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

Do tej pory najwięcej badań przeprowadzono nad bakterią Clostridium novyi-NT w terapii przeciwnowotworowej. Szczep ten został genetycznie zmodyfikowany w celu usunięcia toksyny α, stanowiącej główny czynnik wirulencji tej bakterii. W 2014 roku przeprowadzono pierwsze badania kliniczne z wykorzystaniem niniejszego szczepu. Spory C. novyi-NT wstrzyknięto dożylnie 53-letniej pacjentce z mięśniakomięsakiem gładkokomórkowym, po czym nastąpiła całkowita regresja guza. Niniejsze odkrycie spowodowało gwałtowny wzrost badań klinicznych dotyczących leczenia raka za pomocą bakterii Clostridium sp. [31].

Bakterie Listeria monocytogenes w terapii przeciwnowotworowej

Bakterie Listeria monocytogenes to Gram-dodatnie, wewnątrzkomórkowe pałeczki wywołujące silną odpowiedź immunologiczną. Patogeny te produkują reaktywne formy tlenu (ROS), co prowadzi do aktywacji limfocytów T CD8+ odpowiedzialnych za eliminację guza [32]. Co więcej, bakterie te hamują produkcję mieloidalnych komórek supresorowych (MDSC), które biorą udział w tworzeniu i progresji nowotworu [33]. Za pomocą nowych technik inżynierii genetycznej istnieje możliwość integracji plazmidów zawierających geny kodujące markery nowotworowe. Związki te mogą występować w formie białek fuzyjnych razem z czynnikami wirulencji L. monocytogenes, tworząc w ten sposób szczepionki. Przykłady obejmują szczepionkę Lm-LLO-E7 testowaną na mysim modelu raka szyjki macicy, szczepionkę Lm-her2/neu badaną na mysim modelu raka wątrobowokomórkowego i szczepionkę LM-Kras badaną na mysim modelu gruczolakoraka przewodowego trzustki. We wszystkich przypadkach zaobserwowano zahamowanie wzrostu oraz regresję guza [34].

Pierwsze badanie kliniczne obejmowało zastosowanie szczepionki Lm-LLO-E7. Jej działanie przeciwnowotworowe obserwowano wśród pacjentek chorych na raka szyjki macicy wywołanym przewlekłym zakażeniem przez wirusa brodawczaka ludzkiego (HPV). Odnotowano 30-proc. redukcję guza raka szyjki macicy [35]. Inne szczepionki oparte na bakteriach Listeria sp. to CRS-208 i ADXS11-001, badane u pacjentów ze złośliwym międzybłoniakiem opłucnej [36] i przerzutowym gruczolakorakiem trzustki [37] (w przypadku CRS207) oraz rakiem odbytu [38] i szyjki macicy [39] (w przypadku ADXS11- 001).

Bakterie Escherichia coli w terapii przeciwnowotworowej

Bakterie Escherichia coli, podobnie jak Listeria monocytogenes, stymulują silną odpowiedź immunologiczną, co powoduje produkcję limfocytów T zaangażowanych w eliminację guza [40]. Największe nadzieje w wykorzystaniu bakterii E. coli w terapii przeciwnowotworowej skupiały się na genetycznie zmodyfikowanym szczepie E. coli Nissle 1917. Yamada i wsp. wykazali, że E. coli zawierający gen kodujący białko azurynę powoduję całkowitą regresję guza piersi i czerniaka w mysich modelach [41]. Z kolei He i wsp. wykazali, że wzrost czerniaka może być zahamowany przez podwyższenie poziomu tumstatyny (Tum-5) kodowanego przez gen dostarczany przez E. coli Nissle 1917 [42].

