王远东-用混沌生物学的观点看当前的肿瘤治疗.doc

王远东-用混沌生物学的观点看当前的肿瘤治疗.doc 596 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) 用混沌学的观点看当前的肿瘤治疗 广州医学院附属肿瘤医院 王远东 一、 前言 目前肺癌的辅助和新辅助治疗、晚期肺癌一线、二线方案、甚至三线方案的选择，到分子靶向治疗，治疗手段和方法，似乎有了飞速的发展，但是治疗结果却给人总的感觉正像美国化疗之父Kennidy教授所说的，“肺癌治疗的进步像蜗牛一样缓慢”。尽管各类新的化疗药物还在不断研发和问世，但它们对肺癌的治疗已基本进入一个平顶期。分子靶向药物的出现以及根据各种癌症的不同基因表型而无意或有意设计的用药方案，却出现了很多值得我们重视的结果和现象，为此，以新的观点重新审视目前肿瘤治疗的方法，具有重要的意义。 二、 混沌理论简介 混沌现象广泛存在于自然界。混沌学(Scientific Chaos)与相对论、量子力学一起被誉为二十世纪人类的三大发现。事实上，混沌学、相对论与量子力学是上世纪三次重大的科学革命，成为正确的宇宙观和自然哲学的里程碑。正如美国著名科学家詹姆斯.格莱克所说的那样:“混沌学排除了拉普拉斯决定论的可预测性的狂想”。 1892年，法国数学家J. H. Poincare己经发现按照哈密顿方程进行时间演化的某些力学系统可能出现 [1]混沌运动。1963年麻省理工学院著名的气象学家洛伦兹(Lorenz)发现:在一个特定的方程组中，小小差异就可引起相去甚远的最终结果，显示确定论的系统表现出随机行为。这一论点打破了拉普拉斯决定论的经典理论，这种新现象也是以前的科学家所无法解释的。后来洛伦兹又提出了“蝴蝶效应” 的理论，即一种对初始条件的极其敏感性依赖性。洛伦兹的发现和研究，开启了现在混沌理论研究的大门。 上世纪70年代是混沌理论基础研究高速发展的年代。1971年法国物理学家D. Ruell和荷兰数学家F. Takens引入“奇怪吸引子”概念。1975年，中国学者李天岩和美国数学家J. Yorke在《America Mathematics》 [2]杂志上发表了“周期三意味着混沌”的著名文章，深刻揭示了从有序到混沌的演变过程，这也使“混沌”作为一个新的科学名词正式出现在文献之中。1977年，第一次国际混沌会议在意大利召开，标志着混沌研究在国际科学界的正式起步。1978年，美国物理学家M. J. Feigenbaum在《统计物理学杂志》上发表了“一类非 [3]线性变换的定量的普适性”的文章，轰动世界。1978年和1979年Feigenbaum等人在R. May的基础上独 [4]立地发现了倍周期分叉现象中的标度性和普适常数，从而使混沌在现代科学中奠定了坚实的理论基础。 在20世纪80年代，混沌科学又得到了进一步的发展，人们也更着重研究系统如何从有序进入新的混沌及其混沌的性质和特点。1980年，美国数学家B. Mandelbrot用计算机绘出了第一张Mandelbrot集的混沌图像。1981年，F. Takens提出了判定怪引子的实验方法。1983年，加拿大物理学家L. Glass在《物理学》杂志上发表了《计算奇异吸引子的奇异程度》的著名文章，并开创了全世界计算时间序列维数的热潮。 到了20世纪90年代，混沌与其他学科相互渗透、相互促进，进入了广泛应用研究阶段，关于它的研究几乎跨越了自然科学和社会科学的所有领域，也出现了突破性的进展，由此激发起来的理论与实验应用研究蓬勃展开，使得混沌理论不论是在自然科学还是在社会科学，如在生物学、数学、物理学、化 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) 597 学、电子学、信息科学、气象学、宇宙学、地质学、经济学、人脑科学，甚至在音乐、美术、体育等多个领域都得到了广泛的应用。 