Биофизика познает рак - Инал Акоев

И. Г. Акоев

Биофизика познает рак

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Ответственный редактор член-корреспондент АН СССР А. М. Кузин

Рецензенты:

доктор биологических наук Ю. Б. Кудряшов, кандидат биологических наук М. М. Виленчик

Введение

Бурное развитие физики в XX в., проникновение как ее подходов к сложным проблемам, так и ее методов и интерпретаций результатов исследований в биологию породили быстро прогрессирующую ветвь знания — биологическую физику. Объектами исследований биофизики являются низко- и высокомолекулярные соединения, важные в биологическом отношении, разнообразные одно-и многоклеточные организмы животного и растительного мира, биоценозы. Исследуются самые общие закономерности функционирования биологических структур и осуществления биологических процессов с точки зрения физики и математики, на основе которых в дальнейшем изучаются более конкретные вопросы. Среди этих закономерностей природа сил взаимодействия, кинетика процессов, самоорганизация и эволюция систем, механизмы преобразования энергии, механизмы подвижности, восприятия, переработки и хранения информации, механизмы влияния физических факторов, пути управления системами (рис. 1).

Биологическая физика все более становится теоретической основой современной биологии и медицины. Она состоит из трех основных разделов: молекулярной биофизики, биофизики клетки и биофизики сложных процессов.

В изучение рака много полезного вносят исследования всех трех разделов современной биофизики. Сложность изучения причин и механизмов развития злокачественных заболеваний заставляет использовать различные подходы к познанию нераскрытых тайн рака. Биофизика сложных процессов предложила свои подходы к изучению проблемы рака.

Биофизика сложных процессов исследует механизмы взаимодействия разных систем как в горизонтальном плане, т. е. между системами одного уровня организации, так и в вертикальном плане — между системами разных уровней организации.

Рис. 1. Явления и объекты изучения современной биологической физики (по Г. Р. Иваницкому)

В условиях все продолжающейся дифференцировки наук и углубления знаний о физических и физико-химических основах структуры и функции отдельных биологических процессов значение биофизических исследований взаимодействия их друг с другом, а также взаимовлияния их возрастает и становится необходимым при изучении явлений, возникших в результате изменения в нескольких и разных взаимодействующих системах.

Многие болезни как раз и являются следствиями нарушений не только в каких-либо отдельных системах организма, но и нарушений взаимодействия между ними. Обычно специалисты хорошо знают изучаемую ими систему и слабо — другие системы (например, гематолог хорошо знает систему кроветворения, но хуже — эндокринную систему). В то же время даже в пределах одной системы имеется также четкая дифференциация знаний по процессам, происходящим на разных уровнях ее организации. Гематолог-клиницист — специалист по заболеваниям крови — хорошо знает проявления таких болезней в клинической картине и в традиционных показателях лабораторного анализа периферической крови и пунктатов костного мозга, но нередко он менее хорошо знает гистологическую и морфологическую основу болезни (это прерогатива морфологов и патологоанатомов) и может недостаточно знать тонкости дифференцировки и пролиферации морфологически неразличимых стволовых клеток.

Еще сложнее обстоит дело с использованием в клинике достижений экспериментальной цитологии, цитогенетики, молекулярной биофизики и молекулярной генетики. Здесь имеются свои узкие направления знаний, объединить которые с целью интерпретации состояний целого организма чрезвычайно сложно.

Незнание или слабое знание биофизики межсистемных взаимодействий в механизмах развития болезней затрудняет получение ответов на основные вопросы — почему происходят те или иные явления, почему они происходят в данной последовательности, а не в иной и т. д. Особую сложность представляют предпатологические состояния, когда нет очевидных проявлений заболевания, когда организм уже не здоров и еще не болен.

Среди заболеваний, имеющих неблагоприятный прогноз, первое место занимает рак — разнообразные злокачественные опухолевые заболевания, и среди них лейкоз — рак крови (или лейкемия — белокровие), самое распространенное заболевание после воздействия радиации и многих токсических соединений. Характерной чертой раковых заболеваний является длительный, иногда чрезвычайно длительный (до двух десятков лет и более) скрытый период до появления клинических признаков и жалоб больного.

