دانشمندان با مهندسی باکتری‌ها، آنها را به «اسب‌های تروآ» برای قاچاق ویروس‌های کشنده سرطان از سد دفاعی ایمنی تبدیل کردند

دانشمندان باکتری‌ها را مهندسی کرده‌اند تا به عنوان اسب‌های تروآی میکروسکوپی عمل کنند و ویروس‌های کشنده سرطان را از سد سیستم ایمنی عبور داده و مستقیماً به تومورهای جامد برسانند. محققان با ترکیب غریزه تومورجویی باکتری‌ها و قدرت تخریبی ویروس‌های انکولیتیک، یک بستر تحویل ایجاد کرده‌اند که یکی از سرسخت‌ترین موانع در انکولوژی مدرن را دور می‌زند. برای دهه‌ها، چالش اصلی در استفاده از ویروس‌ها برای مبارزه با سرطان، نه توانایی ویروس‌ها در کشتن سلول‌های بدخیم، بلکه مکانیسم تحویل آن‌ها بوده است. بدن انسان در پاکسازی مهاجمان ویروسی بسیار کارآمد است، به این معنی که محموله‌های درمانی اغلب قبل از رسیدن به هدف، در جریان خون خنثی می‌شوند. این رویکرد جدید دو ریزجانداری، ویروس را به طور موثر در داخل یک حامل باکتریایی زنده پنهان می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا بدون شناسایی در جریان خون حرکت کند، به هسته تومور نفوذ کند و حمله‌ای هدفمند را از درون آغاز کند.[1][3]

ویروس‌درمانی انکولیتیک – استفاده از ویروس‌های اصلاح‌شده ژنتیکی برای آلوده کردن و تخریب سلول‌های بدخیم – مدت‌هاست که نویدبخش یک درمان سرطان بسیار هدفمند بوده است. برخلاف شیمی‌درمانی سنتی که به طور بی‌رویه سلول‌های در حال تقسیم سریع را در سراسر بدن مسموم می‌کند، ویروس‌های انکولیتیک می‌توانند به طور انتخابی سلول‌های سرطانی را لیز (متلاشی) کنند و بافت سالم را دست‌نخورده باقی بگذارند. با این حال، سیستم ایمنی انسان در شناسایی و خنثی‌سازی ویروس‌های خارجی قبل از رسیدن به محل تومور، بسیار کارآمد است. هنگامی که ویروس انکولیتیک به بیمار تزریق می‌شود، آنتی‌بادی‌ها و سلول‌های ایمنی در گردش بلافاصله تهدید را تشخیص داده و آن را از جریان خون پاک می‌کنند. به دلیل این پاکسازی سریع، پزشکان در طول تاریخ مجبور بوده‌اند ویروس‌ها را مستقیماً به داخل تومورها تزریق کنند؛ روشی بسیار تهاجمی که برای سرطان‌های عمقی یا متاستاز شده غیرممکن است. یافتن یک روش تحویل سیستمیک و وریدی که از سیستم ایمنی جان سالم به در ببرد، آرزوی دیرینه این حوزه بوده است.[1][3]

برای حل این مشکل تحویل، محققان به یک متحد غیرمنتظره روی آوردند: باکتری سالمونلا تیفی‌موریوم (Salmonella typhimurium). اگرچه این باکتری معمولاً با بیماری‌های ناشی از غذا مرتبط است، اما دارای یک ویژگی بیولوژیکی منحصربه‌فرد است که آن را برای انکولوژی بسیار ارزشمند می‌کند. سالمونلا به طور طبیعی به سمت ریزمحیط‌های کم‌اکسیژن و غنی از مواد مغذی که در اعماق تومورهای جامد یافت می‌شوند، کشیده می‌شود. از آنجایی که تومورها به سرعت رشد می‌کنند، رگ‌های خونی آن‌ها اغلب به خوبی شکل نگرفته‌اند و مناطق هیپوکسیک (کم‌اکسیژن) ایجاد می‌کنند که نفوذ داروها و سلول‌های ایمنی سنتی به آن‌ها دشوار است. با این حال، سالمونلا دقیقاً در این شرایط رشد می‌کند. با پنهان کردن محموله ویروسی در داخل باکتری، این سیستم به طور موثر یک «شنل نامرئی» ایجاد می‌کند که ویروس را از آنتی‌بادی‌های در گردش محافظت می‌کند. باکتری‌ها به عنوان یک وسیله حمل و نقل خودراهنما عمل می‌کنند، در جریان خون شناور می‌شوند، از شناسایی ایمنی فرار می‌کنند و فعالانه تاریک‌ترین و غیرقابل دسترس‌ترین مناطق توده تومور را جستجو می‌کنند.[1][2]

