Управляемая маскировка защитит химиотерапевтические бактерии от иммунной системы

Идея использования бактерий в качестве противоопухолевого инструмента выглядела многообещающей, пока не начались эксперименты in vivo. Выяснилось, что введенные в организм бактерии вызывают иммунный ответ и бесконтрольно размножаются. Их токсичность ограничивает возможную терапевтическую дозу.

Ученые из отдела инженерии и прикладной науки Колумбийского университета (Нью-Йорк) смогли преодолеть это противоречие. В статье, опубликованной в Nature Biotechnology, они сообщают о разработке управляемой системы маскировки бактерий от иммунного ответа. Защитное полисахаридное покрытие, синтез которого можно включить извне, в пресс-релизе университета назвали «мантией-невидимкой».

Все последнее десятилетие ученые работали над тем, чтобы заставить бактерии доставлять антибластомные препараты прямо в опухоли. Они модифицировали их геномы для выработки цитотоксических веществ и добились того, чтобы бактерии направлялись прямо к опухолям. Но оказалось, что иммунная система реагирует на них так же, как и на все чужеродное: развивается воспаление. Для достижения терапевтического эффекта требовалось ввести в организм много «боевых бактерий», и системное воспаление оказалось ограничивающим фактором. Итог — или достаточное количество бактерий вызывает интоксикацию, или (если уменьшить их количество) — терапевтический эффект слишком мал. Исследователи из Колумбийского университета (Нью-Йорк) предложили решение проблемы.

Отправной точкой в исследовании стали поверхностные полисахариды (capsular polysaccharides, CAP) бактерий, которые и в природе помогают им избегать обнаружения иммунными клетками — слой полисахаридов скрывает поверхностные антигены от макрофагов.

Авторы работы изучили систему поверхностных полисахаридов кишечной палочки Escherichia coli штамма Nissle 1917. Этот пробиотический штамм демонстрирует необычную способность избегать иммунного ответа в крови человека или мыши (если вводить его инъекционно). Авторы пришли к выводу, что эту способность обеспечивают поверхностные полисахариды: нокдаун или нокаут генов, ответственных за их синтез, делает бактерии восприимчивыми к иммунному ответу, они быстро выводятся из организма. Этот факт натолкнул исследователей на идею о создании управляемой системы iCAP – индуцибельная CAP.

Синтез полисахаридов взяли под контроль с помощью гена kfiC, который кодирует гликотрансферазу N-ацетилглюкозамина (GlcNAc). Этот фермент в комплексе с другими белками отвечает за продукцию CAP, его ингибирование или делеция делает бактерию чувствительной. Авторы клонировали этот ген и поставили его под контроль промотора, который включался низкомолекулярным веществом — изопропил-b-D-тиогалактопиранозидом (IPTG). Если бактерий трансформировать плазмидой, содержащей ген под таким промотором, можно получить бактерий, которые формируют защитные полисахаридные капсулы только в присутствии IPTG. Такие бактерии дольше сохраняли жизнеспособность в цельной крови человека.

Затем авторы проверили технологию in vivo, введя бактерии вместе с IPTG внутривенно мышам. авторы индуцировали синтез полисахаридов, которые уберегали бактерии от иммунного ответа и весь организм животного от тяжелой воспалительной реакции. Так они смогли на порядок увеличить переносимую дозу бактерий. Затем, когда бактерии из системного кровотока концентрировались в опухолях, можно было прекратить их маскировать, просто перестав вводить индуктор IPTG.

Чтобы проверить эффективность, исследователи создали E. coli с iCAP, которая вырабатывала противоопухолевый токсин. Так ученые смогли ингибировать рост опухоли в мышиных моделях колоректального рака и рака молочной железы в большей степени, чем в контрольной группе, получавшей бактерии без системы iCAP. Авторы исследовали как внутривенную, так и внутриопухолевую доставку и в обоих случаях получили обнадеживающие результаты.

Таким образом, сделан большой шаг по направлению к бактериальной терапии рака. Исследователи рассчитывают продолжить исследования, возможно, с другими системами поверхностных полисахаридов бактерий, которых у E. coli  известно более 80.