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目前认可度最高的理论认为，癌症的起点是一系列随机突变，这些突变会产生异常细胞，出现复制失控等错乱行为。突变的产生可能是遗传性的，也可能是食物等环境因素所致，还可能涉及与微生物的相互作用和炎症引起的紊乱。
突变可能恰巧发生在DNA复制校正的通路中，从而导致一个恶性循环甚至产生更多突变，使细胞复制不再受到常规限制。癌症出现后，细胞一般是先有十几个突变，再在好几年内逐渐积累多个突变。一个癌细胞可能带有100种不同的突变，因此即使所患癌症类型相同，不同个体也可能带有大量不同种类的突变。虽说只有一小部分异常细胞会发生癌变，但只要有一个异常细胞就足以启动整个癌症形成过程。
通过发生突变，癌细胞将能够采取多种方式来突破遏制异常细胞行为的限制。所有细胞都有一个内置系统，即程序化细胞自杀途径，作用是消除异常细胞和严重感染的细胞。但在癌症中，这种自杀途径并不会触发，异常细胞会继续生长和繁殖。此外，癌细胞还会通过另一种机制来改变细胞繁殖规律，即改变繁殖所需的染色体末端，我们称之为端粒。
癌细胞以无秩序、不受控的方式迅速分裂
（电子显微镜照片，史蒂夫·格斯迈斯内尔/科学图片库）
在正常细胞不断分裂的过程中，端粒通常会逐渐消耗，直至细胞不再分裂。癌细胞会刺激一种能够重建端粒的酶，让细胞能够继续不受控制地繁殖，以达到“一分为五”而非“一分为二”的分裂效果。
直到最近科学家才发现，癌症突变还会以各种复杂的方式来改变RNA的生成。具体来说，一些通常会刺激细胞损伤修复的RNA将受到抑制，进而为癌症的发展创造有利条件。另外，RNA还能够触发引起癌症的基因。举例来说，研究人员最近发现了一个大型RNA系统，能够调控500个基因。如果这些基因发生变化，它们将能够触发、抑制或以其他方式来影响癌细胞生长。这些基因有250000种独特的相互作用方式，其中多半会引发癌症。
通过利用高级细胞通信手段，癌细胞能够建起自己独特的生活圈。与微生物的行为相似，癌细胞有时会分头行动，再组队作战，仿佛它们是一种多细胞生物。癌细胞会向同伴发送信号，要它们警惕病毒的攻击。它们还可以发信号促进新血管的生长，同时通过改变现有血管的走向来获益。利用信号，癌细胞还能够诱骗它们周围的健康细胞来为它们生成所需的蛋白因子。在癌细胞的信号作用下，细胞之间的基质将发生转变。与此同时，细胞对话将引来微生物成为帮凶，达到抑制免疫攻击的效果。癌细胞还能够让局部免疫细胞叛变，成为它们的盟军，而不对它们发起攻击。
癌症的信号丰富多样，各不相同。癌细胞会想方设法来增加血管的渗透性，以便更顺利地进入其他组织。它们还会发信号召唤神经元，帮助癌细胞群生长。从胎儿来看，一些支持神经元转移的信息同样也会为癌细胞指明行进方向。癌细胞信号能够促进蛋白质和能量分子的生成，让癌细胞能够在食物缺乏的环境中生存。在T细胞迅速建起战斗大军的同时，癌细胞也会利用同样的内部信号来转变自身的代谢，通过迅速复制来逐步形成大型细胞群。
癌细胞会通过信号来引诱它们附近的各种正常细胞，利用这些细胞来帮助自己生长。癌细胞能够拦截局部相邻细胞的对话，再发送自己的信号来扭转细胞对话的信息，从而引发癌症。这些信号能够促使结缔细胞转变支架结构，使细胞外基质倾向于支持癌组织的生长，而非普通组织细胞。在这种新环境中，氧气含量下降而液体含量上升，这样便能够阻止免疫细胞追捕入侵的癌组织。
