Бактерии взяли след диабета и рака
Их модифицировали и специально обучили этому.
«Многие виды рака, включая рак поджелудочной железы и некоторые кишечные опухоли, при метастазировании особенно любят забираться в печень. Не надо объяснять, чем это грозит, но беды можно избежать, если вовремя обнаружить вторичный раковый очаг и избавиться от него. Печень хорошо регенерирует, и потому может легко перенести операцию и удаление больного кусочка ткани. Важно только обнаружить злокачественное образование как можно раньше – ведь чем раньше его из печени вырежут, тем лучше для больного.
«Достаточно простой способ ранней диагностики рака – с помощью пробиотика и анализа мочи – описывают в своей статье в Science Translational Medicine сотрудники Массачусетского технологического института. Напомним, что пробиотиками называют микроорганизмы, используемые в терапевтических целях, например, для восстановления микрофлоры кишечника.
С другой стороны, довольно давно известно, что бактерии любят раковые опухоли: во-первых, там много питательных веществ, во-вторых, злокачественные клетки стараются обмануть, ослабить иммунитет там, где они живут, что опять же на руку микробам. Но для самой опухоли бактерии – совсем нежеланный гость, и ещё 200 лет назад врачи заметили, что инфекция может уменьшить раковую опухоль, а то и вовсе избавить больного от рака. Не так давно мы писали об экспериментах исследователей из Университета Джонса Хопкинса, которым удалось с помощь почвенной клостридии Clostridium novyi подавить развитие опухолей у нескольких онкобольных собак и одного человека.
В своей работе Сангита Бхатиа (Sangeeta Bhatia) и её коллеги использовали кишечную палочку с модифицированным геном lacZ. Фермент, кодируемый lacZ, расщепляет дисахарид лактозу на моносахара глюкозу и галактозу, но на сей раз он должен был расщеплять галактозу, соединённую с люминесцентным белком люциферином. Бактерии, расщепляя такую химерную молекулу, освобождали люциферин, который в скором времени оказывался в моче, где его легко можно было обнаружить с помощью фермента люциферазы: она окисляла люциферин с испусканием света.
Тест довольно простой: модифицированными бактериями в наши дни уже никого не удивить, а люциферазная реакция стала одной из самых распространённых лабораторных процедур, реагенты для неё дёшевы и доступны. Оставались два вопроса: как ввести бактерии в организм и как они будут себя в нём вести. Было решено, что бактериальный препарат должен быть таким, что его нужно будет просто глотать, как обычный пробиотик, для чего был выбран штамм кишечной палочки, который часто используют при проблемах с желудочно-кишечным трактом.
Эксперименты с мышами показали, что модифицированные кишечные палочки не обращали внимания не только на здоровые органы, но и на опухоли – если только они не были в печени. В неё они попадали, очевидно, прямо из пищеварительного тракта, через воротную вену. Это не значит, что бактерий больше нигде не было, просто печёночные опухоли они особенно любили, и здесь их оказывалось настолько много, что они могли произвести достаточное количество люминесцирующего белка, который выделялся с мочой. (Ещё раз подчеркнём, что в здоровой печени клетки кишечной палочки не скапливались.)
Если мыши после того, как её накормили бактериями, вводили молекулу-детектор и после не видели никакого сигнала в моче, значит, в печени не было никаких метастазов, если же моча начинала светиться в люциферазной реакции – значит, в печень появились вторичные опухоли. Так и получилось, что пробиотические бактерии стали специфичным тестом на рак печени. И ответ на вопрос, поставленный в заголовке («Можно ли определить рак по анализу мочи»), звучит так: можно, если это рак печени и если больного накормить специальными микробами.
Бактерии и люциферазная реакция позволяют обнаружить злокачественные образования размером один кубический миллиметр, что делает такой метод самым чувствительным из существующих (ни компьютерная, ни магнитно-резонансная томография, если речь идёт о печени, настолько небольшие опухоли увидеть не могут). В самом ближайшем будущем полученные данные попробуют проверить в клинических испытаниях с онкобольными пациентами. Вместе с тем другие исследователей призывают авторов работы не останавливаться на достигнутом: так, Андреа Калифано (Andrea Califano) из Колумбийского университета предлагает внести в бактерии добавочные модификации, которые позволили бы им разрушать опухолевые клетки – чтобы кишечная палочка помогала не только обнаруживать рак, но и уничтожать его,- повествуется в материале в журнале «Наука и жизнь».
