Ученые из Университета Ватерлоо разрабатывают новый метод лечения рака, в котором специально спроектированные бактерии уничтожают опухоль изнутри. Стратегия основана на использовании микробов, которые естественным образом процветают в бескислородной среде, что делает внутреннюю часть многих солидных новообразований идеальной мишенью.
В центре этого подхода находится Clostridium sporogenes – бактерия, широко распространенная в почве и способная выживать только в условиях полного отсутствия кислорода. Поскольку ядро солидных опухолей состоит из отмерших клеток и лишено кислорода, оно создает идеальные условия для размножения и распространения этого микроорганизма. «Споры бактерий проникают в опухоль, находят там среду с большим количеством питательных веществ и без кислорода – то, что им нужно, – и начинают питаться и расти, – объясняет доктор Марк Окойн, профессор химической инженерии в Ватерлоо. – Таким образом, мы колонизируем это центральное пространство, и бактерия, по сути, избавляет организм от опухоли».
Однако существует серьезная проблема. По мере того как бактерии распространяются от центра к краям и достигают областей опухоли, куда поступает небольшое количество кислорода, они начинают погибать, не успев полностью уничтожить раковые клетки. Чтобы преодолеть это ограничение, команда встроила в бактерию ген от родственного микроорганизма, более устойчивого к кислороду. Эта модификация позволяет спроектированным микробам дольше выживать во внешних, более насыщенных кислородом слоях опухоли.
Для обеспечения безопасности исследователям был необходим способ контролировать включение этой функции. Слишком ранняя активация гена устойчивости к кислороду могла бы позволить бактериям размножаться в богатых кислородом средах, например в кровотоке, что небезопасно. Для предотвращения этого ученые использовали естественный процесс бактериальной коммуникации, известный как «чувство кворума». Этот механизм основан на химических сигналах, которые выделяют бактерии. По мере роста их численности сигнал усиливается, и только после накопления достаточного количества бактерий внутри опухоли он достигает уровня, который «включает» ген кислородной устойчивости. Это гарантирует, что бактерии активируют свой механизм выживания только тогда, когда это необходимо.
«Используя синтетическую биологию, мы создали нечто вроде электрической схемы, но вместо проводов использовали фрагменты ДНК, – говорит доктор Брайан Ингаллс, профессор прикладной математики. – У каждого фрагмента своя задача. При правильной сборке они образуют систему, которая работает предсказуемым образом». В ходе одного из экспериментов команда запрограммировала бактерии на выработку зеленого флуоресцентного белка, что позволило им визуально подтвердить своевременную активацию системы.
Следующим шагом станет объединение гена кислородной устойчивости и системы контроля «чувства кворума» в одной бактерии для ее испытания на опухолях в ходе доклинических исследований. Проект подчеркивает междисциплинарный подход университета к инновациям в здравоохранении, объединяя экспертов в области инженерии, математики и биологии для превращения научных открытий в реальные медицинские решения.