通过利用各种信号，癌组织为它们在局部环境中的生长争取到了诸多利益。癌细胞能够诱导组织损伤，使其为自身抵挡药物攻击。癌细胞还能让局部结构性内皮细胞成为它们的帮手，产生能够保护癌组织的内皮以及一些新的血管内皮，以防免疫细胞追踪癌细胞。另外，癌细胞还会刺激免疫细胞产生一些有利于癌组织生长的因子，而这些因子原本的作用是愈合伤口和促进正常组织生长。不仅如此，一些通常会帮助T细胞对抗癌症的局部细胞也会“叛变”，转而发送信号来抑制T细胞的攻击行为。
对于癌细胞如何通过信号传递来与周围组织协作的问题，答案已经浮出水面。一开始，癌细胞会利用各种信号来编排现有的癌细胞，使之形成一个初级结构。接着，它们会招募周围的结缔组织细胞来构建最佳的内部结构构型，从而促进癌组织生长。这种编排原则同样适用于癌症向远处组织转移的情况。首先，癌细胞会发信号来编排其他癌细胞，接着，它们又会发信号给所在区域的相邻细胞，让这些细胞为癌组织的结构和生长提供支持。
癌细胞通过信号来操纵局部细胞的一种重要方式就是刺激它们变成干细胞。这些干细胞会回退到胎儿时期的细胞状态，具备支持癌组织生长的异常特性。同样，癌细胞也能够发挥这种像胎儿干细胞一样的能力。作为具备胚胎干细胞能力的细胞，癌细胞和局部细胞都能够从稳定的细胞转变为能够移动且带有攻击性的细胞。在此基础上，局部细胞将能够通过多种独特的方式来帮助癌细胞实现迅速繁殖。
在胎儿体内，两种基本的组织类型是结缔组织细胞和内皮细胞。内皮细胞具有被动性和结构性，而结缔组织细胞则具有主动性、移动性和攻击性。在胎儿发育过程中，某个细胞移动到目标位置后，会从移动型细胞转变为结构型细胞。研究发现，癌症细胞和被它们激活的邻近细胞能够从正反两个方向上利用上述切换机制，从而构建组织和转移性细胞群。有关上述转变机制的更多信息，请参阅本书谈及癌症转移的内容。
对于炎症，癌细胞是翘首以盼的。通常，炎症不仅可以防止微生物入侵，还有助于伤口愈合。在炎症这场混战中，细胞会抗击微生物并修复损伤，但由此产生的免疫攻击信号也增加了发生突变的可能性。凭借长期维持炎症水平的能力，癌症获得了“不愈之伤”的称号。当炎症成为常态时，癌细胞就能够在这种充满变数的环境下，通过多种方式来混淆免疫细胞的判断。免疫细胞会误以为癌细胞也是愈合伤口的一环，甚至会花工夫去“修复”癌细胞。
癌细胞与免疫清除细胞的关系密切。清除细胞会在癌组织中累积，而且在诸多实体恶性肿瘤等特定类型的癌组织中，清除细胞占组织总重量的三分之一。在癌细胞信号的刺激下，清除细胞会行为失常，不再听命于追踪异常情况的T细胞。不仅如此，清除细胞还会与癌症干细胞一起刺激新血管，并在癌细胞的引诱下协助它们产生新的转移性细胞群。因此，我们在癌症部位发现的免疫清除细胞越多，癌症的预后就越差。
癌细胞之所以能够利用T细胞的典型行为来获益，是因为T细胞并不认为抗癌是场持久战。一般来说，T细胞会对异常细胞或微生物入侵者发起非常短暂的攻击。攻击完成后，调节性T细胞会抑制炎症，以免造成组织损伤。这种短暂的攻击性机制对于免疫细胞抗癌来说是一种严重的限制，让它们很难根除复杂且存活时间很长的癌细胞。
尽管没有在根本上做好抗癌准备，但预警性T细胞能够率先发起攻击，并刺激其他细胞随即做出反应。不过，癌症变异的复杂性为这些攻击手段带来了阻碍。通常，异常细胞要先被呈递给T细胞，才能激起T细胞的攻击。但在癌症内部，特定的干细胞会突然发生与以往不同的新突变。接着，这种突变细胞会开始繁殖，然后成为一群新的癌细胞，这就是癌症变异。对于T细胞来说，它们很难通过调整来采取多种不同手段应对这种情况。为了解决这个问题，最新的癌症治疗方法针对特定的癌细胞类型设计了新的T细胞受体，并将其放置在T细胞中，让T细胞能够对某些癌细胞变异群发起针对性极强的攻击。
