Wykorzystanie bakterii w leczeniu nowotworów – dotychczasowe osiągnięcia i potencjalne zastosowania kliniczne

Bakterie, tj. Salmonella sp., Clostridium sp., Listeria monocytogenes, Escherichia coli i Corynebacterium diphteriae, są szczególnie obiecującymi „środkami” przeciwnowotworowymi zdolnymi do inwazji do mikrośrodowiska guza i dostarczania genów terapeutycznych. Pomimo że terapia z zastosowaniem mikroorganizmów jest nadal w fazie eksperymentalnej i nie przyniosła oczekiwanego sukcesu w badaniach klinicznych, temat ten zasługuje na dalsze analizy.

TITLE: Bacteria-mediated tumor therapy ‒ current strategies and clinical applications

STRESZCZENIE: Konwencjonalne terapie, tj. chemioterapia i radioterapia, stanowią „złoty standard” w leczeniu chorób nowotworowych. Jednakże, potencjalne skutki uboczne oraz możliwa toksyczność tych metod ugruntowują potrzebę odkrycia alternatywnych strategii. Wykorzystanie bakterii w leczeniu nowotworów stanowi nową opcję terapeutyczną ze względu na ich unikalne właściwości (tj. obecność toksyn i enzymów zewnątrzkomórkowych, ruchliwość, beztlenowy tryb życia, immunostymulacja, łatwość modyfikacji genetycznych i ich eliminacji przez antybiotyki). W niniejszym artykule podsumowano najnowsze doniesienia naukowe dotyczące roli bakterii, tj. Salmonella sp., Clostridium sp., Listeria monocytogenes, Escherichia coli i Corynebacterium diphteriae, w regresji guza.

SŁOWA KLUCZOWE: terapie przeciwnowotworowe, ukierunkowane leczenie nowotworów, wykorzystanie bakterii w leczeniu nowotworów, zastosowania kliniczne

SUMMARY: Conventional therapies, such as chemotherapy and radiotherapy, are still the „gold standard” in the cancer treatment. However, their potential side effects and toxicity reinforce the need to discover alternative strategies. The use of bacteria in the cancer treatment is a new therapeutic approach due to their unique properties (i.e. presence of toxins and extracellular enzymes, mobility, anaerobic lifestyle, immunostimulation, ease of genetic modification and their elimination by antibiotics). This article summarizes the latest scientific reports on the role of bacteria such as Salmonella sp., Clostridium sp, Listeria monocytogenes, Escherichia coli and Corynebacterium diphteriae in tumor regression.

KEYWORDS: anticancer therapy, targeted cancer treatment, bacteria-mediated tumor therapy, clinical applications

Pierwsze próby wykorzystania mikroorganizmów w terapii przeciwnowotworowej zostały udokumentowane w 1813 roku (ryc. 1). Zauważono regresję guza wśród pacjentów chorych na zgorzel gazową (gangrenę) wywołaną przez bakterie Clostridium perfringens [1].

Kolejne doniesienie zostało opublikowane w 1868 roku. Pacjent cierpiący na chorobę nowotworową o nieznanej etiologii został celowo zainfekowany poprzez przeniesienie do łóżka, na którym poprzedniego dnia zmarł inny pacjent cierpiący na zakaźną chorobę skóry – różę, wywołaną przez bakterie Streptococcus pyogenes [2]. Około 20 lat później amerykański chirurg William B. Coley zauważył wśród badanych pacjentów regresję guza po wstrzyknięciu inaktywowanych termicznie bakterii Serratia marcescens i Streptococcus pyogenes. Uzyskana mieszanina bakteryjna, zwana toksyną Coleya, była z powodzeniem podawana pacjentom z chorobami nowotworowymi przez kolejne 40 lat. Jednakże, ze względu na brak znanego mechanizmu terapeutycznego, toksyna wzbudzała wiele kontrowersji w środowisku naukowym, przez co została ostatecznie wycofana z użycia [3]. Z kolei w 1935 roku przeprowadzono badania wykazujące, że przyczyną regresji guza w obrębie gruczołu piersiowego jest produkcja enzymów proteolitycznych przez bakterie Clostridium histoliticum [4]. Odkrycie to spowodowało wzrost liczby badań nad bakteriami Clostridium sp. i ich roli w leczeniu nowotworów [5]. Większość tych eksperymentów kończyła się niepowodzeniem, aż do 1976 roku, kiedy to opracowano szczepionkę BCG (ang. Bacillus Calmette-Guérin) skuteczną w leczeniu powierzchownych postaci raka pęcherza moczowego. Szczepionka zawiera atenuowany szczep bakterii Mycobacterium bovis [6]. Co więcej, w 1999 roku atenuowany w wyniku delecji genów purl i msbB szczep Salmonella enterica subsp. enterica serotyp Typhimurium VNP20009 wstrzyknięto dożylnie 24 pacjentom z czerniakiem. Pomimo tego, że badania przedkliniczne na mysich modelach zakończyły się sukcesem, u żadnego z pacjentów nie zaobserwowano regresji guza [7]. Niemniej jednak w ciągu ostatnich 20 lat postępy inżynierii genetycznej, a także rosnąca wiedza na temat patofizjologii komórek nowotworowych i bakteryjnych przyczyniły się do wzrostu liczby badań nad bakteriami jako nowej opcji terapeutycznej w leczeniu raka [8].