对于混沌严格的定义，目前科学上还没有确切的定义，但随着研究的深入，混沌的一系列特点和本质被揭示，对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。目前人们把混沌看成是一种无周期的有序。它包括如下特征:(1) 混沌具有内在的确定性，它虽然貌似噪声，但不同于噪声，系统是由完全确定的方程描述的，无需附加任何随机因数，但系统仍会表现出类似随机性的行为;(2) 混沌具有分形的性质;(3) 混沌具有标度不变性，是一种无周期的有序。在由分岔导致混沌的过程中，还遵从Feigenbaum常数系。(4) 混沌现象还具有对初始条件的敏感依赖性。只要初始条件稍有偏差或微小的扰动，则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的。 三、 分子靶向药物治疗肿瘤现状 目前，癌症的分子靶向治疗显示出了“令人鼓舞”的前景。研究人员有充分的理由相信，癌症分子靶向治疗的最大好处就在于，针对性强，效果显著，在杀伤癌细胞时基本上不损伤正常组织，被认为是未来癌症治疗中最具前景的研究方向之一。 癌症分子靶向治疗方法主要有靶向基因治疗、靶向病毒治疗。根据2004年12月的统计，共有900多个基因治疗方案进入临床，63.4%用于癌症的治疗，以腺病毒携带P53临床进展最为迅速，全球至少有5个治疗方案进入 ? 期临床试验。二是抗体治疗，至今全球已报道的抗体有10万多种，其中基因工程抗体有1000多种，人源化抗体200多种。目前国际上已有500多种抗体用于诊断与治疗，美国食品与药物管理局至今已批准18个抗体上市，其中8个是用于肿瘤治疗的靶向抗体。单克隆抗体之所以颇受青睐，是由于单克隆抗体具有无可比拟的技术优势:比传统生物药物产品开发过程更快捷，疾病治疗的靶点特异性高、副作用低、患者治疗依从性好，具有携带各种“武器”到达靶目标的能力(包括药物、放射性物质、毒素)及诱导针对疾病的免疫反应的能力。 目前分子靶向治疗基于阻断理论，该疗法通过阻断癌细胞的重要通路在细胞内部或外部起作用，因此对于非癌细胞具有微弱效应。虽然分子靶向治疗研究进行得“轰轰烈烈”，但是到目前为止，绝大多数分子靶向治疗的临床试验结果都远非科学家们所期待的那样令人满意。于是，目前正在研究的多靶点联合阻断成为了发展希望。通过临床试验发现，多靶点联合阻断取得了一些令人振奋的效果，但是依然有很多疑点，如由于对HER-2表达的深入认识和相应药物赫赛汀(Herceptin)的使用，使约四分之一的顽固乳腺癌病人得到挽救和生命延长。又如由于对胃肠间质肉瘤(GIST)支配性基因C-Kit的认识和相应靶向药物伊马替尼的应用，使这一放化疗高度抗拒的肿瘤获得60%的缓解率和80%的临床受益率。这些都是肿瘤治疗中划时代的进步。但是，我们仍然有很多东西不甚了解。如同样是EGFR阻断剂的单克隆抗体Cetuximab和小分子化合物Gefitinib和Tarceva在与化疗药物联合使用时表现出完全不一样的结果。前者在结肠癌和头颈部肿瘤中与化疗药表现出协同作用，甚至能逆转化疗的耐药;而后者在晚期非小细胞肺癌的治疗中完全不能增加当前最好的化疗药物(如GC和TCb)的疗效，国际上四个大型?期随机临床研究均以失望结果而告终。而同样是小分子化合物的ZD6474与多西紫衫醇联合在二线治疗晚期NSCLC中就具有协同作用。 又如同样是奎纳唑啉类小分子化合物的EGFR阻断剂Gefinitib和Tarceva在治疗同一种病，即晚期非 598 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) 小细胞肺癌中也有完全不同的表现。最近刚刚结束的0709 ISEL研究对1692名病人的总结，未看到Gefinitib与安慰剂组在中生存和一年生存率上的差别，而同时期的BR21研究却肯定了Tarceva的疗效。 