Bakterie Corynebacterium diphteriae w terapii przeciwnowotworowej

Bakterie Corynebacterium diphteriae są czynnikiem etiologicznym błonicy. Ich głównym czynnikiem wirulencji jest toksyna błonicy, która już w niskim stężeniu może przynieść śmiertelne skutki. Toksyna jest więc testowana jako „narzędzie” do specyficznego ataku na komórki nowotworowe. Poprzez poddanie jej procesom inżynierii genetycznej możliwe jest wytworzenie ligandu, czyli połączenie toksyny z przeciwciałem działającym specyficznie na komórki nowotworowe [43]. Produkcja takich koniugatów okazała się skuteczna w leczeniu kilku typów raka. Na przykład CRM197 jest nietoksycznym wariantem toksyny błonicy, hamującym ekspresję genu kodującego receptor nabłonkowego czynnika wzrostu (EGF) w komórkach rakowych, co w konsekwencji prowadzi do zahamowania angiogenezy i indukcji apoptozy [44]. Z kolei denileukina difitoks jest genetycznie zmodyfikowanym cytotoksycznym białkiem fuzyjnym złożonym z interleukiny-2 i toksyny błonicy. Taka kombinacja pozwala na wprowadzenie związku do komórek zawierających znaczne ilości receptorów IL-2 na swojej powierzchni, czyli komórek nowotworowych. W 1999 roku koniugat ten był zatwierdzony przez Agencję ds. Żywności i Leków w Stanach Zjednoczonych pod nazwą ONTAK ze względu na ponad 30-proc. skuteczność w leczeniu chłoniaka Hodgkina i przewlekłej białaczki limfocytowej [45]. Pomimo klinicznej skuteczności, produkcja tego leku została zawieszona w 2011 r. ze względu na: niespójności w przygotowaniu, obecność zanieczyszczeń i obecność działań niepożądanych, takich jak: gorączka, nudności i ból głowy [43].

Wyzwania w terapii przeciwnowotworowej z udziałem bakterii

Pomimo podjętych prób wykorzystania mikroorganizmów w leczeniu nowotworów, wiele z nich nie przyniosło zadowalających efektów klinicznych. Temat ten wciąż wymaga wielu analiz. Obecnie wiadomo, że terapia ta nie może być zastosowana u pacjentów, którzy wcześniej otrzymywali chemioterapię. Jest to spowodowane gwałtownym osłabieniem układu odpornościowego do tego stopnia, że kolonizacja bakteriami może okazać się dla nich zbyt niebezpieczna, ze względu na możliwy rozwój infekcji. Dodatkowo należy pamiętać, że zakażenie bakteryjne należałoby zwalczać antybiotykoterapią, jednak ich rosnąca oporność na antybiotyki zwiększa ryzyko szybszego rozprzestrzeniania się szczepów wielolekoopornych. Kolejnym niebezpieczeństwem jest zdolność bakterii do kolonizacji ciał obcych, tj. sztucznych zastawek serca, protez stawów. Może to powodować przewlekłe infekcje, a w skrajnych przypadkach konieczność skomplikowanych operacji i wymiany elementów na nowe [19]. Co więcej, terapia genowa nie zawsze jest skuteczna w działaniach przeciwnowotworowych. Rekombinowane plazmidy przenoszone przez bakterie mogą zostać utracone lub mogą zmutować w organizmie gospodarza, zanim przenikną do komórek rakowych [9, 36].

Wnioski

Bakterie takie jak: Salmonella sp., Clostridium sp., Listeria monocytogenes, Escherichia coli i Corynebacterium diphteriae to szczególnie obiecujące „środki” przeciwnowotworowe, zdolne 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. Lukę między sukcesem przedklinicznym a klinicznym można zmniejszyć dzięki bardziej rygorystycznym i precyzyjnym badaniom eksperymentalnym, a także doborowi odpowiedniego organizmu modelowego. Dzięki dalszemu rozwojowi badań w tym zakresie, w połączeniu z rozwojem nowoczesnej biotechnologii można osiągnąć znaczący przełom w wykorzystywaniu mikroorganizmów w leczeniu chorób nowotworowych.