Strategie wykorzystania mikroorganizmów w regresji guza

1. Produkcja biologicznie czynnych białek izolowanych od bakterii
   Bakterie wykazują zróżnicowane mechanizmy eliminacji guza. Wiele z nich jest obecnie poddawanych modyfikacjom inżynierii genetycznej w celu produkcji cząsteczek biologicznie aktywnych wobec komórek nowotworowych. Badania te polegają głównie na osłabieniu wirulencji patogenu z jednoczesnym wzmocnieniem aktywności przeciwnowotworowej [10].
2. Bakterie jako wektory
   Bakterie mogą pełnić rolę wektorów pobudzających układ odpornościowy do walki z komórkami nowotworowymi. Cząsteczkami o działaniu leczniczym dostarczanymi przez bakterie do komórek nowotworowych mogą być: przeciwciała monoklonalne (skierowane przeciwko jednemu antygenowi) [11], polipeptydy o działaniu proapoptycznym [12], czynniki antyangiogenne [13], cytokiny [14] i białka cytotoksyczne [15].
3. Immunostymulacja
   Efektywna regresja guza może również wynikać z indukcji apoptozy oraz inhibicji proliferacji komórek nowotworowych. Procesy te są następstwem aktywacji określonych dróg transdukcji sygnałów na skutek wydzielania bakteryjnych toksyn lub enzymów zewnątrzkomórkowych [16].
4. Produkcja szczepionek
   Obiecującą strategią w terapii przeciwnowotworowej jest produkcja szczepionek, w skład których wchodzą żywe atenuowane szczepy bakteryjne [17].

Bakterie Salmonella sp. w terapii przeciwnowotworowej

Bakterie Salmonella sp. są najczęściej analizowanymi mikroorganizmami w badaniach dotyczących terapii przeciwnowotworowych. Dzięki obecności wici bakterie te mogą aktywnie migrować z układu krwionośnego do głębokich tkanek guza. Ruch ten polega na wykrywaniu odpowiednich chemoreceptorów naczyniowych kontrolujących, na drodze chemotaksji, kierunek migracji bakterii do określonych obszarów mikrośrodowiska guza [18]. Dodatkowo martwicze regiony guza sprzyjają proliferacji bakterii Salmonella sp. ze względu na stałą dostępność składników odżywczych (np. puryn) pochodzących ze zniszczonych komórek nowotworowych [8, 19].

