Исследователи Колумбийского инженерного института сообщают, что они разработали систему "маскировки", которая временно скрывает терапевтические бактерии от иммунной системы, позволяя им более эффективно доставлять лекарственные препараты к опухолям и убивать раковые клетки.
Терапия живыми бактериями предлагается в качестве альтернативного подхода к лечению широкого спектра раковых заболеваний. Запрограммировав гены, которые контролируют поверхность бактерий, можно создать молекулярный "плащ", инкапсулирующий бактерии и скрывающий их от иммунной системы.
"В этом исследовании мы разработали генетически кодируемую систему инкапсуляции микроорганизмов с настраиваемой и динамической экспрессией поверхностных капсульных полисахаридов, которая улучшает системную доставку бактерий. Что действительно интересно в этой работе, так это то, что мы можем динамически управлять это системой", - рассказал Тал Данино, который руководил исследованием.
"Теперь мы можем регулировать время выживания бактерий in vivo и увеличить максимально толерантную дозу бактерий. Мы также показали, что наша система открывает новую стратегию доставки бактерий, при которой мы можем вводить бактерии в одну доступную опухоль и контролировать их миграцию в дистальные метастазы".
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Biotechnology, ученые сосредоточились на капсульных полисахаридах (CAP) - сахарных полимерах, покрывающих поверхность бактерий. В естественных условиях CAP помогает многим бактериям защищаться от атак, в том числе иммунных систем. "На основе анализа малых РНК путей биосинтеза капсул мы создали индуцибельные синтетические генные цепи, регулирующие инкапсуляцию бактерий в Escherichia coli Nissle 1917. Эти бактерии способны временно избегать иммунной атаки, тогда как последующая потеря инкапсуляции приводит к эффективному уничтожению in vivo", - объясняет Данино. "С CAP эти бактерии могут временно уклоняться от иммунной атаки; без CAP они теряют свою инкапсулирующую защиту и могут быть очищены организмом. Поэтому мы решили попытаться создать эффективный переключатель".
Для этого исследователи разработали новую систему CAP, которую они назвали индуцируемой CAP, или iCAP. Они управляли системой iCAP путем подачи внешнего сигнала - небольшой молекулы IPTG, которая позволяет программировать и динамически изменять клеточную поверхность кишечной палочки. Поскольку iCAP направленно изменяет взаимодействие бактерий с иммунными функциями (такими как фагоцитоз), ученые обнаружили, что они могут контролировать время, в течение которого бактерии могут выживать в крови мышей, регулируя количество IPTG, которое передается iCAP E. coli.
Хотя использование бактерий для терапии является новым, альтернативным подходом к лечению широкого спектра раковых заболеваний, существует ряд проблем, в частности, их токсичность. В отличие от многих традиционных лекарств, бактерии живые и могут размножаться в организме. Они также распознаются иммунной системой организма как чужеродные, вызывая сильную воспалительную реакцию - слишком много бактерий означает высокую токсичность из-за чрезмерного воспаления, но и быстрое уничтожение бактерий ввиду их недостаточного количества не приводит к терапевтической эффективности.
"В клинических испытаниях было показано, что эти токсические эффекты являются критической проблемой, ограничивающей количество бактерий и снижающей эффективность. Некоторые испытания пришлось прекратить из-за сильной токсичности", - отмечает Данино.
Идеальные бактерии должны быть способны обойти иммунную систему при попадании в организм и эффективно добраться до опухоли. А после попадания в опухоль они должны быть уничтожены в других частях тела, чтобы минимизировать токсичность. Авторы использовали мышиные модели опухолей, чтобы продемонстрировать, что с помощью iCAP они могут увеличить максимально допустимую дозу бактерий в 10 раз. Они инкапсулировали E. coli, чтобы он мог обойти иммунную систему и добраться до опухоли. Поскольку они не вводили IPTG в организм, iCAP E. coli со временем теряла свою инкапсуляцию и легче выводилась, что минимизировало токсичность.
Чтобы проверить эффективность, исследователи сконструировали iCAP E. coli для производства противоопухолевого токсина и смогли сократить рост опухоли в мышиных моделях рака толстой кишки и молочной железы значительно эффективнее, чем в контрольной группе без системы iCAP.
Группа также продемонстрировала контролируемую миграцию бактерий в организме. Предыдущие исследования показали, что при росте опухоли из нее уходит небольшое количество бактерий. В данном исследовании специалисты использовали систему iCAP, чтобы показать, что они могут контролировать утечку бактерий из опухоли, а также их перемещение в метастазы опухоли. Они ввели iCAP E. coli в одну опухоль, дали мышам воду, содержащую IPTG, активировали iCAP в опухоли и увидели, как iCAP E. coli выходят из опухоли и мигрируют в неинъецированные опухоли.
Эта динамическая стратегия доставки позволила в десять раз увеличить максимально переносимую дозу бактерий и повысить противоопухолевую эффективность в мышиных моделях рака. Более того, инкапсуляция in situ увеличила долю транслокации микроорганизмов в опухоли мыши, что привело к эффективности в дистальных опухолях.
Группа изучает целый ряд других аспектов применения этой технологии. Существует более 80 различных типов CA только для E. coli, и еще больше для других видов бактерий, которые могут быть сконструированы с использованием аналогичных подходов. Кроме того, CAP - не единственная молекула, которую бактерии имеют на своей поверхности, и другими поверхностными молекулами можно управлять аналогичным образом. Кроме того, хотя в данном примере iCAP контролируется внешним IPTG, для автономного управления поверхностными свойствами терапевтических бактерий можно использовать другие системы управления, такие как биосенсоры.
Авторы отмечают, что клиническое применение - это следующая важная задача, которую они хотели бы решить. "Хотя существует множество лабораторных исследований, показывающих различные способы инженерии микробов, очень трудно применить эти мощные методы лечения в сложном организме животного или человека. Мы продемонстрировали эффективность нашего метода на мышиных моделях, но учитывая, что люди в 250 раз более чувствительны к бактериальным эндотоксинам, чем мыши, мы ожидаем, что наши результаты могут оказать еще больший эффект на пациентов, чем на мышей", - сказал Данино.
"Бактериальная терапия рака имеет уникальные преимущества перед традиционной лекарственной терапией, такие как эффективное нацеливание на опухолевую ткань и программируемое высвобождение лекарственных агентов. Но потенциальная токсичность ограничивает ее полный потенциал. Маскирующий подход, представленный в данном исследовании, может решить эту критическую проблему. Программируемая система инкапсуляции обещает повысить терапевтическую полезность живых инженерных бактерий для лечения рака".