تیمی از مهندسی کلمبیا و دانشگاه راکفلر اخیراً این رویکرد پیشگامانه را در مجله «مهندسی زیست‌پزشکی نیچر» (Nature Biomedical Engineering) شرح دادند. سیستم آن‌ها که رسماً CAPPSID (فعالیت هماهنگ پروکاریوت و پیکورناویروس برای تحویل ایمن درون‌سلولی) نامیده می‌شود، از یک سویه ضعیف‌شده و ایمن سالمونلا برای انتقال ژنوم RNA ویروس سنکا A (Senecavirus A) استفاده می‌کند. ویروس سنکا A یک پیکورناویروس با خواص مستند شده در کشتن سرطان است، به ویژه در برابر برخی تومورهای جامد تهاجمی. محققان سال‌ها را صرف تنظیم دقیق اصلاحات ژنتیکی مورد نیاز کردند تا باکتری بتواند RNA ویروسی را بدون تخریب زودهنگام حمل کند. پلتفرم حاصل، اولین همکاری مهندسی‌شده مصنوعی بین پروکاریوت‌ها و ویروس‌ها است که به طور خاص برای تخریب ایمن و هدفمند تومور طراحی شده است. سیستم CAPPSID با استفاده از نقاط قوت بیولوژیکی هر دو ریزجاندار، بر محدودیت‌های فردی که در طول تاریخ مانع از پیشرفت درمان‌های سرطان مبتنی بر باکتری و ویروس شده‌اند، غلبه می‌کند.[1][2]

مکانیسم عمل هم ظریف است و هم برای تومور ویرانگر. هنگامی که باکتری‌های سالمونلای مهندسی‌شده به ریزمحیط تومور نفوذ می‌کنند، فعالانه به سلول‌های سرطانی حمله می‌کنند. باکتری‌ها پس از قرارگیری ایمن در فضای درون‌سلولی سلول بدخیم، برنامه‌ریزی شده‌اند تا در فرآیندی به نام لیز (متلاشی شدن) خودتخریبی کنند. این عمل خودکشی، RNA ویروسی پنهان‌شده را مستقیماً در سیتوپلاسم سلول سرطانی آزاد می‌کند و به طور کامل از دفاع بیرونی سلول عبور می‌کند. سپس RNA ویروس سنکا A، ماشین‌آلات تولیدمثلی خود سلول سرطانی را برای تکثیر خود ربوده و به کار می‌گیرد. با تکثیر ویروس، در نهایت سلول میزبان را می‌ترکاند و فوراً آن را می‌کشد. ذرات ویروسی تازه تولید شده سپس به بافت تومور اطراف سرازیر می‌شوند، سلول‌های سرطانی همسایه را آلوده می‌کنند و چرخه را تکرار می‌کنند و موجی آبشاری از تخریب ایجاد می‌کنند که از هسته تومور به بیرون گسترش می‌یابد.[1][2]