因此，在分子靶向治疗中出现了一些奇怪的现象:单靶向治疗似乎和多靶向治疗效果相似;治疗后有明显的好转却似乎在某一时刻又会反复到治疗前的水平，很难取得理想的结果。这些现象似乎在暗示我们，应该以一种新的观点来认识肿瘤的治疗，才可能取得在将来的肿瘤治疗上取得突破。 四、 基于概率论的循证医学 循证医学是近年来广泛兴起的临床医学，其创始人之一的David Sackett教授将循证医学定义为“慎重、准确和明智地应用现有的最佳研究证据，同时结合临床医生的个人专业技能和多年临床，考虑患者的权利、价值和期望，将三者完美地结合以制定出患者的治疗措施”。其核心思想是在临床医疗实践中，对患者的医疗决策都应尽量以客观的科学研究结果为证据，循证医学在肿瘤治疗中的应用越来越广泛，即根据科学客观的研究结果选择肿瘤的治疗方案，从而提高肿瘤治疗的有效率和治愈率。 很多文献、资料都在大张旗鼓介绍循证医学在肿瘤治疗中取得的进展，几乎各大医疗结构、研究部门也在广泛地研究，并将这一新的观点很快的应用到了临床并取得了一定的效果。但是，也有很多尴尬的事情出现:如“各个医院的医生也都有各自的治疗方法，但常常不知道甲、乙、丙三个医生谁的方法更好”;“国内几个大的肿瘤中心都在采取单病种集团军方式，外科医生、肿瘤内科医生、放疗科医生、影像学家、病理学家、实验研究人员齐集在一个科室，共同处理癌症患者，大大提高了治疗效率和效果”条件下，依然是“目前肺癌化疗的总体有效率不到50%，几乎每两个人就有一个人无效”，这还是指的有效率;“在这种情况下，制定临床诊疗方案所依赖的证据常常是差别较大，甚至是截然相反的。依赖不同的临床证据可造成对同一病人提出截然对立的治疗方案”等等。 实际上，从循证医学的出发点和操作看，出现上述尴尬情况是很容易理解的:在制定临床诊疗方案时候，概率论是其主导思想。循证医学的关键在于“寻求及采纳当前最佳的医疗方法来治疗患者”，什么是“最佳的医疗方法”呢,临床医学是以经验为基础的医疗模式，诊断、治疗、检查以及预防疾病一般都要依靠医生本身的经验。但每个医生的医疗方法是有差异的，难以确定哪一种医疗方法为最佳。单凭本身治愈少数病例所累积的经验是否为最佳的医疗方法,回答当然是否定的。这样做的医疗效果可能出于偶合，所获结论也可能欠缺客观，不能正确的指导临床。而循证医学则以强有力的证据为基础，遵循科学依据和有逻辑性的临床医学，同时经过科学研究得出最后的结论。简单的讲也就是通过大规模的前瞻性、随机的比较各种治疗方法的疗效，以客观的数据来说明今后治疗选择的优缺点。由此看见，循证医学是建立在概率论的基础上，因此，是一种缺乏对病源本质认识而不得已采用的措施。表面看起来一样的肿瘤症状，采用相似的治疗组合，可能却得到完全相左的结果。这是概率论必然的结果。概率论追求的众多的数据下的出现更高概率的可能性，而对于相左的结果就只能用概率解释了。目前肿瘤治疗中出现停滞不前的现象似乎在暗示:应该重新审视肿瘤发展的本质，才能在更高的角度来指导肿瘤治疗方法的研究和开展。 五、 生命活动的混沌现象 混沌理论可揭示生命活动的多样性和复杂性。生命活动存在着多样性和复杂性，生物体不是各种生物 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) 599 分子功能的简单叠加， 不同的生物分子与组织之间有着复杂的网络关系， 生物的许多系统都是复杂的非线性系统， 而混沌作为非线性理论中的一个组成部分及其特点， 自然而然地被应用到了生物领域， 成为研究生物复杂系统规律的新方法和新手段。目前的研究结果说明， 许多生物系统中都有混沌现象存在。 图1 两种不同人体的脑电图(a.正常人 b.癫痫病人) 图1显示两种不同的人体脑电图的记录。人们发现，正常人的脑电图的信号具有不规则的混沌特性，与此相反，医学诊断中已在癫痫病人身上观察到癫痫发作之间存在准周期性电脉冲(图1.b)，即人脑的混沌特性被破坏了。