Подходы биофизики к сложным проблемам, а также ее методы исследований сложных процессов оказались особенно ценными в изучении состояния организма в период до появления клинических форм заболевания, т. е. в предпатологический период, когда еще возможно эффективное лечение и возвращение организма к норме. Именно с позиции биофизики сложных процессов и будут ниже рассмотрены проблема рака на примере лейкоза и проблема предраковых и предлейкозных состояний.

Лейкоз — генерализованная форма рака

Рак — проблема XX века

Строго научное определение «рак» объединяет лишь злокачественные опухолевые заболевания кожи и производных его зачаткового листка. Более широкое понятие рака, распространенное, в частности, у неспециалистов и среди населения и используемое нами здесь, объединяет все злокачественные опухолевые заболевания, число которых превышает сто наименований. Среди них и быстро завершающиеся смертельным исходом саркомы некостной ткани, и вяло текущие хронические заболевания лимфатической системы, сопровождаемые нередко длительными ремиссиями (т. е. временными улучшениями здоровья). Канцерогенез (от латинского слова «канцер» — рак) описывает многоэтапный процесс перехода здоровой ткани в злокачественную, важнейший этап которого — малигнизация связан с трансформацией, т. е. с непосредственным приобретением клетками свойств злокачественности.

Главные среди этих свойств следующие: способность к безудержному размножению клеток, переставших подчиняться регулирующим механизмам организма-хозяина; способность проникать, прорастать в окружающие здоровые ткани и вызывать в них нарушения в функционировании и повреждения; способность отрываться от основной опухоли и переноситься с током крови и лимфы в другие органы и ткани и образовывать в них вторичные опухоли — метастазы; способность вызывать общие нарушения обмена веществ и отравлять организм продуктами распада опухолевых клеток.

Коварство рака связано с тем, что организм не чувствует появления начальных этапов канцерогенеза, и обычно впервые обращаются к врачу, когда началась уже прогрессия сформировавшейся опухоли (ее быстрый рост), препятствующий нормальному функционированию ряда органов. Из этого следует чрезвычайная важность исследований механизмов самых ранних этапов канцерогенеза в доклинический период.

Коварство рака связано и с бесконечным разнообразием факторов, способствующих и вызывающих рак. Поиск общих для них закономерностей также относится к первоочередным задачам исследователей.

Рак стал болезнью XX в. По числу смертельных исходов рак занимает второе место после сердечно-сосудистых заболеваний. Однако страх у населения перед угрозой заболеть раком выше, чем каким-либо другим заболеванием. Это связано как с действительным повышением частоты злокачественных заболеваний за последние 50—100 лет, так и с определенной неинформированностью населения о возможности современными лечебными средствами противостоять неотвратимому смертельному исходу, особенно в случае раннего обращения больного к врачу.

Повышение частоты злокачественных заболеваний связано с улучшением выявления рака, с увеличением средней продолжительности жизни людей и с увеличением контингента людей, имеющих контакт с различными потенциально канцерогенными факторами на работе и в окружающей среде.

Рак не есть болезнь только XX в. и только человека. Различными формами злокачественных опухолевых заболеваний практически болеют все виды многоклеточных организмов животного и растительного мира. Рак старше человека. Рак (остеосаркомы и другие формы) обнаружен и среди ископаемых остатков растений и животных, живших задолго до появления человека на Земле, например у динозавров. Следовательно, эволюционно-биологический подход к проблеме рака может оказаться очень полезным в изучении его загадок, в изучении этиологии (причин) и механизмов его развития.

О причинах возникновения рака и возможностях его лечения среди неспециалистов бытует много легенд, далеких от реальной действительности. На самом деле имеется большое количество разнообразных опухолевых злокачественных заболеваний, которым тем не менее присущи некоторые общие черты. В случае несвоевременной диагностики и лечения действительно неотвратимо наступает смертельный исход. Однако нельзя к диагнозу рака относиться как к смертельному приговору. К настоящему времени накоплено много материалов, свидетельствующих о важности участия самого больного в определении исхода заболевания, о еще большей важности состояния организма в предшествующий период, когда человек был еще здоровым и не подозревал, что многое из его образа жизни, его привычек и поведения может привести к возникновению изменений в организме, способствующих развитию рака. Эти изменения накапливались в так называемый предпатологический период.