与癌症做斗争不仅会耗费很长的时间，还需要在癌症发展的每个阶段运用一系列的免疫信号。完成比抗癌更寻常的短暂攻击之后，调节性T细胞会受信号触发而克制其攻击性行为，但如果想要持续清除癌组织，需要触发的其实是杀伤型细胞，结果却事与愿违。癌细胞会煽风点火，刺激产生更多调节性T细胞，让这些细胞在数量上占绝对优势，从而干扰免疫系统对癌组织的进一步攻击。另一方面，癌细胞还会直接与T细胞竞争，吃掉T细胞所需的大部分精氨酸（一种氨基酸），以此将T细胞摧毁。
对于这种长期对抗癌症生长无果的状态，我们称之为T细胞耗竭。但最近有研究发现，少数T细胞具备长效抗癌能力。这些T细胞对抗癌症的方式更为巧妙，它们的攻击性相对较弱，不会造成组织损伤。新抗癌治疗的目标就是刺激这些罕见的长效T细胞。不过，由于局部细胞会通过抑制T细胞来为癌症提供帮助，发起短期攻击的T细胞将受到触发，从而对长效T细胞产生干扰。因此，要想进行有效的治疗，必须通过发送信号来避免触发短效T细胞，同时刺激更多长效T细胞发挥作用。
鉴于T细胞的正常保护通路会抑制其在完成短暂攻击后的持续攻击行为，新的抗癌用药有必要消除T细胞的这种本能攻击抑制机制。在大多数情况下，T细胞内的正常通路，即“检查点”，会防止T细胞的攻击波及正常人体组织。这些针对T细胞活动的“检查”能够阻止其做出不必要的攻击行为。新的抗癌用药有必要封锁这些检查点，让T细胞对癌症发起更猛烈的攻击。我们将这些新药物统称为“检查点抑制剂”。
如今，线粒体信号与癌症生长之间的重要关联已经变得越来越清晰。线粒体是细胞内自由漂浮的椭圆形细胞器，能够为所有细胞提供能量并发挥其他代谢功能，但对于癌症来说，线粒体还能以其他特定方式来提供帮助。其实已有研究证明，改变线粒体对于我们之前提到的很多癌细胞功能都有非常重要的意义。
癌细胞中的线粒体突变能够改变这些细胞复杂的代谢，从而产生诸多益处。用于消除感染或异常细胞的细胞程序性死亡的过程正是在线粒体中得以触发的，而癌细胞也正是因为线粒体发生改变才能免于程序性死亡。癌细胞靠不寻常的食物来源来获取能量，同时通过改变线粒体构建起利用这些新能量源的新通路。此外，线粒体还会通过改变代谢通路来应对慢性细胞应激。
在T细胞中，线粒体代谢信号能够提供必要的“燃料”，帮助T细胞快速繁殖，附着于癌症或受感染的细胞，进而产生致命的免疫突触来杀死靶细胞。类似的信号转变也能够帮助癌细胞快速生长，做出攻击性行为。而对于我们之前提到的T细胞攻击性行为中的检查点，与之相关的细胞通路也涉及线粒体信号。未来，我们将能够通过了解线粒体信号找到新的治疗药物，进而实现“检查点”抑制。有关线粒体的更多信息，请参阅第24章。
癌细胞有一种神奇的能力——可以将自身已突变的线粒体送入“外泌体”这种运输小泡中，与其他癌细胞分享。另外，癌细胞还可以利用细胞间的隧道式纳米管将线粒体转移到其他细胞（本章下文将详细介绍信号传输囊泡和隧道式纳米管）。向有利于癌症的方向转变的线粒体基本上是作为信号来发送的，目的就是强化癌细胞团队中的成员。
神经元的支持是癌细胞生长的必要条件。神经元发出的信号可以抑制T细胞对癌细胞的攻击。癌细胞会侵袭神经元周围的组织，沿着神经附近现成的“高速公路”行进。如果没有神经元，癌细胞就无法生长，也无法在远处产生细胞群。对于癌细胞的生长，一些神经递质起刺激作用，另一些起抑制作用。举例来说，交感神经元会刺激早期癌症的发展，而副交感神经信号则会触发晚期癌症的发展。为癌症提供帮助的神经元越多，癌症的危险性就越大。