神经科学家W(J(Freeman和Shiff都认为“人体中混沌或许越多越好”。 另外，研究观察证实，人体能够被精确记录的现象中，混沌现象也是普遍存在:心电图、呼吸节奏、脑电图、视网膜电图等等，在神经的控制下随时间和空间的不同而呈现出混沌运动状态。当一个人的心率出现有规律的周期振荡，可能是心脏突然停止或心脏猝死危险的征兆。患有癫痫、帕金森氏病和狂郁症等精神失调病的人，其神经系统就表现出丧失多变性而出现病理周期性。因此，出现“周期性”是一种所谓“动态病”，为了医治这种“动态病”，其办法就是设法变“周期态”为“混沌态”，即进行混沌反控制，才能治好“动态病”。可见，人体内某些功能的混沌运动是一种健康的标志，而周期性行为及其周期增强却可能是许多疾病的表现或预兆。 六、 正确看待肿瘤治疗中的混沌现象 上述可见，混沌现象广泛存在于生物体生命现象中，那么，将肿瘤体视为一个生命体，它依然具有上述生命体所具有的混沌特点。有明显的证据显示，某些肿瘤体可以说是与生俱来，如诱发皮肤癌的黑痣，但是，真正转换为皮肤癌的几率很小。只有在某些特定的条件下，这些“种子”才会失控转变为肿瘤，即这个“种子”满足了混沌的条件，成长为了一个“健康”的肿瘤生命体。因此，如果简单的将肿瘤治疗过程看作一个线性过程，那么，就很难理解上述肿瘤治疗现象中存在的各种反复的、不稳定的治疗结果了。 目前在肿瘤治疗中，还是概率论占主要地位，人们还是希望通过随机的概率来给当前的治疗提供证据，循证的方法也在不断提出肯定，不久又变成否定的结论。 那么为什么会这样? 目前的肿瘤治疗忽视了人体是一个大的系统，混沌的本质是对初始条件的依赖，是非线性问题。我们目前的临床治疗只是在一个系统的阶段，来进行不同手段的干预。更多是用典型病例的研究和作些概率分析。从而随机的循证在指导肿瘤治疗的全部。希望用概率论的观点，用循证的方法解释一切。 600 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) 肿瘤细胞是一种失控蛋白质分子，其分裂复制出现了不正常的发展。可以以蛋白质分子的混沌态观点对其进行分析。美国加州大学彼得.莱尔德的研究证实癌症源于干细胞，而干细胞是被一种沉默基因做了记号，基因的永久沉默会阻止胚胎干细胞分化，这些胚胎干细胞成为癌症的种子，也就是癌症的初始条件，随着生命的进程最终导致癌症的形成。他们发现被Polycomb蛋白质抑制的177个基因中有77个呈现与癌症相关的DNA酶修饰迹象，胚胎干细胞中一个Polycomb靶蛋白异常性的甲基化的几率是12倍，被Polycomb蛋白质抑制的基因，预示着它们的表达会由于甲基化作用而被永久关闭。 著名理论物理学和理论生物学家 A.S. Davydov在20世纪70年代末，将他的在一微分子中的孤立子理论移植到螺旋蛋白质分子中，导出了表达螺旋蛋白质分子集体激发和分子链的位移变化的运动方程，在连续近似条件下，该方程可以化为非线性薛定萼方程。由于采用了连续相似，故螺旋蛋白质分子被看成沿x轴的一条直线。我国学者周凌云等人在Davydov方程的基础上，考虑电磁波的作用，对Davydov方程进行了演化，结果系统出现了Smale马蹄，表明系统出现了混沌。 上述结果表明，蛋白质分子在激光的作用下，会在孤立子运动状态转变为混沌运动状态。而弱激光作用于生物后，从宏观上看，产生的主要是热效应和光效应，从微观看是电磁及其量子效应。也就是说，在蛋白质这些大分子的运动，在外部刺激的作用下，会由简单的运动变为复杂的混沌运动，其复制出来的下一代可能就无法预测，即出现了肿瘤细胞，而对于肿瘤的治疗中，如采用化疗、靶向治疗等方法，就是利用了混沌现象中混沌对初始位置的极端敏感性这个特点进行了混沌干扰控制，因此，在一定的条件下，减弱了混沌现象，对外表现为病情好转，即采用很小的修正，将对混沌的发展起到很明显的抑制作用。