Как Salmonella може да се използва в борбата с рака

Генетично модифициран щам  на бактерията успешно въвежда лекарства в туморите при мишки

egg-1460404

Бактериите от род Salmonella са най-добре познати с това, че предизвикват хранителни отравяния и коремен тиф. Всяка година те разболяват милиони хора. Но бактериите от лабораторията на Jeff Hasty в Университета на Калифорния, Сан Диего, са различни. Те са неутрализирани и модифицирани така, че вместо да предизвикват гастроинтестинални катастрофи, убиват туморите.

Екипът на Hasty е модифицирал микроорганизмите така, че да произвеждат разнообразие от противоракови вещества и да се саморазрушават, когато достигнат определена плътност на популацията. Със смъртта си бактериите освобождават токсичните вещества и убиват раковите клетки, които се намират наоколо. „Прилича на мисията на камикадзе” – казва Hasty. Но не всички бактерии загиват. Около 10% от тях оцеляват и дават началото на нова популация, като по този начин кръгът се затваря и самоподдържа.

Тези модифицирани микроорганизми са изпитани само върху клетъчни култури  в лабораторията и върху мишки. Няма нужда да казваме, че има много неразрешени въпроси, относно безопасността и ефективността и този подход все още е много далеч от приложимо лечение на рака.


РЕКЛАМА:

***

Но въпросът не е в това. Всъщност, Hasty е създал пробиотик с таймер – или по-точно с „бутон за отлагане”. Той е доказал, че е възможно бактерия да се модифицира така, че да произвежда и да освобождава лекарствени вещества на равномерни интервали от време, спрямо ритъма на генетичен метроном, който може да бъде настроен. Това е полезно не само в борбата срещу рака, но и при други заболявания, като диабета и високото кръвно налягане, които изискват регулярен прием на лекарството. „Ще разкрием много по-широкообхватни възможности, отколкото само лечението на рак” – казва Hasty. Изследването е част от нарастващия брой опити да превърнем бактериите, с които живеем – микробиома – в медицински помощници.

Електронно-микроскопска снимка на Salmonella typhimurium (в червено), навлизаща в човешки клетки. Credit: Rocky Mountain Laboratories,NIAID,NIH
Електронно-микроскопска снимка на Salmonella typhimurium (в червено), навлизаща в човешки клетки. Credit: Rocky Mountain Laboratories,NIAID,NIH

Учени и лекари се опитват да използват бактериите в борбата с рака в продължение на повече от век. През 1891, хирургът William Coley инфектирал пациенти, болни от рак, със Streptoccocus, като смятал, че бактериите ще предизвикат имунен отговор, който ще разруши и раковите клетки. Coley третирал над хиляда души по този начин и въпреки че някои оздравели, други нямали тази съдба. Поради смесените резултати, подходът бил пренебрегнат.

Той започнал отново да се появява на повърхността, когато лекарите разбрали, че туморите не са стерилни, както дълго време се е смятало, но често съдържат многобройни микроорганизми. Бактериите, които ненавиждат кислорода (анаероби) и обитават червата ни, се развиват много добре във вътрешността на туморите, която е много бедна на кислород и е защитена от патрулиращите имунни клетки. Наличието на подобни микроорганизми било привлекателно за учените, защото едно от големите предизвикателства при лечението на рака е лекарствата да се доставят директно в туморите. Ако микроорганизмите, които търсят тумора можеха да бъдат модифицирани да произвеждат тези лекарствени вещества, те биха били идеалните Троянски коне.

Първо трябва да изберете подходящата бактерия. Салмонелата е добър избор. Тя може да живее без кислород и спокойно да се акумулира в туморите. Освен това е сходна с Escherichia coli – любимата бактерия на съвременния биолог. Което означава, че всички техники, които генетиците са разработили за модифицирането на E. coli могат да бъдат използвани и за модифицирането на Salmonella. „Можем бързо да се възползваме от огромен инструментариум” – казва Hasty.

Но бактериите са живи организми, те растат, размножават се и предизвикват имунен отговор. Други учени са изпитвали щамове на Salmonella, доставящи лекарства, но резултатите са разочароващи. “Убихме си мишките” – казва Seigfried Weiss от Центъра за изследвания на инфекциите Хелмхолц. „Количеството на бактериите беше толкова голямо, че животните вероятно са изпаднали в токсичен шок.” Затова, ако искате да използвате Salmonella, за пренос на лекарства към туморите, трябва да разполагате с начин за контролиране на броя на бактериите.