我们将在下一部分中介绍支持性脑细胞，这些细胞能够以多种方式来帮助癌细胞，比如帮助它们穿过通常可使脑部免受入侵的多种障碍。此外，这些支持性脑细胞还会与白细胞一同受到癌细胞的诱骗，帮助癌细胞构建癌组织。由支持性脑细胞长成的癌细胞可通过产生神经元突触来连入神经元电路网，而且这些突触与常见于神经元间信号传递的突触相似。有两类基本突触是脑癌细胞拉拢的对象，一类是传递神经递质囊泡的突触，另一类是利用细胞间电荷流动的突触。有关这两类突触的讨论，请参阅讲述神经元的第6章。
通过利用电突触连接，脑癌细胞能够劫持神经元的电能，从而促进癌组织生长。在一类脑癌中，至少有10%的癌细胞能够直接从神经元突触接收电信号。另外40%的癌细胞没有与神经元相连，而是通过癌细胞之间的电突触来连接。通过利用这些癌细胞间的突触，第一时间从神经元截获的电能将传遍整个脑癌细胞群。因此，半数脑癌细胞受益于神经回路的信号和电能，从而为癌细胞的生长和编排提供支持。但对于癌细胞如何利用神经元电能，我们还没了解透彻。
星形胶质细胞是人体内最丰富的支持性脑细胞，同样也可以为脑癌细胞的增殖提供重要支持。正常情况下，星形胶质细胞会释放一些生长因子来滋养神经元，但癌变后，这些生长因子会转而帮助癌细胞生长。在癌症损伤大脑的情况下，星形胶质细胞会迅速繁殖，产生一种独特的炎症反应来保护所有其他细胞，但这也意外导致T细胞无法进入癌细胞群。星形胶质细胞还会向免疫细胞发送信号，加剧炎症反应的乱象，导致癌症进一步发展。有关星形胶质细胞的对话，详见第10章。
癌细胞的生命历程非常复杂，原因在于数万亿微生物的存在及其产生的大量信号。这些微生物与癌细胞的关系亦敌亦友。像皮肤和肠道内皮细胞一样，癌细胞必须确定哪些微生物对自己有益并与之交流。与此同时，癌细胞还必须躲避敌对微生物的攻击。
在已知的各种癌症中，有20%的类型会在微生物感染下恶化。一项新研究表明，全球12%的癌症类型由与微生物相关的感染引发。在数万亿微生物中，经研究，已经有10种确定会引起特定类型的癌症。这些微生物能够感染很多人，但只有其中一小部分人会患上癌症。有几种细菌已知会产生引发癌症的分子；病毒也能够引发几种癌症类型，方法是将RNA或DNA注入人体细胞，甚至是永久性地放置在人类基因中。
除病毒之外，成千上万的其他微生物也可能以未知的方式来催生癌症，包括肺癌、生殖器癌、泌尿道癌、结肠癌、直肠癌、胆囊癌、淋巴癌等。近期研究发现，细菌会与转移性癌细胞一起传播。另有研究指出，两种不同的微生物会在结肠中相互作用，进而激发癌症。这两种微生物能够整合彼此的信号进行协作，一同突破黏液屏障，攻击肠道内皮细胞，最终引发癌症。
微生物信号能够以多种方式来为癌细胞提供帮助，这些信号能够改变免疫应答，让DNA变得不稳定，阻止细胞自杀，促进细胞增殖。这些信号还能触发炎症并抑制免疫细胞活性，从而促进癌组织的生长。它们会改变肠道中的食物颗粒，让它们成为致癌的信号。它们还会参与细胞对话，招募支持性细胞来帮助癌症生长。另外，微生物会影响食物和药物的代谢方式，从而影响癌症及其治疗情况。
从身体各个部位来看，微生物会发挥自己独特的作用，对癌症产生刺激或抑制的效果。胃里面的细菌既能够引起溃疡，也能够防止癌细胞生长。举例来说，生物膜属于结构化保护性微生物群落，但也可能会刺激产生结肠肿瘤。在这种情况下，单个微生物不足以引发肿瘤，需要的是整个生物膜群落的合力。