这也解释了单阻断治疗和多阻断治疗，其效果相差不大的原因，即由于混沌现象的存在，单干扰和多干扰，带来的最终结果都相差不大。另外，由于治疗仅仅对混沌进行了干扰和抑制，并没有消除混沌产生的根本原因，因此，很难治愈肿瘤就很容易理解了。 七、 肿瘤治疗的新路径——癌症体的混沌控制 1994年加拿大的Schipper教授根据50多年治疗肿瘤的临床经验，流行病学和实验室的研究结论，认 [11]为癌变过程特点是调控失常，而不是充分的自主性，致癌作用是一个有逆转可能的连续统一体。我国科学家陈竺通过实验研究证明中药砷剂治疗白血病的机理是中药可以诱导白血病细胞分化凋亡，说明致癌作用是一个有逆转可能的连续统一体。又比如，有些癌症患者，药物已无法挽救了，但医生还是会每天按时给他服用药物，并且告诉他那是非常有效的药物，其实那只不过是最普通的维生素药片而已，但癌症患者却相信了那是特效药，使自己变得非常有信心、乐观、精神状态非常好，临床上可能会发现，在一段时间以后，这个医学上的绝症病人竟然完全康复了，这就是所谓的“安慰剂效应”。目前医学上还不是十分清楚这其中的生物化学反应的机理，但临床医学上确是常可以见到的。 无容置疑，如果以混沌生物学的观点来看，肿瘤治疗就是一个控制肿瘤混沌活动的过程。这同传统的彻底杀死癌细胞、手术去除肿瘤的观点，有着本质的区别。即我们允许体内癌细胞的存在，但是要控制其生命体的活动，最后使其缺乏生命体的特征而自行“饿死”、消亡。 那么，怎么才能达到上述目的呢,长期以来人们误解为混沌是不可控的、不可靠的，因而被视为无法驾驭的怪物，在应用及工程领域中曾经一度被回避。但是，1990年出现了“柳暗花明又一村”的转机，混沌同步及混沌控制同时取得了突破性进展。混沌同步是由美国海军实验室的科学家Pecora和Carroll开 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) 601 创，混浊控制则是由美国马里兰大学三位物理学家Ott、Grebogi和Yorke从理论上提出了参数小微扰方法(简称为OGY方法)，使混沌控制引起了世界性的广泛关注。同年，Ditto及其同事很快利用OGY法首次在一个物理系统上，即对磁弹性体混沌系统实现了周期1的稳定控制。这些先驱性的工作表明，混沌控制与同步完全可以稳定地实现，为肿瘤的控制和治疗带来了曙光。 混沌系统的最大特征——“蝴蝶效应”显示混沌系统对初值条件的微小变化，表现出来的强烈反响，长时间后产生大相径庭的行为特征，正好可以被巧妙地用来实现对混沌的控制，从而发展起来了一大类控制混沌的小微扰控制法。OGY方法具体实现方法为:先由低周期轨道起步，逐步筛选出混沌吸引子上的一些不稳定周期轨道，当系统靠近不动点时，对参数值进行微扰，利用对参数所允许的最大扰动量，随时间作适当调整，迫使所选的轨道移向不动点，经过多次反复调整，最终可使所需的周期轨道稳定在期望点上，即消除了系统混沌态。 OGY方法有很多优点是，对于肿瘤体生命特征混沌控制最有吸引力的是:(1)无须预先知道或研究系统的动力学模型，庞加莱映像可由实验测量的时间序列用延迟坐标法来获得;(2)对映像迭代所需的计算量最少，即控制代价小;(3)所需的参数变化很少，即考虑的因素较少;(4)必须估算所需的不稳定不动点的某些性质，但是可以粗估即可。在特征值及特征矢量测量不精确的情况下也可以实现混沌控制。 由于目前对肿瘤体生命特征混沌还很缺乏研究，更缺乏其动力学模型研究，因此OGY方法非常适合肿瘤治疗目前现状。研究肿瘤生命体混沌特征是目前控制肿瘤的关键步骤，有了对其深入的了解，就可以应用这种微扰控制法控制肿瘤生命体。采用诸如分子靶向治疗等手段作为微扰加入，监视肿瘤生命体的混沌特征，将其控制在一个特定的轨道上，使其“生病”，而最终导致其没有生命活力而自行“饿死”或者被免疫系统控制而处于休眠状态。