Ученые из Университета Ватерлоо работают над новым методом лечения рака, основанным на использовании генетически модифицированных бактерий, способных разрушать опухоли изнутри. Исследование сочетает достижения синтетической биологии, генной инженерии и математического моделирования, пишет ScienceDaily.
В центре разработки находится бактерия Clostridium sporogenes — микроорганизм, обитающий в почве и способный жить только в полностью бескислородной среде. Это ключевое свойство делает его особенно интересным для онкологии.
Внутренняя часть многих твердых опухолей практически лишена кислорода и состоит из мертвых клеток и питательных веществ. Для большинства клеток организма такие условия губительны, однако для C. sporogenes — идеальны. Попадая в опухоль в форме спор, бактерии «просыпаются», начинают активно размножаться и потреблять доступные ресурсы, постепенно разрушая внутреннюю структуру новообразования.
По словам профессора химической инженерии Марка Окойна, бактерии заселяют центральную часть опухоли, где отсутствует кислород, и начинают использовать ее содержимое как источник питания, фактически способствуя уничтожению раковой ткани.
Однако у метода есть серьезное ограничение. По мере роста бактерии продвигаются к внешним слоям опухоли, где присутствует небольшое количество кислорода. В этих условиях микроорганизмы начинают погибать, не успевая полностью разрушить опухоль.
Чтобы решить эту проблему, исследователи внедрили в C. sporogenes ген родственной бактерии, обладающей большей устойчивостью к кислороду. Благодаря этой модификации бактерии могут выживать в условиях частичного доступа кислорода и дольше сохранять активность в периферийных зонах опухоли.
Однако усиление устойчивости к кислороду создает и потенциальный риск. Если бактерии станут слишком жизнеспособными в кислородной среде, они могут начать размножаться вне опухоли — например, в кровотоке, что небезопасно для пациента.
Для предотвращения этого ученые применили механизм, известный как quorum sensing — «чувство кворума». Это естественная система коммуникации бактерий с помощью химических сигналов. По мере увеличения их количества концентрация сигнального вещества растет. Только когда внутри опухоли накапливается достаточное число бактерий, сигнал достигает порогового уровня и активирует ген устойчивости к кислороду.
Таким образом, защитный механизм включается строго в нужный момент — когда колония уже сформирована внутри опухоли и требуется продвижение к ее внешним слоям.
В предыдущих исследованиях команда продемонстрировала возможность генетической модификации C. sporogenes для повышения устойчивости к кислороду. В дальнейшем ученые протестировали систему quorum sensing, запрограммировав бактерии на выработку зеленого флуоресцентного белка. Это позволило визуально подтвердить, что ген активируется именно тогда, когда запланировано.
Профессор прикладной математики Брайан Ингаллс сравнил разработанную систему с электрической схемой: только вместо проводов используются фрагменты ДНК. Каждый элемент выполняет строго определенную функцию, а вместе они образуют предсказуемую и управляемую биологическую систему.
Теперь исследователи планируют объединить ген устойчивости к кислороду и систему quorum sensing в одном штамме бактерии и протестировать его в доклинических испытаниях на моделях опухолей.
Проект стартовал как междисциплинарная работа аспиранта Бахрама Заргара под руководством Брайана Ингаллса и профессора химической инженерии Пу Чена. Сейчас к разработке подключены специалисты из различных областей, включая инженеров, математиков и биологов.
Также команда сотрудничает с компанией CREM Co Labs в Торонто, соучредителем которой является Заргар. В проекте участвует и Сара Садр — бывшая аспирантка университета, сыгравшая ключевую роль в развитии исследования.
Хотя метод находится на ранней стадии разработки, он демонстрирует перспективное направление в онкологии — использование «живых лекарств», способных избирательно воздействовать на патологические ткани. Если технология подтвердит эффективность и безопасность в доклинических и клинических испытаниях, она может стать частью комбинированной терапии рака в будущем.
Развитие подобных подходов показывает, как синтетическая биология постепенно переходит от лабораторных экспериментов к созданию реальных медицинских решений.