Бактерия диагностирует рак кишечника

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, возможно, 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. А бактерии вводили с помощью клизмы.

• Читайте также:
• Ученые создали бактерии, способные бороться с раком
• Сканер опухолей — помощник хирурга-онколога
• Случайное открытие поможет победить малярию

— 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.

Это называется горизонтальным переносом генов в отличие вертикального переноса от предков к потомкам. 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.

— Преимущество метода в том, что он очень дешев, прост и безопасен. Основной недостаток в том, что он позволяет найти что-то очень конкретное, в отличие от разрабатываемых сегодня методов, таких как обнаружение свободных раковых ДНК в анализе крови, дающих более общую картину, но и стоящих намного дороже, — добавляет профессор Эльдар.

Он отмечает, что до применения этого метода на людях еще далек, и на этом пути много проблем. Одним из них – выживут ли бактерии, если принять их через рот в желудке, и останется ли их достаточно для необходимой диагностики.

— В конце концов, если мы будем вводить их клизмой, как тем мышам в исследовании, уж проще и эффективнее сделать колоноскопию, — говорит профессор.

Использование бактерий в качестве биологических датчиков в кишечники не ново. Ученые применяли их для обнаружения таких общих признаков присутствия раковых опухолей, как пониженное содержание кислорода. Однако особенность нового исследования — создание бактерий, способных распознавать и реагировать на специфические мутации в ДНК.

Сложность была в том, чтобы бактерия встраивала в себя только фрагменты ДНК раковых клеток, но не здоровых тканей.

Исследователи решили проблему, творчески используя систему CRISPR— биологический механизм, который обычно помогает бактерии защищаться от вирусов. Система CRISPR умеет распознавать чужеродную ДНК вируса и разрезать ее, чтобы уничтожить. В этом исследовании ее перестроили, чтобы она делала то же самое со свободными ДНК из здоровых тканей и не давала бактериям их усвоить. Это непростая задача, потому что разница между ДНК здоровой и раковой ткани может быть мизерной.

— Я твердо верю в общую идею исследования, — говорит профессор Тамир Туллер, руководитель Лаборатории вычислительных систем и синтетической биологии инженерного факультета Тель-Авивского университета. — Если мы хотим решить проблему рака, который на самом деле является сложным заболеванием, это должно быть что-то сложное и интеллектуальное, способное, среди прочего, выявлять относительно небольшие различия между геномом раковой клетки и здоровой тканью. Реальное решение проблемы рака должно справлять с тем, что раковая опухоль гетерогенна. А «простая» молекула не может этого сделать. Вам нужна система, в которой способна закодировать много информации. Бактериальные геномы подходят для этого. Вы также можете использовать вирусы.

Еще одним преимуществом этого метода, по словам Туллера, является его разрешающая способность, которая спускается до уровня одного нуклеотида (буквы в структуре ДНК). И следовательно, его умение идентифицировать молчащие мутации. Это ошибки, возникающие при репликации наследственного материала, когда последовательность букв ДНК, представляющая определенную аминокислоту, заменяется другой последовательностью, эквивалентной ей и представляющей ту же кислоту. Ошибка «молчащая», поскольку, по-видимому, не происходит изменения конечной структуры белка и той роли, которую он играет в организме.

— Большинство методов лечения сегодня связаны с изменениями в структуре белка, хотя уже доказано, что есть заболевания, связанные именно с молчащими мутациями, и они могут вызывать повреждения. 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.

Н.А., Рути Леви, TheMarker. Фото: Depositphotos.com