新的观念——肿瘤的混沌态治疗的出现，才有可能将肿瘤治疗推进到一个新的发展阶段，为打破目前治疗状态的尴尬局面带来一丝曙光。 八、 结论 (一) 肿瘤的产生原因，是由于本来规则的蛋白质复制在外界刺激的作用了产生了混沌了运动，导致了复制的结果出现了畸形，肿瘤的生命体出现了蓬勃发展的趋势所致的; (二) 目前对于肿瘤治疗的方法，依然还是着眼于清除癌细胞、杀死癌细胞这种简单低级的观念上，因此，对于中晚期肿瘤病人，根本无法控制其癌细胞的扩散而显得无能为力; (三) 为此对于肿瘤治疗提出了一种新的方向，即从根本上抑制肿瘤体的生命体特征，使其“生病”而消亡，才有可能真正治愈肿瘤。 (四) 指明了目前肿瘤生命体混沌特征和动力学模型，是目前治疗肿瘤的关键因素之一，有了这些基本研究，就可以采用技术手段控制其发展，直到最终消亡。 参考文献 [1] Lorenz E. Deterministic non-periodic flow. Atmos SCI, 1963, 20: 130. [2] Li TY, Yorke JA. period three implies chaos. Am Math, 1975, 82: 985-992. [3] Feigenbaum MJ. Quantitative universality for a class of nonlinear transformations. Journal of Statistical Physics, 1978, 19(1): 25-52. 602 中国临床肿瘤学教育专辑 (2007) [4] Feigenbaum MJ. The universal metric properties of nonlinear transformations. Journal of Statistical Physics, 1979, 21(6): 669-706. [5] Rabinovich MI, Abarbanel DI. The role of chaos in neural system. Neuroscience, 1998, 87: 5. [6] Sarbadhikari S N, Chakrabarty K. Chaos in the brain: a short review alluding to epilepsy, depression, exercise and laterization. Med Eng Phys, 2001, 23: 445. [7] Osaka M, Saitoh H, Atarashi H, et al . Correlation dimension of heart rate variability: a new index of human automatic function. Front Med Biol Eng, 1993, 5 (4): 289. [8] Kroll M W, Fulton K W. Slope filtered pointwise correlattion with prefibrillation heart rate data. Electrocardiol, 1991, 24: 97. [9] Kaplan D T, Furman M I., Pincas S M, et al. Aging and complexity of cardiovascular dynamics. Biophys, 1991, 59 (4): 945. [10] 王琰, 朱伟勇, 时景. 疾病流行过程的混沌分析. 中国卫生统计, 1999, 16 (2): 82. [11] Schipper H. Treating cancer is kill cure? Ann Acad Mcd Singappre, 1994, 23(2): 382-386.