تطور السرطان رياضي – كيف يمكن للعمليات العشوائية وعلم التخلق أن يفسر سبب تغير شكل الخلايا السرطانية وانتشارها ومقاومتها للعلاجات

غالبًا ما يُنظر إلى السرطان على أنه مرض ينشأ عن طفرات جينية تؤدي إلى انقسام الخلايا بشكل لا يمكن السيطرة عليه وغزو أجزاء أخرى من الجسم. لكن انتشار الخلايا بعيدًا عن أصولها هو في الواقع عملية طبيعية في بعض الحالات. يحفر الجنين في الرحم أثناء الحمل المبكر. تنتشر الخلايا المناعية من العقد الليمفاوية إلى مواقع العدوى لمهاجمة البكتيريا الغازية. والخلايا الجرثومية تهاجر إلى حيث ستكون الغدد التناسلية أثناء النمو البشري المبكر.

السرطان ليس مرضا موحدا. بدلاً من ذلك ، السرطان هو مرض اللدونة المظهرية ، مما يعني أن الخلايا السرطانية يمكن أن تتغير من شكل أو وظيفة إلى أخرى. يتضمن ذلك العودة إلى الحالات الأقل نضجًا وفقدان وظيفتها الطبيعية ، مما قد يؤدي إلى مقاومة العلاج ، أو تغيير نوع الخلية تمامًا ، مما يسهل حدوث النقائل.

بالإضافة إلى التغييرات المباشرة في الحمض النووي للسرطان ، فإن المحرك الرئيسي لتطور السرطان هو مكان ووقت تنشيط الحمض النووي الخاص بك. إذا كان الحمض النووي الخاص بك يحتوي على “الكلمات” التي توضح الجينات الفردية ، فإن علم التخلق هو “قواعد” الجينوم الخاص بك ، حيث يخبر تلك الجينات ما إذا كان يجب تشغيلها أو إيقاف تشغيلها في نسيج معين. على الرغم من أن جميع الأنسجة في الجسم لها نفس تسلسل الحمض النووي تقريبًا تمامًا ، إلا أنها يمكن أن تؤدي وظائف مختلفة بسبب التعديلات الكيميائية والهيكلية التي تغير الجينات التي يتم تنشيطها وكيف. يمكن أن يتأثر هذا “الإيبيجينوم” بالتعرضات البيئية مثل النظام الغذائي ، مما يضيف بُعدًا لكيفية فهم الباحثين لمحركات الصحة بخلاف كود الحمض النووي الموروث من والديك.

أنا باحث في مجال السرطان ، ويدرس مختبري في جامعة جونز هوبكنز كيف يتم التحكم في الاختلافات بين الأنسجة الطبيعية بواسطة كود جيني ، وكيف يتم تعطيل هذا الرمز في السرطان. في مراجعتنا المنشورة مؤخرًا ، وصفت أنا والزميل أندريه ليفتشينكو في جامعة ييل نهجًا جديدًا لفهم مرونة السرطان من خلال الجمع بين علم التخلق والرياضيات. على وجه التحديد ، نقترح كيف يمكن لمفهوم العشوائية أن يلقي الضوء على سبب انتشار السرطانات وتصبح مقاومة للعلاجات.

ما هو العشوائية؟

العشوائية هي مفهوم رياضي يشير إلى فكرة أن عشوائية الخطوات في عملية ما تؤثر على إمكانية التنبؤ بنتائجها. اشتهر ألبرت أينشتاين بدراسة هذا المفهوم المطبق على حركة الجسيمات العالقة في سائل أو غاز. يمكن للباحثين تطبيق العشوائية لدراسة انتشار ومقاومة وتطور COVID-19 وسلوك سوق الأسهم وتقريباً أي لعبة داخل الكازينو.

الطريقة الرئيسية لقياس العشوائية للعملية هي الانتروبيا ، والتي تحدد درجة عدم اليقين في النتيجة. على سبيل المثال ، القرعة العادلة للعملة لها إنتروبيا واحدة ، أو معلومات منخفضة ، لأنه لا توجد طريقة للتنبؤ بما إذا كانت قرعة العملة ستكون وجهًا أم ذيلًا. لكن القرعة الموزونة للعملة لها إنتروبيا صفرية ، أو معلومات عالية ، حيث أن النتيجة معروفة بالفعل ولن يتم الحصول على معلومات جديدة عن طريق رمي العملة المعدنية.