在癌症发展的不同阶段，微生物信号都能起到一定的辅助作用。结核病等感染的持续时间越长，转变为癌症的可能性就越大。长期存在的慢性炎症会累积更多的DNA损伤，使癌细胞能够利用这些损伤来实现自身的异常生长。每年，有一种细菌会通过性传播途径影响亿万人。在这种细菌中，少数会逐渐产生有毒的氧基分子，破坏DNA修复，进而引发癌症。第21章详细介绍了微生物与癌细胞的对话。
癌细胞能够通过多种方式来扩散和构建新的细胞群。如前所述，胎儿时期的细胞具备一项出色的技能，早期的转移性、攻击性细胞能够通过复刻这项技能来完成过渡，即在到达目的地后转变为稳定的结构细胞。癌细胞会运用同样的过渡手段，实现从稳定细胞到侵袭性细胞的双向转变。在细胞群转移的过程中，牵头细胞会带有攻击性，紧随其后的细胞则处于稳定状态。
转移性、攻击性癌细胞的行为与胎儿发育时的细胞行为相似，它们可以像干细胞一样产生丰富多样的局部细胞，好比我们在骨骼、软骨、结缔组织、内皮细胞和毛细血管中发现的那些细胞。结缔细胞、免疫细胞、内皮细胞和毛细血管发出的信号可以刺激癌细胞在转移性和稳定性之间转换。
侵袭性癌细胞可以入侵邻近组织或经血液扩散到远处，然后建立新的生态位。对于这两种途径，癌细胞都必须学会如何与新的组织细胞对话。癌细胞信号会诱导局部细胞产生酶，破坏细胞之间的细胞外基质，从而降低癌症转移和侵袭的难度。站稳脚跟并生成新细胞之后，癌细胞会马上转为稳定的结构类型，开始构建新的癌细胞群并使之发展壮大。癌细胞会侵入毛细血管旁由组织干细胞占据的精细生态位，然后通过血液与主癌细胞群进行信号的来回传递。而且，这些细胞信号还可以阻挡免疫攻击。
此外，癌细胞也可以通过另一种方式来建立远端细胞群，那就是利用血液将细胞信号传给新组织，诱导远处的组织细胞癌变。不仅如此，转移性癌细胞群还能在与源头处截然不同的细胞中滋生。各种癌细胞都能理解特定远端组织的信号，比如乳腺癌和前列腺癌细胞向骨骼发出的信号。其他癌细胞能够洞悉发给肺、肝和脑的信号，而这些都是常见的转移部位。
通过与血小板、血细胞和毛细血管进行对话，转移性癌细胞群能够为自己谋得利益。向血小板发送的信号有利于癌细胞群游走，因为这会为癌细胞穿上“防护衣”，让它们躲过免疫攻击。另外，血小板信号还可以刺激癌细胞从转移侵袭性细胞变为稳定性细胞。血小板信号有助于癌细胞群附着在血管上，通过增加血管的渗透性来使癌细胞更易进入组织。在这些信号的影响下，毛细血管内皮细胞会收缩并推开其他细胞，为癌组织开辟道路。白细胞也会成为癌细胞的帮手，它们会产生由DNA分子构成的网状陷阱。这些陷阱常用于捕获微生物，现在却成了癌细胞的保护伞，让它们不会受到免疫细胞的攻击。
口腔癌细胞
（电子显微镜照片，史蒂夫·格斯迈斯内尔/科学图片库）
到达新组织之后，无法自行建立细胞群的癌细胞会处于休眠状态并存活很长时间。局部细胞会发信号给这些癌细胞，让它们安稳度日。引发癌前病变的细胞会建起一个小的生态位，以便先抵抗住治疗再伺机激活癌组织生长。
新研究发现，癌细胞往往会采用两种源于外泌体和隧道式纳米管的细胞通信方法。外泌体发现于20世纪80年代初期，是人体内大部分细胞类型都具备的膜结合性球形囊泡。这些囊泡可用于在细胞间收发信息，也可在细胞内发信息到细胞的不同位置。在外泌体之后发现的隧道式纳米管则是一种纤细的细胞突起，能够让各个细胞实现长距离的彼此连接。这些细长的空心圆筒状结构由蛋白组成，外层包着薄膜。
外泌体由细胞内部特殊的隔室产生，其中充满了重要的分子物质，包括蛋白质、脂肪、DNA链和RNA链。有关这些囊泡的更多信息，请参阅讲述膜结构的第25章。外泌体生成之后，会被释放到各种体液中四处漂浮。
癌细胞通常会利用外泌体来发送信息并交换亚细胞物质。神经元、免疫细胞、支持性脑细胞等其他细胞也会利用外泌体来向邻近细胞发送信息，但这种行为的发生频率并不高。在所有细胞和细胞器中，癌细胞利用外泌体进行信号传递的频率最高。
癌细胞会利用血液、尿液、羊水和组织发送携带癌变物质的外泌体且距离长短不定，以此来诱骗局部细胞帮助核心癌症组织生长、存活。这些发送出去的外泌体能够改变远端靶组织中特定的支持性组织细胞，为癌症的转移建立生态位。如今，测量血液中的外泌体含量已成为诊断癌症的有效方法之一。
外泌体在到达其他细胞之后，便会改变这些细胞的代谢。外泌体信号包含确切的遗传密码，有利于癌组织的生长。一个外泌体信号分子到达器官之后，会改变该器官的支架结构。一群外泌体信号分子可能导致其“敌对细胞”自杀，或阻止“同伴细胞”自杀并帮助它们大量繁殖。向毛细血管发送的外泌体信号会触发新的异常血管的产生，阻碍免疫细胞发起抗癌攻击。相反，免疫细胞还会在癌细胞周围形成保护性屏障。
癌细胞外泌体中的信息分子有助于其他癌细胞抵抗治疗，其作用类似于微生物与同伴之间传递的抗生素抗性基因。黑素瘤细胞和结直肠癌细胞通过囊泡发送的蛋白质会落在接收细胞的表面，使这些细胞免受药物影响。乳腺癌细胞会分泌外泌体，专用于遏制特定的药物治疗。这可能是非常有意义的做法，因为只要留有少数抗性细胞就能重建整个癌组织或生出新的癌细胞群。通过研究一种特殊的结肠癌发现，靶向治疗后仅百万分之一的细胞具有抗药性，这些细胞却完成了整个癌组织的重建。
另外，癌细胞还擅长在传递信号时利用RNA分子来携带信息。癌细胞会将这些精细的遗传分子送入外泌体中，让它们不会像往常一样被血液中的酶破坏。在外泌体内部，脂肪膜分子会包裹住微RNA（micro-RNA），隔离那些通常会破坏随机DNA和随机RNA的细胞信号。RNA可以拦截“消极”信号，比如那些引导癌细胞自杀的信号。这些RNA可能是癌细胞对抗癌药物产生耐药性的因素。RNA可以为癌细胞转移创造有益的生态位环境，同时刺激骨髓干细胞生成更多癌细胞。而且，RNA还会触发新血管的产生并使其具有较高的渗透性。
未来，了解癌症信号将有助于开发出新的治疗方法。目前，经改良的病毒和免疫细胞已投入抗癌治疗，而在验血时评估外泌体也让癌症诊断取得了进展。
隧道式纳米管是将细胞连接起来的线状隧道，能够让细胞在没有膜屏障影响的情况下与彼此分享各自的内含物，包括病毒、完整的细胞器等。近期研究发现，这些由蛋白质构成的圆柱状结构广泛存在于癌细胞之间，对癌组织的生长有着至关重要的作用。尽管人们已在多种癌细胞之间观察到纳米管，比如艾滋病病毒（人类免疫缺陷病毒）利用纳米管在T细胞之间转移，但直到最近才有研究发现，癌细胞之间常用的纳米管是它们进行细胞通信的主要途径。
目前，研究已发现两种不同类型的癌小管网有利于癌症的生长。其中，相对较小的癌管用于传播遗传信息，但存在时间仅短短几分钟。相比之下，我们可以在一些特定的癌细胞中观察到各式各样较大的癌管，这些纳米管会持续存在一百多天。通过利用这些空心长管，癌细胞能够在复杂的网络中通信，从而实现转移、组织入侵、应激存活和治疗抵抗。
这些管状结构可以传送各种细胞器，甚至是正常或癌变的线粒体等大型细胞器。研究显示，某些癌管网会在感知到抗癌药物的存在时变大，这可能在使癌细胞群免受药物侵害中起着关键性的作用。细胞能够利用它们通信网络中的信号检测到同伴受到的损伤，再通过其他信号来修复损伤。同样，癌细胞也可以将癌管伸向细胞远处来连接周围组织，向远处正常的局部细胞寻求帮助。