Επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Waterloo εργάζονται πάνω σε μια νέα θεραπευτική προσέγγιση για τον καρκίνο, η οποία αξιοποιεί ειδικά σχεδιασμένα βακτήρια ώστε να καταναλώνουν τους όγκους εκ των έσω. Η στρατηγική βασίζεται σε μικροοργανισμούς που αναπτύσσονται φυσικά σε περιβάλλοντα χωρίς οξυγόνο, γεγονός που καθιστά το εσωτερικό πολλών συμπαγών όγκων ιδανικό στόχο.

«Τα σπόρια των βακτηρίων εισέρχονται στον όγκο, βρίσκοντας ένα περιβάλλον με άφθονα θρεπτικά συστατικά και χωρίς οξυγόνο, που είναι αυτό που προτιμά ο συγκεκριμένος οργανισμός, και έτσι αρχίζει να καταναλώνει αυτά τα θρεπτικά συστατικά και να αυξάνεται σε μέγεθος. Έτσι αποικίζουμε αυτόν τον κεντρικό χώρο και το βακτήριο ουσιαστικά απαλλάσσει τον οργανισμό από τον όγκο», ανέφερε ο Marc Aucoin, καθηγητής Χημικής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Waterloo και επικεφαλής πρόσφατης σχετικής μελέτης.

Στο επίκεντρο αυτής της προσέγγισης βρίσκεται το Clostridium sporogenes, ένα βακτήριο που συναντάται συνήθως στο έδαφος. Μπορεί να επιβιώσει μόνο σε περιβάλλοντα όπου δεν υπάρχει καθόλου οξυγόνο. Ο εσωτερικός πυρήνας των συμπαγών όγκων αποτελείται από νεκρά κύτταρα και στερείται οξυγόνου, δημιουργώντας τις ιδανικές συνθήκες για να πολλαπλασιαστεί και να εξαπλωθεί ο συγκεκριμένος μικροοργανισμός.

Ξεπερνώντας το εμπόδιο του οξυγόνου

Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική πρόκληση. Καθώς τα βακτήρια επεκτείνονται προς τα έξω και φτάνουν σε περιοχές του όγκου που εκτίθενται σε μικρές ποσότητες οξυγόνου, αρχίζουν να πεθαίνουν πριν καταφέρουν να εξαλείψουν πλήρως τον καρκινικό ιστό.

Για να αντιμετωπίσει αυτόν τον περιορισμό, η ερευνητική ομάδα εισήγαγε ένα γονίδιο από συγγενές βακτήριο που εμφανίζει μεγαλύτερη αντοχή στο οξυγόνο. Η τροποποίηση αυτή επιτρέπει στους γενετικά τροποποιημένους μικροοργανισμούς να επιβιώνουν περισσότερο κοντά στις εξωτερικές περιοχές του όγκου.

Οι ερευνητές χρειάστηκαν επίσης έναν τρόπο να ελέγχουν πότε ενεργοποιείται αυτό το χαρακτηριστικό αντοχής στο οξυγόνο. Αν ενεργοποιούνταν πολύ νωρίς, θα μπορούσε να επιτρέψει στα βακτήρια να αναπτυχθούν σε περιοχές πλούσιες σε οξυγόνο, όπως η κυκλοφορία του αίματος, κάτι που θα ήταν επικίνδυνο. Για να το αποτρέψουν, αξιοποίησαν μια φυσική διαδικασία επικοινωνίας των βακτηρίων που ονομάζεται quorum sensing.

Το quorum sensing βασίζεται σε χημικά σήματα που απελευθερώνουν τα βακτήρια. Όσο αυξάνεται ο αριθμός τους, τόσο ενισχύεται και το σήμα. Μόνο όταν συγκεντρωθεί επαρκής αριθμός βακτηρίων μέσα στον όγκο, το σήμα φτάνει σε επίπεδο που ενεργοποιεί το γονίδιο ανθεκτικότητας στο οξυγόνο. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζεται ότι τα βακτήρια ενεργοποιούν τον μηχανισμό επιβίωσης μόνο όταν είναι απαραίτητο.

Συνθετική βιολογία και «κυκλώματα» DNA

Σε προηγούμενη μελέτη, η ομάδα έδειξε ότι το Clostridium sporogenes μπορούσε να τροποποιηθεί γενετικά ώστε να αντέχει καλύτερα στο οξυγόνο. Σε επόμενο πείραμα, δοκίμασαν τον σχεδιασμό του quorum sensing προγραμματίζοντας τα βακτήρια να παράγουν μια πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη, κάτι που τους επέτρεψε να επιβεβαιώσουν ότι το σύστημα ενεργοποιούνταν τη σωστή στιγμή.

«Χρησιμοποιώντας τη συνθετική βιολογία, κατασκευάσαμε κάτι σαν ηλεκτρικό κύκλωμα, αλλά αντί για καλώδια χρησιμοποιήσαμε τμήματα DNA», ανέφερε ο Brian Ingalls, καθηγητής Εφαρμοσμένων Μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο του Waterloo. «Κάθε τμήμα έχει τον δικό του ρόλο. Όταν συναρμολογούνται σωστά, σχηματίζουν ένα σύστημα που λειτουργεί με προβλέψιμο τρόπο».

Το επόμενο βήμα είναι να συνδυαστούν τόσο το γονίδιο αντοχής στο οξυγόνο όσο και το σύστημα ελέγχου μέσω quorum sensing σε ένα και μόνο βακτήριο και να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητά του έναντι όγκων σε προκλινικές δοκιμές.