Piśmiennictwo

1. Hall S. A commotion in the blood. New York: Henry Holt and Company, 1998
2. Busch W: Aus der Sitzung der medicinischen Section vom 13 November 1867. Berl Klin Wochenschr 5: 137, 1868
3. Coley, W.B., The treatment of malignant tumors by repeated inoculations of erysipelas. With a report of ten original cases. “Clin. Orthop. Relat. Res”, 1991. (262):3-11.
4. Connell, H.C., The Study and Treatment of Cancer by Proteolytic Enzymes: Preliminary Report. “Can. Med. Assoc. J”1935 33, 364–70.
5. Bhat, J. V, Barker, H.A.,Clostridium lacto-acetophilum and the Role of Acetic Acid in the Butyric Acid Fermentation of Lactate. “Nov. Spec. J. Bacteriol”. 1947, 54, 381–391.
6. Morales, A., Eidinger, D., Bruce, A.W., Intracavitary Bacillus Calmette-guerin in the Treatment of Superficial Bladder Tumors.” J. Urol”. 1976, 116, 180–182.
7. Toso, J.F., i wsp. Phase I Study of the Intravenous Administration of Attenuated Salmonella Typhimurium to Patients With Metastatic Melanoma. “J. Clin. Oncol”. 2002, 20, 142–152.
8. Felgner, S., i wsp. Bacteria in Cancer Therapy: Renaissance of an Old Concept. “Int. J. Microbiol”. 2016, 1–14.
9. Drozdz M., i wsp. Obligate and facultative anaerobic bacteria in targeted cancer therapy: Current strategies and clinical applications, „Life Sci”. 2020;261:118296
10. Duong, M.T.Q., Qin, Y., You, S.H., Min, J.J., Bacteria-cancer interactions: bacteria-based cancer therapy. “Exp. Mol. Med.”.2019 51, 1–15.
11. Ansell, S.M., i wsp. Denileukin diftitox in combination with rituximab for previously untreated follicular B-cell non-Hodgkin’s lymphoma. “Leukemia”, 2011, 26, 1046–1052.
12. Zhao, T., i wsp. Combination of attenuated Salmonella carrying PD-1 siRNA with nifuroxazide for colon cancer therapy. “J. Cell. Biochem”. 2019, 121, 1973–1985.
13. Veena, V.K., i wsp. In vitro antiproliferative, pro-apoptotic, antimetastatic and anti-inflammatory potential of 2,4-diacteylphloroglucinol (DAPG) by Pseudomonas aeruginosa strain FP10. “Apoptosis” 2015, 20, 1281–1295. https://doi.org/10.1007/s10495-015-1162-9
14. Zhang, Y.L., i wsp. Clostridium sporogenes delivers interleukin-12 to hypoxic tumours, producing antitumour activity without significant toxicity. “Lett. Appl. Microbiol”. 2014, 59, 580–586.
15. Kamarajan, P. i wsp. Nisin ZP, a Bacteriocin and Food Preservative, Inhibits Head and Neck Cancer Tumorigenesis and Prolongs Survival. “Plos One”, 2015, 10, e0131008.
16. Michalska, M., Wolf, P., Pseudomonas Exotoxin A: optimized by evolution for effective killing. “Front. Microbiol”. 2015,  6.
17. Toussaint B, i wsp. Live-attenuated bacteria as a cancer vaccine vector, „Expert Rev Vaccines”. 2013;12(10):1139-54.
18. Kasinskas, R.W., Forbes, N.S., Salmonella Typhimurium Lacking Ribose Chemoreceptors Localize in Tumor Quiescence and Induce Apoptosis. “Cancer Res”. 2007 67, 3201–3209.
19. Forbes i wsp. White paper on microbial anti-cancer therapy and prevention. “J. ImmunoTherapy Cancer”, 2018, 6.
20. Mi, Z. i wsp. Salmonella-Mediated Cancer Therapy: An Innovative Therapeutic Strategy. ”J. Cancer” 2019, 10, 4765–4776.
21. Phan, T. i wsp. Salmonella-mediated therapy targeting indoleamine 2, 3-dioxygenase 1 (IDO) activates innate immunity and mitigates colorectal cancer growth. “Cancer Gene Ther”. 2019. 27, 235–245.
22. Chen, G. i wsp. Tumor-targeting Salmonella Typhimurium, a natural tool for activation of prodrug 6MePdR and their combination therapy in murine melanoma model. “Appl. Microbiol. Biotechnol”. 2012, 97, 4393–4401.
23. Jia, L.J. i wsp. Tumor-targeting Salmonella Typhimurium improves cyclophosphamide chemotherapy at maximum tolerated dose and low-dose metronomic regimens in a murine melanoma model. “Int. J. Cancer”, 2007, 121, 666–674.
24. Chen, J., i wsp. Modulation of Salmonella Tumor-Colonization and Intratumoral Anti-angiogenesis by Triptolide and Its Mechanism. “Theranostics”, 2017, 7, 2250–2260.