В това се състои и разработката на екипа на Hasty, ръководен от Omar Din. Те започнали с щам на Salmonella, който не предизвиква заболяване и го модифицирали да произвежда противораково вещество. Освен това добавили гени, които се използват от бактериофагите (вируси, които убиват бактериите) с цел унищожаване на жертвите им, като свързали тези гени с други – такива, които се използват от самите бактерии в процеса на комуникация между тях (при този процес, наречен кворум-сенсинг, всяка бактериална клетка получава информация колко многобройни са останалите от нейния вид, намиращи се в близост).

Резултатът е: микроорганизъм, произвеждащ лекарство, с вграден контрол на популацията. При достигане на определен размер на популацията, 90% от клетките се пукат синхронизирано, освобождавайки товара си (лекарственото вещество). След това оцелелите могат да възстановят популацията и цикълът се завърта отново.

„Въпреки всичко вкарвате в организма жив щам на Salmonella” – казва Beth McCormick от Медицинското училище към Университета на Масачузец. Може да са „обезвредени”, но все пак са бактерии и може да предизвикат възпаление и други имунни проблеми. „Но при този метод инфекцията е постоянна, но слаба, което може да реши проблема с имунните отговори. Това е чудесна първа стъпка.”

Самоунищожаването не просто спира прекомерния растеж на бактериите. Но методът доставя голямо количество от лекарството директно в мястото на развитие на тумора. Освен това прави програмирането на бактериите да освобождават всякакви видове лекарства много лесно. Екипът на Hasty е опитал с три такива: неспецифичен токсин, който създава отвор в клетките на бозайници; вещество, което стимулира имунната система и такова, което кара раковите клетки да се самоубият.

След това, колегите им, ръководени от Sangeeta Bhatia от MIT, изпитали тези микроорганизми върху мишки, страдащи от нелечими тумори с разсейки в черния им дроб. Сами по себе си, бактериите не се справили по-добре от стандартно химиотерапевтично лекарство. Но когато екипът използвал и двете заедно, туморите се свили с 1/3, а мишките живели с 50% по-дълго. В това има логика: „Salmonella може да расте в бедната на кислород среда вътре в тумора, където химиотерапията не е толкова ефективна. Бактериите преминават зад вражеската линия и работят отвътре-навън, докато химиотерапевтичното вещество се бори с нарастващата периферия на тумора.”

Това е обещаващо, но има много проблеми за разрешаване. Ако някога бактериите се изпитват върху хора, ще бъдат необходими още мерки за сигурност, за да бъдат предотвратени растежът, разпространението и непредвидените им мутации. Освен това, те ще трябва да бъдат и по-ефективни. В началото мишките получили подобрение, след като били инжектирани с модифицираните микроорганизми, но след три седмици туморите им започнали отново да нарастват. „Има още много неща, по които трябва да работим, преди да сме си помислили да изпитваме метода върху хора” – казва Hasty.

animal-1554745Съществуват редица примери за медицински техники, които са изглеждали много обнадеждаващи при мишки, но са се провалили при човека. Например, в края на 90-те години David Bermudes от California State University също разработил щамове на Salmonella, които можели да пренасят лекарства в тумори. Те се справили добре при мишки и маймуни, но когато в крайна сметка достигнали до клинични изпитвания при хора, не сработили.

„Успяхме да докажем безопасността, но нямахме измерима противоракова активност” – казва Bermudes. „При мишки бактериите винаги се насочваха към разнообразни тумори. В проучването при хора, те се насочваха към тумори само в 1/3 от случаите и само при използването на най-високата доза. Всички знаем, че мишките не са подходящи за разработване на противоракови терапии, защото ако не беше така, вече щяхме да сме намерили начин да лекуваме рака.”

Все пак, Bermudes, както и много други учени, смятат, че подходът има своите достойнства. Някои се опитват да програмират Salmonella да освобождава токсини, след като директно навлезе в раковите клетки. Други модифицират бактерията така, че да освобождава вещества, които или премахват защитата на раковите клетки от имунната система, или пряко активират имунни клетки.

„Един от проблемите при използването на бактерии срещу тумори беше липсата на разбиране от страна на онколозите” – казва Weiss. „Много малко групи работеха по метода. Но малко по малко, все повече от тях започват да се интересуват. Ще се появяват нови идеи в тази област, и съм сигурен, че в крайна сметка това ще доведе бактериалните терапии до лечебните заведения.”


Европейска нощ на учените 2022 г.: