Naukowcy z Columbia Engineering donoszą, że opracowali system “maskowania”, który tymczasowo ukrywa bakterie lecznicze przed układem odpornościowym, umożliwiając im skuteczniejsze dostarczanie leków do guzów i zabijanie komórek rakowych u myszy. Manipulując DNA drobnoustrojów, zaprogramowali obwody genów, które kontrolują powierzchnię bakterii, tworząc molekularną „płaszcz” otaczającą bakterię.
„To, co jest naprawdę ekscytujące w tej pracy, to fakt, że jesteśmy w stanie dynamicznie sterować systemem” – powiedział Tal Danino, profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej, który współprowadził badania we współpracy z Kam Leongiem, profesorem inżynierii biomedycznej Samuela H. Shenga. „Możemy regulować czas przeżycia bakterii w ludzkiej krwi i zwiększać maksymalną tolerowaną dawkę bakterii. Pokazaliśmy również, że nasz system otwiera nową strategię dostarczania bakterii, w której możemy wstrzykiwać bakterie do jednego dostępnego guza i kontrolować ich migrację do dystalnych guzów, takich jak przerzuty, komórki rakowe, które rozprzestrzeniają się na inne części ciała”.
W badaniu opublikowanym dzisiaj przez Nature Biotechnology naukowcy skupili się na polisacharydach otoczkowych (CAP), polimerach cukrowych, które pokrywają powierzchnie bakterii. W naturze CAP pomaga wielu bakteriom chronić się przed atakami, w tym na układ odpornościowy. „Przejęliśmy system CAP probiotycznego szczepu E. coli Nissle 1917” – powiedział Tetsuhiro Harimoto, doktorant w laboratorium Danino, który jest współautorem badania. „Dzięki CAP bakterie te mogą tymczasowo uniknąć ataku immunologicznego; bez CAP tracą ochronę przed enkapsulacją i mogą zostać usunięte z organizmu. Postanowiliśmy więc spróbować zbudować skuteczny włącznik/wyłącznik”.
Skuteczny włącznik/wyłącznik
W tym celu naukowcy opracowali nowy system CAP, który nazwali inducible CAP (iCAP). Kontrolują system iCAP, dając mu zewnętrzną wskazówkę – małą cząsteczkę zwaną IPTG – która pozwala na programowalne i dynamiczne zmiany powierzchni komórki E. coli. Ponieważ iCAP zmienia interakcje bakteryjne z układem odpornościowym (takie jak usuwanie krwi i fagocytoza) w sposób ukierunkowany, zespół odkrył, że mogą kontrolować czas, w którym bakterie mogą przetrwać w ludzkiej krwi, dostosowując ilość IPTG, jaką przekazują do iCAP E coli.
Używanie bakterii do terapii
Chociaż wykorzystanie bakterii do terapii jest nowym, alternatywnym podejściem do leczenia szerokiej gamy nowotworów, istnieje szereg wyzwań, w szczególności ich toksyczność. W przeciwieństwie do wielu tradycyjnych leków, te bakterie są żywe i mogą namnażać się w organizmie. Są one również wykrywane przez układ odpornościowy organizmu jako obce i niebezpieczne, powodując silną reakcję zapalną – zbyt dużo bakterii oznacza wysoką toksyczność z powodu nadmiernego stanu zapalnego – lub szybką eliminację bakterii – zbyt mało bakterii oznacza brak skuteczności terapeutycznej.
Jaeseung Hahn, naukowiec zajmujący się badaniami podoktoranckimi w laboratoriach Danino i Leonga, który współkierował projektem, zauważył: „W badaniach klinicznych wykazano, że toksyczność ta stanowi krytyczny problem, ograniczając ilość, jaką możemy dawkować bakteriom i obniżając skuteczność. Niektóre badania musiała zostać zakończona z powodu poważnej toksyczności.”
Idealne bakterie
Idealna bakteria powinna być w stanie ominąć układ odpornościowy po dostaniu się do organizmu i skutecznie dostać się do guza. A kiedy już znajdą się w guzie, muszą zostać wyeliminowane w innych częściach ciała, aby zminimalizować toksyczność. Zespół wykorzystał mysie modele guzów, aby zademonstrować, że dzięki iCAP mogą zwiększyć maksymalną tolerowaną dawkę bakterii 10-krotnie. Otoczyli szczep E. coli, aby umożliwić mu ominięcie układu odpornościowego i dostanie się do guza. Ponieważ nie podali IPTG w organizmie, iCAP E. coli z czasem utracił swoją enkapsulację i był łatwiejszy do usunięcia w innych częściach ciała, minimalizując w ten sposób toksyczność.
Aby przetestować skuteczność, naukowcy zaprojektowali iCAP E. coli w celu wytworzenia toksyny przeciwnowotworowej i byli w stanie zmniejszyć wzrost guza w mysich modelach raka jelita grubego i piersi bardziej niż w grupie kontrolnej bez systemu iCAP.
Zespół zademonstrował również kontrolowaną migrację bakterii w organizmie. Wcześniejsze badania wykazały, że niski poziom bakterii wycieka z guzów podczas wzrostu guza. W tym nowym badaniu zespół Columbia wykorzystał iCAP, aby pokazać, że mogą kontrolować wyciek bakterii z guza, a także ich translokację do innych guzów. Wstrzyknęli E. coli iCAP do jednego guza, karmili myszy wodą zawierającą IPTG, aktywowali iCAP w guzie i obserwowali wyciek i migrację E. coli iCAP do guzów, które nie zostały wstrzyknięte.
Następne kroki
Grupa bada szereg obszarów badawczych. Istnieje ponad 80 różnych typów CAP, które istnieją tylko dla E. coli, a jeszcze więcej dla innych gatunków bakterii, które można by modyfikować przy użyciu podobnych metod. Ponadto CAP nie jest jedyną cząsteczką, którą bakterie mają na swojej powierzchni, a inne cząsteczki powierzchniowe można by kontrolować w podobny sposób. Ponadto, chociaż w tym przykładzie iCAP jest kontrolowany przez dostarczany zewnętrznie IPTG, inne systemy kontroli, takie jak bioczujniki, mogą być wykorzystane do autonomicznej kontroli właściwości powierzchniowych bakterii terapeutycznych.
Zespół, również powiązany z Columbii Herbert Irving Comprehensive Cancer Center i Data Science Institute, zauważa, że tłumaczenie kliniczne jest kolejnym poważnym wyzwaniem, z którym chcieliby się zmierzyć. „Chociaż istnieje wiele badań laboratoryjnych pokazujących różne sposoby inżynierii drobnoustrojów, bardzo trudno jest zastosować te potężne terapie w złożonym ciele zwierzęcia lub człowieka. Pokazaliśmy dowód koncepcji w modelach mysich, ale biorąc pod uwagę, że ludzie są 250 razy bardziej wrażliwi na endotoksyny bakteryjne niż myszy, spodziewamy się, że nasze wyniki mogą mieć jeszcze większy wpływ na ludzi niż na myszy” – powiedział Harimoto.
Leong dodał: „Terapia bakteryjna ma wyjątkowe zalety w porównaniu z konwencjonalną terapią lekową, taką jak skuteczne ukierunkowanie na tkankę guza i programowalne uwalnianie leku. Potencjalna toksyczność ogranicza jej pełny potencjał. Podejście do maskowania przedstawione w tym badaniu może rozwiązać ten krytyczny problem. “