Бактерии для лечения рака
Статья James Byrne Bacteria, the anti-cancer soldier опубликована в Scientific American Blogging Network.
Перевод: Евгения Рябцева
Каждому известно, что такое рак. Согласно статистике ВОЗ, в 2007 году от различных типов рака умерло восемь миллионов человек. По оценкам специалистов, к 2030 году эта цифра увеличится до 12 миллионов.
В отличие от многих других значимых болезней, заболеваемость раком не ассоциируется с такими факторами, как проживание на определенном континенте или принадлежность к той или иной социально-экономической группе. Кроме того, в отличие от других представителей составленной ВОЗ «горячей десятки», против рака не существует ни вакцины, ни эффективного лекарства. Лечение этого коварного заболевания требует хирургического вмешательства и проведения химио- или радиотерапии. Все эти процедуры оказывают губительное влияние на состояние здоровья пациента как во время их проведения, так и, зачастую, в течение продолжительного периода после окончания лечения.
Однако полученные в последнее время результаты исследований указывают на то, что использование определенных бактерий для лечения рака может предоставить новые терапевтические подходы, являющиеся одновременно дешевыми, легкими в осуществлении и, если полученные к настоящему времени предварительные результаты будут подтверждены в дальнейших исследованиях, способными в ряде случаев обеспечивать полную ремиссию.
Новое – это хорошо забытое старое. Еще в начале XIX века исследователи, в том числе Vautier, отмечали, что до гибели от основного заболевания у пациентов с гангреной наблюдалось полное исчезновение опухолей, однако вызывающий гангрену агент в то время не был известен. Время от времени в медицинской литературе описывались случаи самоизлечения опухолей у пациентов с гангреной и острым поверхностным целлюлитом (рожистое воспаление) и сделаны весьма информативные наблюдения.
Например, доктор William Coley (1920) пишет: «В моей практике был один случай злокачественной круглоклеточной саркомы шеи. Во время операции по удалению опухоли было обнаружено, что она поразила более глубокие ткани шеи, на основании чего попытки по удалению опухоли не были предприняты. У пациента было два эпизода рожистого воспаления. Во время этих эпизодов опухоль шеи полностью исчезла, и пациент покинул клинику в добром здравии. Меня заинтересовала его дальнейшая судьба, и спустя 7 лет я нашел его – живого и здорового». Но до первых попыток изучить этот феномен на животных прошло еще несколько десятилетий.
Целесообразность применения бактерий ограничена определенными типами рака, так как необходимым требованием для эффективности данной терапии является большой размер опухоли, обуславливающий гибель клеток ее внутреннего ядра. По мере роста раковые клетки должны постоянно побеждать окружающие их клетки в борьбе за ресурсы. Для этого они с помощью мутаций отключают различные механизмы контроля клеточного роста, такие как проверка хорошего состояния ДНК перед делением, либо начинают секретировать факторы, стимулирующие их собственный рост. Конечным результатом этого является формирование опухолевой массы.
Со временем это становится для опухоли проблемой, так как питательные вещества и, особенно, кислород могут проникать в ткани только до уровня капилляров. Если толщина слоя ткани между капиллярами становится слишком большой, в зонах, куда не могут проникать питательные вещества, происходит гибель клеток.
Это ограничивает рост опухоли, так как среди гибнущих клеток находятся и злокачественные. Универсальным решением этой проблемы является ангиогенез – формирование новых кровеносных сосудов, для запуска которого требуется наличие ангиогенных сигналов и клеток, находящихся в состоянии гипоксии. Способность злокачественных клеток стимулировать ангиогенез присуща практически всем опухолям, диаметр которых превышает 1 мм, либо расположенных на расстоянии 100 мм от ближайшего кровеносного сосуда.
Большинство опухолей начинает расти в толще здоровых тканей. Латентная фаза (a) продолжается до тех пор, пока им достаточно поступающих питательных веществ. По исчерпании ресурсов локального окружения параллельно со стремительным делением злокачественных клеток начинается их гибель. Гибель клеток, преимущественно обусловленная гипоксией, запускает ангиогенез, восстанавливающий приток питательных веществ и стимулирующий дальнейший рост опухоли. Ангиогенез начинается с расслоения стенки существующего сосуда и его расширения (b), после чего происходит появление ангиогенного ростка (c), формирование и созревание нового сосуда и его заселение периваскулярными клетками (d). Ангиогенез продолжается в течение всего процесса роста опухоли, при этом новые кровеносные сосуды избирательно снабжают обедненные кислородом и некротические участки опухоли необходимыми питательными веществами и кислородом (e). Рисунок из статьи Bergers, G. & Benjamin, L. E. (2003). Tumorigenesis and the angiogenic switch. Nat Rev Cancer 3, 401-410.
Вновь сформированная система доставки питательных веществ позволяет опухоли продолжать рост, однако ее размер быстро увеличивается и ее центральная часть рано или поздно выходит за пределы зоны, снабжаемой питательными веществами, после чего клетки центральной части таких опухолей обречены на гибель.
Крупные опухоли с мертвыми или некротическими центрами (зоны некроза могут быть представлены как одним крупным ядром, так и многочисленными мелкими очагами в центре опухолевой ткани) встречаются очень часто. Во многих случаях, при наличии метастазов, наличие некротического центра является признаком первичной опухоли. Это делает их весьма интересной мишенью для воздействия с помощью лекарственных препаратов, даже несмотря на то, что не было показано способности терапии, непосредственно направленной на подавление некроза, ускорять восстановление пациентов.
Существующие ограничения традиционных методов противоопухолевой терапии достаточно хорошо известны и, по большей части, обусловлены природой этих методов. Целью химио- и радиотерапии является уничтожение всех быстро делящихся клеток, в том числе злокачественных. Однако в организме есть и другие быстро делящиеся клетки, поэтому побочными эффектами подобной терапии является утрата волос, ослабление иммунной системы, чувство усталости и бесплодие. Невозможность прицельного воздействия терапии приводит к серьезным поражениям тканей, ассоциированным с лечением. Очевидным является предположение, что повышение избирательности действия химио- и радиотерапии позволило бы значительно снизить их токсичность. Однако как воздействовать только на опухоли?
Вот тут-то и могут пригодиться бактерии. Определенные виды бактерий – факультативные анаэробы, такие как листерия моноцитогенная (Listeria monocytogenes) и сальмонеллы (Salmonella), способны расти и размножаться в отсутствии кислорода. Кроме того, есть также облигатные анаэробы, в том числе клостридии (Clostridia), жизнедеятельность возможна исключительно в анаэробных условиях.
Листерия моноцитогенная была одним из наиболее популярных объектов на заре исследований, посвященных изучению возможности использования бактерий в борьбе с раком. Это обусловлено возможностью при необходимости подавить с помощью антибиотиков ту часть популяции грам-положительных микробов, которая находится вне опухоли, в тканях с нормальным кровоснабжением. Такой подход весьма примитивен, но в ряде случаев обеспечивает регрессию опухолей. Однако специфичность данного метода остается под большим вопросом, так как листерии не только не «нацеливались» непосредственно на опухоли, а предпочитали снабжаемые кислородом ткани гипоксичным условиям опухолей, даже в случаях, когда для повышения эффективности вакцинации использовались рекомбинантные листерии, экспрессирующие опухолеспецифичные антигены.
Для повышения специфичности терапии специалисты перевели свое внимание на анаэробные микроорганизмы, способные сконцентрироваться внутри некротического центра опухоли. Одним из наиболее активно изучаемых микроорганизмов был грам-отрицательный факультативный анаэроб сальмонелла. Несмотря на присущую сальмонеллам способность инфицировать любые клетки организма, в особенности клетки, выстилающие просвет кишечника, представители рекомбинантных штаммов, лишенные механизмов синтеза аминокислот, предпочитали размножаться в некротизированных центрах опухолей. Дальнейшие модификации, такие как блокирование механизма синтеза липида А (компонента высокоиммуногенного полисахарида), сделали бактерий еще более безопасными и снизили вероятность их распространения по организму, сохранив способность заселять некротизированные очаги внутри опухолей.
Однако введение пациентам живых жизнеспособных культур инвазивного патогена в любом случае связано со значительным риском, поэтому со временем ученые переключились на поиски более безопасной альтернативы.
Вернувшись к одному из наиболее ранних описаний взаимодействия между бактериями и опухолями, исследователи обратили внимание на микроорганизм, обладающий рядом свойств, делающих его идеальным кандидатом на использование в противоопухолевой терапии, а именно клостридий. Клостридии являются облигатным анаэробом, жизнедеятельность и выживание которого возможно только в лишенной кислорода среде. Это делает их превосходным оружием для прицельного воздействия на некротизированную ткань, а также исключает возможность развития вызванного ими системного заболевания.
Клостридии обладают еще одним механизмом, который должен сыграть на руку исследователям. Они являются спорообразующими бактериями, что обеспечивает их метаболическую активность исключительно в некротических тканях и инертность в любых других условиях. Это является значительным преимуществом, так как введение инертных спор, практически не тревожащих иммунную систему, гораздо безопаснее введения жизнеспособных инвазивных патогенов.
В течение последующих лет исследования не принесли больших результатов, и только в начале 50-х годов прошлого века удалось добиться устранения опухолей у экспериментальных мышей, но из-за отсутствия непатогенных штаммов животные редко переживали подобное лечение.
В конце 50-х – начале 60-х годов были идентифицированы непатогенные штаммы клостридий, и в середине 60-х Mose и Mose совершили следующий прорыв. После введения спор содержащегося в окружающей среде непатогенного штамма Clostridium butyricum (переименованного в Clostridium oncolyticum, а впоследствии – в Clostridium sporogenes) непосредственно в опухоли они продемонстрировали регрессию, а в некоторых случаях – ремиссию в экспериментальных опухолевых моделях. Согласно их наблюдениям, после введения спор «опухоли становились значительно мягче и флуктуировали при пальпации», в конечном итоге их «прорывало… с высвобождением коричневатых жидких некротических масс, имеющих консистенцию жидкого гноя».
Данные наблюдения свидетельствовали о том, что даже непатогенные штаммы приводили к гибели части клеток, граничащих с некротическими центрами опухолей. Позже было установлено, что гибель этих клеток обусловлена накоплением токсичных продуктов метаболизма бактерий.
Несмотря на положительные результаты, полученные в течение последних 20 лет, использование бактерий в качестве монотерапии для лечения рака не может стать решением проблемы. Реальная перспектива заключается в применении комбинированной терапии – использовании бактериальных методов одновременно с традиционными подходами.
Многие специалисты признают использование клостридий оптимальным подходом к терапии рака, однако до недавнего времени ученым приходилось рассчитывать только на природные штаммы микроорганизмов и естественным образом появляющиеся мутантные формы. Появление методов манипуляций над геномом стало началом нового этапа разработки бактериальных методов лечения рака.
В настоящее время активно изучается возможность создания модифицированных клостридий, экспрессирующих ферменты, которые конвертируют предшественники лекарственных средств в их активные формы, в том числе цитозиндеаминазу и тимидинкиназу. Первый фермент трансформирует нетоксичный 5-фторцитозин в цитотоксичный 5-фторурацил, а второй – фосфорилирует ганцикловир, превращая его в активный токсичный агент. Препараты-предшественники можно вводить в высоких концентрациях, так как их токсичные формы будут формироваться исключительно в зонах, заселенных экспрессирующими соответствующие ферменты бактериями.
Комбинированная терапия продемонстрировала значительный потенциал, и в настоящее время многочисленные группы исследователей работают над приближением этого метода противоопухолевой терапии к клинической практике.
Однако пока неизвестно, оправдают ли методы лечения рака с помощью анаэробных бактерий возлагаемые на них надежды. Вполне возможно, что конечным этапом разработки могут стать комбинированные подходы, при применении которых химиотерапевтические агенты будут воздействовать на опухоль снаружи, а бактерии – убивать ее изнутри, после чего спорулировать под воздействием возросшей концентрации кислорода.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
11.03.2012