В свою очередь «Вести.ру» повествуют, что «модифицированные штаммы бактерий могут стать надёжным инструментом диагностики заболеваний».
«Как правило, слово бактерия вызывает у людей негативные ассоциации с болезнями. Но на самом деле наш организм является домом для множества микроорганизмов, большинство из которых выполняют полезные функции.
Помимо этого бактерии давно используются в самых разных областях человеческой жизни: от лабораторных исследований и фармацевтики до сельского хозяйства и пищевой промышленности. Современные методы генной инженерии позволяют "перепрограммировать" микроорганизмы и наделить их новыми ценными свойствами. Так, две группы биологов создали генно-модифицированные микроорганизмы, способные обнаруживать рак у мышей и диабет у человека.
Ещё в 1891 году американский медик Уильям Коли (William Coley) вводил бактериальные колонии своим пациентам в надежде, что это поможет бороться с неоперабельными опухолями. Иногда такое лечение работало, благодаря тому что микробы действительно предпочитали оседать в районе опухоли, богатой питательными веществами. Однако присутствующие там же иммунные клетки зачастую сводили все усилия микроорганизмов на нет.
С появлением химио- и радиотерапии про такой подход и вовсе забыли. А с внедрением технологий редактирования геномов бактерий снова стали рассматривать, как перспективное оружие в борьбе с болезнями. Например, их стали программировать на выпуск токсинов внутри опухоли. Несколько работ даже дошли до клинических испытаний, но пока новые методы терапии не были утверждены. Кроме того, до сих пор недостаточно много внимания уделялось возможности использования бактерий в качестве теста на наличие патологии.
Сангита Бхатия (Sangeeta Bhatia) из Массачусетского технологического института и её коллеги ранее работали над обнаружение рака с использованием металлических наночастиц. В присутствии опухоли частицы должны были выпускать особые пептиды, которые могут быть обнаружены в моче. Но, к сожалению, сигнал часто был слишком слабым, чтобы достоверно диагностировать заболевание. Тогда учёные обратились к микроорганизмам.
Команда объединила усилия с группой биоинженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego), чтобы вместе научить бактерии в присутствии рака выделять люминесцентный секрет, заметный в моче. Исследователи скармливали мышам безобидный штамм кишечной палочки, который обычно добавляют в йогурт и другие продукты для помощи в пищеварении. Затем они убедились, что бактерии мигрировали из кишечника в поражённую раком печень.
"Мы поняли, что пока не в состоянии ввести столько бактерий, чтобы получить достаточную концентрацию для диагностики опухоли по всему телу, но мы предположили, что если опухоль находится в печени, там будет собираться максимальное число микроорганизмов", — говорит в пресс-релизе Бхатия.
На втором этапе учёные "научили" бактерии при контакте с опухолью производить фермент LacZ. Модифицированную палочку вводили мышам вместе с особым веществом. Оно представляло собой люминесцирующую молекулу люцеферина, но связанную сахаром, который блокировал способность излучать свет.
У мышей с опухолью печени микроорганизмы начинали синтезировать LacZ, который как ножницы разрезал комплекс, возвращая люцеферину его свойства к свечению. В результате у больных животных моча меняла цвет с жёлтого на красный. Как сообщается в статье, опубликованной в издании Science Translational Medicine, в отличие от существующих методов диагностики, которые могут распознать опухоль размером не менее одного квадратного сантиметра, новая технология безошибочно определяет опухоль размером один квадратный миллиметр.
Одновременно в том же издании была опубликована статья о результатах работы учёных из Университета Монпелье, которые создали генно-модифицированные бактерии, способные распознавать ключевой признак диабета.
Жером Бонне (Jerome Bonnet) и его коллеги заставили микроорганизмы выделять красный пигмент, если концентрация глюкозы вокруг них достигает определённого уровня. При этом штамм бактерий не требуется вводить в организм — достаточно добавить их в пробу мочи.
Новый метод диагностики был успешно испытан на людях. В данный момент он не имеет преимуществ по сравнению с обычными глюкометрами, которые используют для измерения концентрации глюкозы. Но технология может стать базой для создания микроорганизмов, нацеленных на поиск других болезней.
Обе работы показывают, что синтетическая биология может быть успешно использована не только для терапии, но и для диагностики широкого спектра заболеваний. Правда, до появления в медицинских центрах модифицированным бактериям ещё предстоит пройти клинические испытания, на которые могут уйти долгие годы,- повествуют «Вести.ру».