Liczne badania koncentrują się na analizie serotypu S. enterica subsp. enterica Typhimurium, ponieważ jego zdolności adaptacyjne przyczyniły się do powstania nowych szczepów o aktywności przeciwnowotworowej. Wykazano, że genetycznie modyfikowane szczepy S. Typhimurium akumulują i proliferują ponad 1000 razy szybciej w komórkach nowotworowych niż w komórkach narządów układu siateczkowo-śródbłonkowego (np. wątroby) [20]. Bakterie te hamują angiogenezę nowotworową poprzez indukcję ekspresji genów kodujących czynniki antyangiogenne, np. czynnik indukowany hipoksją – 1 (HIF-1) lub czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEFG) [21]. Ponadto bakterie S. Typhimurium odkrywają ważną rolę jako wektory w terapii genowej GDEPT (ang. gene-directed enzyme prodrug therapy). Metoda ta polega na wprowadzeniu do komórek nowotworowych (za pośrednictwem szczepów Salmonella sp.) genów enzymów, które, ulegając ekspresji, dają aktywne białka. Tak wyprodukowane enzymy mogą z kolei przekształcać podawane proleki do ich aktywnych form, prowadząc w konsekwencji do śmierci komórki nowotworowej [22]. Wykazano również, że terapia polegająca na połączeniu szczepów S. Typhimurium z niskimi dawkami chemioterapeutyków (np. cyklofosfamidem [23], tryptolidem [24]) znacznie zmniejszyła wzrost guza w porównaniu z leczeniem indywidualnym. Ostatnie badania opisują skuteczność nowej terapii zwanej po angielsku decoy, trap and shoot chemotherapy. Technika ta znalazła zastosowanie w leczeniu raka: prostaty, piersi, płuc, trzustki i szyjki macicy. Wykazano, że około 90% wszystkich komórek rakowych guza znajduje się w fazie G0/G1 cyklu komórkowego. Jest to stan spoczynku, w którym komórki nie dzielą się. Związki cytotoksyczne zabijają tylko proliferujące komórki rakowe i mają niewielki wpływ na ich nieaktywne formy. Po zaprzestaniu chemioterapii oporne, spoczynkowe komórki wznawiają cykl komórkowy, powodując rozwój choroby. Wykazano, że genetycznie zmodyfikowane bakterie S. Typhimurium „wabią” nieaktywne komórki rakowe, by uległy proliferacji (dokładniej, powodują przejście z fazy G0/G1 do fazy aktywnych podziałów S/G2). Wówczas „zwabione” przez bakterie komórki nowotworowe leczone rekombinowaną metioninazą (rMETazą) pozostają w fazie S/G2. Komórki będące w tej fazie cyklu komórkowego są niszczone cisplatyną lub paklitakselem [25].

Do tej pory przeprowadzono niewiele badań klinicznych wykorzystujących bakterie Salmonella sp. w leczeniu nowotworów. Przykładowo, Schmitz-Winnenthal i wsp. zaprojektowali doustną szczepionkę przeciwnowotworową VXM01 opartą na żywych, atenuowanych szczepach bakterii Salmonella sp. zawierających plazmid z genem kodującym receptor czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGFR). Zaobserwowano redukcję guza trzustki po 38 dniach od momentu zaszczepienia chorych pacjentów [26]. Kolejna szczepionka o nazwie TXSVN składa się z atenuowanej formy żywego szczepu bakterii Salmonella sp., który został genetycznie zmodyfikowany w celu wytworzenia markeru nowotworowego rozpoznającego surwiwinę. Białko to odnotowano w większości nowotworów, nie stwierdzono jego obecności w prawidłowo funkcjonujących tkankach. Wykazano, że ponad 90% komórek raka szpiczaka zawiera duże ilości surwiwiny. Po podaniu szczepionki TXSVN indukowane białko stymuluje odpowiedź immunologiczną przeciwko komórkom nowotworowym, powodując zahamowanie proliferacji i indukcję apoptozy guza [27].

Bakterie Clostridium sp. w terapii przeciwnowotworowej

Bakterie Clostridium sp. to Gram-dodatnie, bezwzględnie beztlenowe laseczki wytwarzające spory. Dzięki takiej budowie i fizjologii komórek bakterie te wykazują zdolność efektywnej kolonizacji w martwiczych obszarach guza. Podczas germinacji aktywne metabolicznie komórki bakteryjne wydzielają toksyny i/lub enzymy zewnątrzkomórkowe prowadzące w konsekwencji do lizy komórek guza [28]. Ponadto, na skutek germinacji, komórki bakteryjne indukują ekspresję przeciwciał skierowanych przeciwko czynnikowi indukującemu hipoksję (HIF-1), a także cytokin, np. TNF-α, IL- 2 i IL-12 [14]. Kolejną strategią jest modyfikacja genetyczna szczepów Clostridium sp. w celu ekspresji genów kodujących tzw. enzymy konwertujące proleki (ang. prodrug-converting enzyme, PCE). Enzymy te powodują konwersję nietoksycznych proleków do ich toksycznych form atakujących komórki rakowe. Przykładowo, w badaniu in vivo Heap i wsp. odkryli, że nitroreduktaza aktywuje nietoksyczny lek CB1954 w jego toksyczne formy, co powoduje regresję guza raka okrężnicy [29]. W innym badaniu wykazano, że iniekcja genu codA kodującego deaminazę cytozyny do bakterii C. beijerinckii powoduje konwersję nietoksycznej 5-fluorocytozyny do toksycznego wobec komórek nowotworowych 5-fluorouracylu [30].

Czytaj także: Rola błonowego białka TolC w biologii bakterii