Ученые творчески использовали способность бактерий встраивать в свой геном ДНК из окружающей среды и превратили их в крошечные датчики раковых мутаций. Эксперименты только в начальной стадии, но в перспективе они могут перевернуть диагностику и лечение рака, пишет TheMarker.
В будущем мы, сможем выпить стакан напитка со специально модифицированными бактериями, способными обнаружить рак толстой кишки. И это заменит такое неприятное исследование, как колоноскопия.
Исследование, опубликованное в престижном журнале «Science», демонстрирует принципиальную осуществимость этой идеи и может проложить путь к новому типу биологических сенсоров, способных обнаруживать инфекции, рак и другие заболевания.
Группа ученых из Калифорнийского университета и Университета Аделаиды в Австралии во главе с Робертом Купером, Джеффом Хасти и Дэниелом Уортли использовала бактерию под названием Acinetobacter baylyi.
Она обычно живет в почве и не вызывает заболеваний. Ее переделали так, чтобы она распознавала мутацию в гене KRAS — одну из распространенных мутаций, способствующих развитию рака толстой кишки.
Бактерия достигает кишечника и ищет мутации в свободной ДНК, выделяющейся из первичных опухолей и метастазов. Когда она их находит и поглощает, в ней активируется ген устойчивости к антибиотикам.
Потом лабораторный тест проверяет, устойчива ли бактерия к антибиотикам. И положительный результат служит подтверждением рака.
Исследователи провели эксперимент на мышах с опухолями, имплантированными в их пищеварительный тракт. Бактерии вводили с помощью клизмы.
— Это умная идея, которая очень оригинально использует базовые микробиологические свойства, — рассуждает профессор Авигдор Эльдар из Школы биомедицины и исследований рака на факультете наук о жизни Тель-Авивского университета.
— Они взяли биологический процесс, известный уже 100 лет — способность некоторых бактерий поглощать ДНК из окружающей среды и встраивать ее в свой геном.
Когда она встроила этот ген, она становится устойчивой к лекарствам. После чего достаточно просто взять анализ кала и проверить его частицы в чашке Петри с раствором антибиотика.
— Один из ключевых плюсов этого метода заключается в его экономичности, простоте и безопасности. В то же время, основной недостаток сводится к способности выявлять конкретные патологии, в отличие от современных подходов, таких как анализ свободной раковой ДНК в крови, обеспечивающих более общую картину, но требующих гораздо больших затрат, — отмечает профессор Эльдар.
Он подчеркивает, что использование этого метода на людях все еще находится в далеком будущем, сопряжено с множеством трудностей. Одна из главных проблем — возможность выживания бактерий после перорального приема их в желудке, а также обеспечение достаточной их численности для эффективной диагностики.
— В конечном итоге, если вводить бактерии через клизму, как это было с мышами в эксперименте, проще и эффективнее провести колоноскопию, — утверждает профессор.
Применение бактерий в роли биологических сенсоров в кишечнике — не новость. Ученые ранее использовали их для выявления общих признаков раковых опухолей, таких как изменение уровня кислорода. Однако уникальность нового исследования заключается в способности бактерий распознавать и реагировать на конкретные мутации в ДНК.
Сложность состояла в том, чтобы бактерия внедряла в себя лишь участки ДНК раковых клеток, исключая здоровые ткани.
Ученые сумели решить эту проблему, искусно используя систему CRISPR — биологический механизм, обычно защищающий бактерии от вирусов. CRISPR способен распознавать вирусную ДНК и разрезать ее, чтобы уничтожить вирус.
В данном исследовании систему перенастроили так, чтобы она справлялась с той же задачей, но с ДНК здоровых тканей, не позволяя бактериям ее усваивать. Это сложная задача, так как различия между ДНК здоровых и раковых тканей могут быть незначительными.
— Я сильно верю в общий подход этого исследования, — говорит профессор Тамир Туллер, руководитель Лаборатории вычислительных систем и синтетической биологии на инженерном факультете Тель-Авивского университета.
— Если мы нацелены на преодоление проблемы рака, которая на самом деле представляет собой сложное заболевание, то нужно исследование, способное эффективно выявлять даже небольшие различия между геномами раковых и здоровых клеток.
Решение этой проблемы должно быть исключительно сложным и интеллектуальным, способным, в том числе, выявлять малозаметные мутации. Настоящее решение для борьбы с раком должно учитывать гетерогенность раковых опухолей.
И "простая" молекула не в состоянии этого сделать. Необходима система, способная кодировать обширный объем информации. Бактериальные геномы вполне подходят для этой задачи. Также возможно использование вирусов.
Еще одним плюсом этого метода, согласно Туллеру, является его высокая разрешающая способность, способная доходить до уровня одной нуклеотидной базы (основной единицы структуры ДНК). Следовательно, метод способен обнаруживать скрытые мутации.
Это молчаливые ошибки, возникающие при копировании генетического материала, когда последовательность ДНК, представляющая определенную аминокислоту, заменяется другой последовательностью, кодирующей ту же самую аминокислоту. Эта ошибка "молчаливая", потому что, вероятно, не меняет окончательную структуру белка и его функциональную роль в организме.
— Большинство методов лечения сегодня связаны с изменением структуры белка, несмотря на то, что уже доказано, что существуют заболевания, связанные именно с молчаливыми мутациями, которые также могут привести к разрушительным последствиям.
Так что это важное преимущество новой технологии, — говорит Туллер.
По словам Туллера, центральная проблема, очень типичная для лечения рака, — это проблема доставки лекарства в нужную клетку.
— Сегодня это узкое место, — рассказывает он. — Я даже скажу с некоторым преувеличением, что если бы мы знали, как доставлять лекарства точно и только к клеткам-мишеням, мы жили бы вечно. Это частично объясняет разрыв между экспериментами, проведенными на первых этапах, и результатами, полученными на людях.
Ведь сначала ученые тестируют свое лекарство в строго контролируемых лабораторных условиях, например, на клеточных линиях вне организма.
В долгосрочной перспективе использование генетически модифицированных бактерий или вирусов может стать хорошим решением проблемы доставки.
Туллер и Эльдар отмечают еще одну серьезную проблему при применении идеи нового исследования к людям. Бактерия — это живое и сложное существо, которое подвергается эволюции, и нет никакой уверенности в том, что она продолжит вести себя, как было задуманно.
— Допустим, мы сконструировали существо, которое вошло в ваше тело и выполняет свою работу. Но что с ним происходит через два дня? Это живое существо, и оно подвергается отбору по тем качествам, которые улучшают его выживаемость, а не обязательно по том, что интересуют вас, — говорит Туллер.
— Что очень интересно, так это перспективы, которые обещает все это направление. Что в будущем такая генетически модифицированная бактерия может стать некой маленькой машиной, которая будет диагностировать проблему, скажем, раковую мутацию, а также выделять какое-нибудь вещество, например, специфический препарат против этой мутации. Но это пока фантазия.
РЕКОМЕНДУЕМ ОЗНАКОМИТЬСЯ:
Благодарим, что дочитали нашу статью до конца. Очень надеемся, что она была полезна Вам.
Все подписчики нашего канала (подписаться) имеют право на получение помощи на оплату лечения и диагностики в Израиле. С перечнем льгот, Вы можете ознакомиться по этой ссылке
Если вы хотите оставить комментарий, убедительная просьба придерживаться наших правил. В противном случае, комментарий может быть удален. Благодарим за понимание и сотрудничество.