Μαγνητικά βακτήρια: Διεισδύουν σε καρκινικούς όγκους και μεταφέρουν αντικαρκινικά φάρμακα

Ερευνητές στο ETH Zurich βρήκαν έναν τρόπο που διευκολύνει βακτήρια να διαπερνούν αποτελεσματικά τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων και στη συνέχεια να διεισδύουν σε καρκινικούς όγκους.
Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο διερευνούν πιθανούς τρόπους με τους οποίους μπορούν τα αντικαρκινικά φάρμακα να φτάσουν πιο αποτελεσματικά στους όγκους - «στόχους». Μια καινούργια πρόταση είναι η χρήση τροποποιημένων βακτηρίων ως «κούριερ» για τη μεταφορά των φαρμάκων στους όγκους μέσω της κυκλοφορίας του αίματος.

Αυτό διερευνά μια επιστημονική ομάδα με επικεφαλής τη Simone Schürle, που είναι βιοϊατρικός μηχανικός, καθηγήτρια και κύρια ερευνήτρια του Εργαστηρίου Responsive Biomedical Systems Laboratory του ΕΤΗ στην Ελβετία, η οποία επέλεξε να εργαστεί με βακτήρια που διαθέτουν φυσικές μαγνητικές ιδιότητες λόγω των σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου που περιέχουν. Αυτά τα βακτήρια του γένους Magnetospirillum ανταποκρίνονται στα μαγνητικά πεδία και μπορούν να ελεγχθούν με μαγνήτες έξω από το σώμα.

Σε καλλιέργειες κυττάρων και σε ποντίκια, η Schürle και η ομάδα της έδειξαν τώρα ότι ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται στον όγκο βελτιώνει την ικανότητα των εν λόγω βακτηρίων να διασχίζουν το αγγειακό τοίχωμα κοντά στην καρκινική εστία. Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο προωθεί τα βακτήρια προς τα εμπρός με κυκλική κίνηση μέσα στο αγγειακό τοίχωμα.

Το τοίχωμα του αιμοφόρου αγγείου αποτελείται από ένα στρώμα κυττάρων που χρησιμεύει ως φράγμα μεταξύ του αίματος και του ιστού του όγκου, ο οποίος τρέφεται από πολλά μικρά αιμοφόρα αγγεία. Οι στενοί μεσοκυττάριοι χώροι, των οποίων το μέγεθος άλλοτε μεγαλώνει και άλλοτε μικραίνει, επιτρέπουν ενίοτε την είσοδο των βακτηρίων μέσα στο αγγείο.

Με τη βοήθεια πειραμάτων και προσομοιώσεων υπολογιστή, οι ερευνητές του ETH Ζυρίχης μπόρεσαν να δείξουν ότι η προώθηση των βακτηρίων χρησιμοποιώντας ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι αποτελεσματική για τρεις λόγους:

1. Πρώτον, η πρόωση μέσω ενός περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου είναι δέκα φορές πιο ισχυρή από την πρόωση μέσω ενός στατικού μαγνητικού πεδίου. Το τελευταίο απλώς κατευθύνει τα βακτήρια, τα οποία πρέπει να κινηθούν χρησιμοποιώντας μόνο τη δική τους δύναμη.
2. Ο δεύτερος και πιο κρίσιμος λόγος είναι ότι τα βακτήρια που καθοδηγούνται από το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο βρίσκονται συνεχώς σε κίνηση, ταξιδεύουν κατά μήκος του αγγειακού τοιχώματος και είναι πιο πιθανό να συναντήσουν τα μεσοκυττάρια κενά του αγγειακού τοιχώματος.
3. Τρίτον, σε αντίθεση με άλλες μεθόδους, τα βακτήρια δεν χρειάζεται να παρακολουθούνται με απεικονιστικές μεθόδους. Μόλις το μαγνητικό πεδίο τοποθετηθεί πάνω από τον όγκο, δεν χρειάζεται να επαναρρυθμιστεί.