یک چالش حیاتی در هر ویروس‌درمانی زنده، جلوگیری از گسترش کنترل‌نشده ویروس در سراسر بدن بیمار و ایجاد بیماری سیستمیک است. برای رسیدگی به این موضوع، تیم کلمبیا یک محافظ بیولوژیکی سختگیرانه و چندلایه را در پلتفرم CAPPSID مهندسی کردند. ویروس سنکا A به گونه‌ای اصلاح ژنتیکی شد که نتواند به تنهایی تکثیر شود؛ بلکه برای بلوغ ویریون (ذره ویروسی) به شدت به یک آنزیم باکتریایی خاص نیاز دارد. از آنجایی که باکتری سالمونلا تنها می‌تواند در ریزمحیط هیپوکسیک و منحصربه‌فرد تومور زنده بماند، آنزیم باکتریایی مورد نیاز فقط در داخل توده سرطانی وجود دارد. اگر ویروس به طور تصادفی به بافت سالم و غنی از اکسیژن فرار کند، خود را بدون پروتئاز باکتریایی لازم می‌یابد و کاملاً خنثی می‌شود. این وابستگی تضمین می‌کند که عفونت ویروسی به طور کامل در داخل تومور موضعی باقی می‌ماند و یک مکانیسم ایمنی حیاتی برای کاربردهای بالینی آینده فراهم می‌کند.[1][2]

تحقیقات موازی، قابلیت اجرا و تطبیق‌پذیری این استراتژی دو ریزجانداری را بیشتر تأیید می‌کند. تیم دیگری از محققان در دانشگاه ماساچوست امهرست (UMass Amherst) یک پلتفرم مشابه را توسعه دادند که از سویه‌ای از سالمونلا برای تحویل پاروویروس H-1 استفاده می‌کند. تیم UMass Amherst به جای تمرکز بر تومورهای ریه، به طور خاص سرطان‌های کبد و لوزالمعده (پانکراس) را هدف قرار دادند – دو بدخیمی بسیار تهاجمی که درمان آن‌ها به طور بدنامی دشوار است و پیش‌آگهی بسیار ضعیفی دارند. سیستم آن‌ها، که به عنوان وکتور سالمونلای تحویل‌دهنده ویروس (VDS) شناخته می‌شود، نشان داد که مفهوم اسب تروآ محدود به یک نوع ویروس یا یک نوع سرطان نیست. محققان با جایگزینی محموله ویروسی و تنظیم حامل باکتریایی، می‌توانند به طور بالقوه این درمان را برای حمله به طیف گسترده‌ای از تومورهای جامد که قبلاً در برابر ایمنی‌درمانی‌ها و شیمی‌درمانی‌های سنتی مقاومت کرده‌اند، سفارشی‌سازی کنند.[3]

داده‌های حاصل از این مدل‌های پیش‌بالینی اولیه از نظر اثربخشی بسیار چشمگیر است. در مطالعه UMass Amherst، مدل‌های حیوانی تحت درمان با ترکیب باکتری-ویروس، کاهش عمیقی در بار تومور مشاهده کردند. محققان گزارش دادند که تومورها در موش‌های تحت درمان تنها به ۲۷ درصد اندازه تومورهای تحت درمان با سورافنیب (Sorafenib)، یک داروی استاندارد خط اول سرطان کبد، کوچک شدند. علاوه بر این، سوژه‌ها زمان بقای بسیار طولانی‌تری را نشان دادند و تا ۶۵ روز بیشتر از گروه‌های کنترل زنده ماندند. در آزمایش‌های دانشگاه کلمبیا، سیستم CAPPSID تومورهای ریه انسانی کاشته‌شده را در گروه‌های خاصی از موش‌ها به طور کامل ریشه‌کن کرد. نکته مهم این است که تیم UMass اشاره کرد که این اثرات چشمگیر با استفاده از یک تزریق وریدی استاندارد به دست آمده است، که ثابت می‌کند باکتری‌ها با موفقیت در جریان خون حرکت کرده و بدون نیاز به تزریق مستقیم و تهاجمی به توده تومور، به سمت تومورها هدایت شده‌اند.[3]

