somatic tissues. Cell. 2017;171:1029-41.

Miller AK, Brown JS, Enderling H, Basanta D, Whelan CJ. The evolutionary ecology of dormancy in nature and in cancer. Front Ecol Evolut. 2021;9. doi: 10.3389/fevo.2021.676802

Muñoz R, Girotti A, Hileeto D, Arias FJ. Metronomic anti-cancer therapy: A multimodal therapy governed by the tumor microenvironment. Cancers. 2021;13(21):5414. doi: 10.3390/cancers13215414

Myers KV,Pienta KJ, Amend SR. Cancer cells and M2 macrophages: Cooperative invasive ecosystem engineers. Cancer Control. 2020;27(1):1073274820911058. doi: 10.1177/1073274820911058 .

Noorbakhsh J, Zhao Z-M, Russell JC, Chuang JH. Treating cancer as an invasive species. Mol Cancer Res. 2020;18:20-6.

Nowell P. The clonal evolution of tumor cell populations. Science. 1976;194:23-8.

Pienta KJ, Hammarlund EU, Axelrod R, Amend SR, Brown JS. Convergent evolution, evolving evolvability, and the origins of lethal cancer. Mol CancerRes. 2020;18:801-10.

Reynolds BA, Oli MW, Oli MK. Eco-oncology: Applying ecological principles to understand and manage cancer. Ecol Evolut. 2020;10:8538-53. doi: 10.1002/ece3.6590

Sabarinathan R, Pich O, Martincorena I, Rubio-Perez C, Juul M, Wala J, et al. The whole-genome panorama of cancer drivers. bioRxiv. 2017:190330. doi: 10.1101/190330 .

Somarelli JA. The hallmarks of cancer as ecologically driven phenotypes. Front EcolEvolut. 2021;9. doi: 10.3389/fevo.2021.661583

Susswein Z, Sengupta S, Clarke R, Bansal S. Borrowing ecological theory to infer interactions between sensitive and resistant breast cancer cell populations. bioRxiv. 2022. doi: 10.1101/2022.02.18.481041

Thiery JP, Acloque H, Huang RYJ, Nieto MA. Epithelial-mesenchymal transitions in development and disease. Cell. 2009;139:871-90.

Trigos AS, Pearson RB, Papenfuss AT,Goode DL. Somatic mutations in early metazoan genes disrupt regulatory links between unicellular and multicellular genes in cancer. eLife. 2019;8:e40947. doi: 10.7554/eLife.40947

Vaziri C, Rogozin IB, Gu Q, Wu D, Day TA. Unravelling roles of error-prone DNA polymerases in shaping cancer genomes. Oncogene. 2021;40:6549-65.

Vendramin R, Litchfield K, Swanton C. Cancer evolution: Darwin and beyond. EMBO J. 2021;40(18):e108389.

Vincent M. Chapter 16 - Atavism theory — An introductory discourse. In: Ujvari B, Roche B, Thomas F, eds. Ecology and Evolution of Cancer: Academic Press; 2017. P. 211-8.

Whelan CJ, Cunningham JJ. Resistance is not the end: lessons from pest management. Cancer Control. 2020;27(1):1073274820922543. doi: 10.1177/1073274820922543

Whelan CJ, Gatenby RA. Special collection on ecological and evolutionary approaches to cancer control: Cancer finds a conceptual home. Cancer Control. 2020;27(1):1073274820942356. doi: 10.1177/1073274820942356

Wu DJ. Oversupply of limiting cell resources and the evolution of cancer cells: A review. Front Ecol Evolut. 2021;(258). doi: 10.3389/fevo.2021.653622




DOI: http://dx.doi.org/10.24855/biosfera.v14i2.674

© ФОНД НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ "XXI ВЕК"