«Χρησιμοποιούμε επίσης τη φυσική και αυτόνομη κίνηση των βακτηρίων», εξηγεί η Schürle. «Μόλις τα βακτήρια διαπεράσουν το τοίχωμα του αιμοφόρου αγγείου και φτάσουν στον όγκο, μπορούν ανεξάρτητα να διεισδύσουν βαθιά στο εσωτερικό του». Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν πρόωση μέσω του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου για μία ώρα, αρκετά μεγάλος χρόνος ώστε τα βακτήρια να διαπεράσουν αποτελεσματικά το αγγειακό τοίχωμα και να φτάσουν στον όγκο. Τέτοια βακτήρια θα μπορούσαν να μεταφέρουν αντικαρκινικά φάρμακα στο μέλλον.

Στη μελέτη τους, οι ερευνητές του ETH Ζυρίχης προσομοίωσαν αυτήν την εφαρμογή προσαρτώντας λιποσώματα (νανοσφαίρες ουσιών που μοιάζουν με λίπος) στα βακτήρια, στα οποία πρόσθεσαν μια φθορίζουσα χρωστική που τους επέτρεψε να δουν αν τα βακτήρια είχαν πράγματι παραδώσει το «φορτίο» τους μέσα στον καρκινικό ιστό. Σε μια μελλοντική ιατρική εφαρμογή, τα λιποσώματα θα γεμίζονται με ένα φάρμακο.

Η χρήση βακτηρίων ως μεταφορέων φαρμάκων είναι ένας από τους δύο τρόπους με τους οποίους τα βακτήρια μπορούν να βοηθήσουν στην καταπολέμηση του καρκίνου. Η άλλη προσέγγιση σχετίζεται με τη φυσική τάση ορισμένων ειδών βακτηρίων να βλάπτουν τα καρκινικά κύτταρα με διάφορους μηχανισμούς. Σε κάθε περίπτωση, είναι γνωστό ότι τα βακτήρια διεγείρουν ορισμένα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, τα οποία στη συνέχεια εξαλείφουν τον όγκο.

Πολλά ερευνητικά προγράμματα διερευνούν επί του παρόντος την αποτελεσματικότητα των βακτηρίων E. coli κατά των όγκων. Σήμερα, είναι δυνατό χρησιμοποιώντας συνθετική βιολογία να τροποποιηθούν αυτά τα βακτήρια για να βελτιστοποιηθεί η θεραπευτική τους δράση, να μειωθούν οι παρενέργειες και να γίνουν ασφαλέστερα.

Ωστόσο, για να χρησιμοποιηθούν οι εγγενείς ιδιότητες των βακτηρίων στη θεραπεία του καρκίνου, πρέπει να βρεθεί τρόπος τα βακτήρια να φθάνουν αποτελεσματικά στον όγκο. Ενώ είναι δυνατή η έγχυση των βακτηρίων απευθείας σε επιφανειακούς όγκους, αυτό δεν είναι δυνατό για όγκους που βρίσκονται βαθιά μέσα στο σώμα. Εκεί μπαίνει ο μικρορομποτικός έλεγχος της Schürle. «Πιστεύουμε ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη μηχανική μας προσέγγιση για να αυξήσουμε την αποτελεσματικότητα της θεραπείας του καρκίνου με βακτήρια», λέει.

Το E. coli που χρησιμοποιείται στις μελέτες καρκίνου δεν είναι μαγνητικό και επομένως δεν μπορεί να προωθηθεί και να ελεγχθεί από μαγνητικό πεδίο. Γενικά, η μαγνητική απόκριση είναι ένα πολύ σπάνιο φαινόμενο μεταξύ των βακτηρίων. Το Magnetospirillum είναι ένα από τα λίγα γένη βακτηρίων που έχουν αυτή την ιδιότητα. Η Schürle λοιπόν θέλει να μετατρέψει και τα βακτήρια E. coli σε μαγνητικά. Αυτό θα μπορούσε μια μέρα να καταστήσει δυνατή τη χρήση ενός μαγνητικού πεδίου για τον έλεγχο κλινικά χρησιμοποιούμενων θεραπευτικών βακτηρίων που δεν διαθέτουν φυσικό μαγνητισμό.

 Διαβάστε την επιστημονική δημοσίευση στο Science Robotics.