يمكن للباحثين استخدام الإنتروبيا لقياس مقدار الضوضاء المعلوماتية في الاتصالات. يمكن أن يساعد الانتروبيا أيضًا اللاعبين على التغلب على لعبة Wordle. الكلمة التي بها أعلى إنتروبيا وبالتالي أكبر معلومات جديدة متوقعة بعد كل تخمين ستكون أفضل رهان لك.

علم التخلق يربط العشوائية والسرطان معًا

يسمح دمج العشوائية والنتروبيا في علم الأحياء للباحثين بفهم المرونة المظهرية في السرطان بشكل أفضل. هذا يمكن أن يعيد تصور التطور من خلال تضمين قابلية الانعكاس ، أو التحرك عكس “سهم الوقت”. ينحرف هذا عن منظور أكثر كلاسيكية للتطور الجنيني الذي يرى أن الأنسجة تتمايز بشكل تدريجي ولا رجعة فيه إلى حالتها النهائية أثناء تطورها.

يستخدم علماء الأحياء التجريبية والحاسوبية الانتروبيا لفهم العشوائية الكامنة في كيفية تنظيم الخلايا داخليًا ، والاستجابة للإشارات البيئية ، ونضج الأنسجة وتشكيلها.

العشوائية في علم التخلق أمر بالغ الأهمية لكيفية تطور السرطان. على سبيل المثال ، تحدث حالة تسمى مريء باريت عندما تطور الخلايا السليمة في المريء ميزات تشبه إلى حد كبير ما تمتلكه الخلايا المبطنة للأمعاء بشكل طبيعي ، والتي يمكن أن تؤدي في النهاية إلى سرطان المريء. يحدث هذا بسبب التغييرات العشوائية التدريجية في الشفرة اللاجينية ، ويحدث هذا التحول بسرعة أكبر بمجرد وصوله إلى عتبة معينة. تؤدي الطبيعة العشوائية لهذه التغيرات اللاجينية أيضًا إلى زيادة الانتروبيا في وظيفة تلك الجينات ، والتقدم نحو السرطان.

من خلال قياس نشاط الجين والتغيرات اللاجينية للخلايا الفردية ، يمكن لعلماء الأحياء والرياضيين مقارنة الانتروبيا في الخلايا السرطانية بالخلايا الطبيعية المحيطة بها. بدأ العلماء الآن في تحديد مناطق الجينوم التي تتوسط العشوائية في السرطان. وجدت دراسة لم تخضع بعد لمراجعة الأقران أن الانتروبيا مرتبطة بكيفية ضغط الكروموسومات ماديًا في النواة ، وهي آلية جينية رئيسية أخرى للتحكم في نشاط الجينات في السرطان.

هناك علاقة بين الإنتروبيا والشيخوخة أيضًا. وجدت أنا وزملائي أن شيخوخة الإنسان مرتبطة بزيادة الانتروبيا اللاجينية في الجلد المتضرر من الشمس. تتعرض أجزاء الجينوم التي تحتوي على نسبة عالية من الانتروبيا إلى مزيد من فقدان المعلومات اللاجينية في الجلد المعرض للشمس ، مما قد يؤدي إلى الإصابة بالسرطان. في الآونة الأخيرة ، حدد الباحثون تلف الحمض النووي كسبب لهذا الانتروبيا المرتبطة بالعمر في الفئران. وبالتالي ، إذا زادت الانتروبيا اللاجينية مع تقدم العمر وكانت مرتبطة بتلف الحمض النووي ، فقد يساعد ذلك في تفسير سبب زيادة خطر الإصابة بالسرطان بشكل صارخ مع تقدم العمر.

من خلال تحديد كيفية تحفيز الانتروبيا اللاجينية للسرطان ، قد يكون العلماء قادرين على اكتشاف السرطان بشكل أفضل في مراحله المبكرة ، وتصميم الأدوية التي تقلل الانتروبيا وبالتالي تقلل من خطر انتشار الأورام وتصبح مقاومة للعلاج.

وربما الأهم من ذلك ، أن الانتروبيا اللاجينية تُظهر أنه لا يمكنك فهم السرطان بشكل كامل بدون الرياضيات. تلحق علم الأحياء بركب العلوم الصعبة الأخرى في دمج الأساليب الرياضية مع التجارب البيولوجية.