25. Yano, S. i wsp. Tumor-specific cell-cycle decoy by Salmonella Typhimurium A1-R combined with tumor-selective cell-cycle trap by methioninase overcome tumor intrinsic chemoresistance as visualized by FUCCI imaging. “Cell Cycle”, 2016, 15, 1715–1723.
26. Schmitz-Winnenthal, F.H. i wsp. Anti-angiogenic activity of VXM01, an oral T-cell vaccine against VEGF receptor 2, in patients with advanced pancreatic cancer: A randomized, placebo-controlled, phase 1 trial. “Oncoimmunology”, 2015, 4, e1001217.
27. NCT03762291 Survivin-expressing CVD908ssb-TXSVN Vaccine, ClinicalTrials.gov, https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03762291
28. Weerakkody L.R., Witharana C., The role of bacterial toxins and spores in cancer therapy, „Life Sci” 2019 ;235:116839
29. Heap, J.T., i wsp. Spores of Clostridium engineered for clinical efficacy and safety cause regression and cure of tumors in vivo. “Oncotarget”, 2014, 5, 1761–1769.
30. Liu, S.C. i wsp. Optimized Clostridium-Directed Enzyme Prodrug Therapy Improves the Antitumor Activity of the Novel DNA Cross-Linking Agent PR-104. “Cancer Res”. 2008, 68, 7995–8003.
31. Roberts, N.J. i wsp. Intratumoral injection of Clostridium novyi-NT spores induces antitumor responses. “Sci. Transl. Med”. 2014, 6, 249ra111–249ra111.
32. Zhou S., i wsp. Tumor-targeting bacteria engineered to fight cancer, „Nat Rev Cancer”. 2018; 18(12): 727–743.
33. Wood, L.M., Paterson, Y., 2014. Attenuated Listeria monocytogenes: a powerful and versatile vector for the future of tumor immunotherapy. Front. Cell. Infect. Microbiol. 4.
34. Flickinger, J., Rodeck, U., Snook, A., 2018. Listeria monocytogenes as a Vector for Cancer Immunotherapy: Current Understanding and Progress. Vaccines 6, 48.
35. Terán-Navarro, H. i wsp. Pre-clinical development of Listeria-based nanovaccines as immunotherapies for solid tumours: insights from melanoma. “Oncoimmunology”, 2016, 8, e1541534.
36. Hassan, R., i wsp., Clinical Response of Live-Attenuated, Listeria monocytogenes Expressing Mesothelin (CRS-207) with Chemotherapy in Patients with Malignant Pleural Mesothelioma. “Clin. Cancer Res”. 2019, 25, 5787–5798.
37. Le, D.T., i wsp. Results from a Phase IIb, Randomized, Multicenter Study of GVAX Pancreas and CRS-207 Compared with Chemotherapy in Adults with Previously Treated Metastatic Pancreatic Adenocarcinoma (ECLIPSE Study). “Clin. Cancer Res”. 2019, 25, 5493–5502.
38. Safran, H., i wsp. Tolerability of ADXS11-001 Lm -LLO Listeria-Based Immunotherapy With Mitomycin, Fluorouracil, and Radiation for Anal Cancer. “Int. J. Radiat. Oncol” 2018, 100, 1175–1178.
39. Basu, P., i wsp., A Randomized Phase 2 Study of ADXS11-001 Listeria monocytogenes-Listeriolysin O Immunotherapy With or Without Cisplatin in Treatment of Advanced Cervical Cancer. “Int. J. Gynecol. Cancer” 2018,  28, 764–772.
40. Erdman, S.E. i wsp. CD4(+)CD25(+) Regulatory T Lymphocytes Inhibit Microbially Induced Colon Cancer in Rag2-Deficient Mice. “Am. J. Pathol” 2003, 162, 691–702.
41. Yamada T. i wsp. Bacterial redox protein azurin, tumor suppressor protein p53, and regression of cancer, „PNAS”, 2002, 99 (22) 14098-14103
42. He, L. i wsp. Escherichia coli Nissle 1917 engineered to express Tum-5 can restrain murine melanoma growth. “Oncotarget”, 2017, 8, 85772–85782.
43. Zhang, Y. i wsp. Sensitivity of Cancer Cells to Truncated Diphtheria Toxin. „Plos One”, 2010, 5, e10498.
44. Martarelli D., Pompei P., Mazzoni G., Inhibition of adrenocortical carcinoma by diphtheria toxin mutant CRM197, „Chemotherapy” 2009;55(6):425-32
45. Olsen, E., i wsp. Pivotal Phase III Trial of Two Dose Levels of Denileukin Diftitox for the Treatment of Cutaneous T-Cell Lymphoma. “J. Clin. Oncol” 2001, 19, 376–388.
46. Torres, W i wsp. Bacteria in cancer therapy: beyond immunostimulation. “J. Cancer Metastasis Treat”. 2018, 4, 4.

Mateusz Dróżdż ¹
Barbara Dudek ^2
1 Laboratorium Biochemii RNA, Wolny Uniwersytet w Berlinie, Niemcy
² NZOZ Laboratorium Mikrobiologii, Siemianowice Śląskie

Czytaj także: Escherichia coli – patogen wszechobecny