فراتر از لیز مستقیم ویروسی سلول‌های سرطانی، رویکرد اسب تروآ یک مکانیسم دفاعی ثانویه قدرتمند را فعال می‌کند که ممکن است از عود سرطان جلوگیری کند. هنگامی که سلول‌های سرطانی در اثر عفونت ویروسی می‌ترکند، سیل عظیمی از آنتی‌ژن‌های خاص تومور و سیگنال‌های التهابی را در ریزمحیط اطراف آزاد می‌کنند. این رویداد آشفته، که به عنوان مرگ سلولی ایمنی‌زا (Immunogenic cell death) شناخته می‌شود، مانند یک منور بزرگ برای سیستم ایمنی طبیعی بدن عمل می‌کند. این امر سلول‌های T و ماکروفاژهای در گردش را از وجود تومور آگاه می‌کند و به طور موثر سیستم ایمنی را برای شناسایی و شکار پروتئین‌های سرطانی خاص آموزش می‌دهد. این بدان معناست که این درمان نه تنها تومور اولیه را از بین می‌برد، بلکه یک پاسخ ایمنی سازگار و سیستمیک نیز ایجاد می‌کند. این اثر «شبیه واکسن» می‌تواند از نظر تئوری سیستم ایمنی خود بیمار را برای جستجو و تخریب ریزمتاستازهای غیرقابل کشف پراکنده در سراسر بدن، توانمند سازد.[3]

با وجود موفقیت چشمگیر پیش‌بالینی و ظرافت مهندسی بیولوژیکی، شواهد به شدت محدود به مدل‌های حیوانی و محیط‌های آزمایشگاهی کنترل‌شده باقی می‌ماند. سیستم‌های ایمنی انسان و ریزمحیط‌های تومور جامد که به طور طبیعی شکل می‌گیرند، بسیار پیچیده‌تر، ناهمگن‌تر و غیرقابل پیش‌بینی‌تر از مواردی هستند که در مدل‌های موش زیرپوستی یافت می‌شوند. هنوز مشخص نیست که بیماران انسانی تا چه حد معرفی سیستمیک وکتورهای باکتریایی، حتی سویه‌های ضعیف‌شده، را تحمل خواهند کرد. این خطر قابل توجه وجود دارد که باکتری‌ها قبل از رسیدن به تومور، یک پاسخ التهابی سیستمیک شدید یا سپسیس (عفونت خون) را تحریک کنند. علاوه بر این، در حالی که باکتری‌ها ویروس را از آنتی‌بادی‌ها محافظت می‌کنند، سیستم ایمنی انسان ممکن است همچنان حمله‌ای سریع علیه خود سالمونلا انجام دهد و به طور بالقوه اسب تروآ را قبل از اینکه بتواند محموله خود را به سلول‌های سرطانی برساند، از جریان خون پاک کند.[1]

علاوه بر این، محققان باید تأیید کنند که محافظ‌های ژنتیکی مهندسی‌شده در طول زمان پایدار باقی خواهند ماند. فشار انتخابی عظیم بدن انسان، همراه با نرخ‌های جهش سریع باکتری‌ها و ویروس‌ها، خطر نظری تکامل ریزجانداران برای دور زدن سوئیچ‌های ایمنی داخلی خود را افزایش می‌دهد. ارزیابی ایمنی گسترده، مطالعات افزایش دوز و آزمایش‌ها روی پستانداران بزرگ‌تر برای اطمینان از اینکه ویروس نمی‌تواند از ریزمحیط تومور فرار کند و بافت سالم را آلوده سازد، مورد نیاز خواهد بود. اگرچه داده‌های فعلی یک اثبات مفهوم قانع‌کننده و پارادایم‌شکن ارائه می‌دهند که نشان می‌دهد زیست‌شناسی هنوز ابزارهای کشف‌نشده‌ای برای انکولوژی دارد، اما مسیر کاربرد انسانی طولانی است. کارآزمایی‌های بالینی روی بیماران انسانی احتمالاً هنوز سال‌ها فاصله دارند، اما زیربنای یک روش اساساً جدید برای ارائه درمان‌های هدفمند سرطان گذاشته شده است.[2]