Идея основана на применении микроорганизмов, предпочитающих анаэробные условия. Именно такие условия наблюдаются в глубине злокачественных образований, где клетки уже погибли, а кислорода практически нет.
Главным объектом уникальной биотехнологии, разработанной специалистами Университета Ватерлоо, является бактерия Clostridium sporogenes, обитающая в почве и способная выживать только при полном отсутствии кислорода. Внутреннее ядро опухолей состоит из мертвых клеток и лишено кислорода — то есть там созданы идеальные условия для размножения этого микроорганизма.
«Споры бактерий проникают в опухоль и обнаруживают среду с высоким содержанием питательных веществ и без кислорода — именно то, что предпочитает этот организм, — объясняет профессор химической инженерии Марк Окуэн. — Микроб начинает потреблять эти питательные вещества и расти. Мы колонизируем центральную часть опухоли, и бактерия фактически избавляет организм от нее».
Однако существует проблема: когда бактерии распространяются к внешним слоям опухоли, где появляется небольшое количество кислорода, они погибают, не успев полностью уничтожить раковые клетки. Чтобы устранить это ограничение, ученые внедрили в бактерию ген от родственного микроорганизма, более устойчивого к кислороду.
Активировать такую способность слишком рано опасно: бактерии могут начать размножаться в богатых кислородом местах, таких как кровоток. Для контроля ученые использовали естественный механизм бактериальной коммуникации — чувство кворума. Бактерии выделяют химические сигналы, и чем больше их накапливается, тем сильнее сигнал. Только когда концентрация бактерий внутри опухоли достигает определенного уровня, включается ген устойчивости к кислороду.
«Применяя синтетическую биологию, мы создали нечто подобное электрической цепи, только вместо проводов использовали кусочки ДНК, — рассказывает профессор прикладной математики Брайан Ингаллс. — У каждого фрагмента своя задача. Когда они правильно соединены, получается система, функционирующая предсказуемым образом».
В предыдущих исследованиях команда продемонстрировала, что Clostridium sporogenes можно генетически модифицировать для повышения устойчивости к кислороду. В следующем эксперименте ученые протестировали работу механизма чувства кворума, запрограммировав бактерии на производство зеленого флуоресцентного белка, что позволило подтвердить, что механизм активируется именно в нужный момент.
Следующий этап — объединить ген устойчивости к кислороду и систему контроля в одной бактерии и провести доклинические испытания на опухолях. Таким образом, совместные усилия специалистов в области инженерии, математики и наук о жизни превращают фундаментальные открытия в инновационные решения, способные произвести настоящую революцию в медицине.
Фото: hi-tech.mail.ru