20 september 2023, door Elia Ben-Ari

Een team van Amerikaanse en Australische wetenschappers heeft bacteriën ontwikkeld die DNA kunnen detecteren dat uit tumoren is vrijgekomen.

In een nieuwe studie toonde het team aan dat bij muizen hun ontwikkelde ‘bacteriële biosensoren’ gemuteerd DNA opgepikt dat door colorectale tumoren in de darmen terechtkwam.

De bacteriën zijn geprogrammeerd om op een soort moleculaire klopjacht te gaan, waarbij ze DNA met mutaties in het lichaam zoeken en vastleggen KRAS gen. Wanneer het gemuteerde DNA wordt gevangen, wordt een genetische schakelaar geactiveerd, waardoor de bacteriën een signaal uitzenden dat aangeeft dat er kanker is gedetecteerd. 

De resultaten werden op 11 augustus gepubliceerd Wetenschap.

Naast het op niet-invasieve wijze detecteren van kanker, zouden deze bacteriële biosensoren mogelijk ook kunnen worden ontworpen om het precieze type kanker te diagnosticeren dat ze vinden, zegt Miguel Ossandon, Ph.D., van NCI's Afdeling Kankerbehandeling en Diagnose (DCTD), die niet bij het onderzoek betrokken was.

Er is ook het potentieel om de gemanipuleerde bacteriën te gebruiken om behandelingen te geven aan tumoren in de darmen waar en wanneer ze worden gedetecteerd, zei een van de senior onderzoekers van de studie, Daniel Worthley, MD, Ph.D., van de Colonoscopy Clinic in Brisbane, Australië. Met andere woorden: “om diagnose en therapie te verenigen”, zei Dr. Worthley.

Ten minste een eerdere studie heeft de techniek van bacteriën gerapporteerd om kanker op te sporen. Maar volgens Avraham Rasooly, Ph.D. van DCTD, die ook niet bij het werk betrokken was, beschrijft deze studie de meest geavanceerde techniek van bacteriën specifiek voor de detectie van kanker en, mogelijk, de diagnose. 

Dr. Rasooly voegde er echter aan toe dat er nog veel meer werk nodig is voordat de aanpak bij mensen kan worden gebruikt.

En de nieuwe technologie zal de colonoscopie niet vervangen – althans niet op korte termijn, zei Dr. Worthley. Colonoscopie is nog steeds de beste manier om voorstadia van kanker in de darmen te vinden en te verwijderen, merkte hij op. 

Bacteriën kunnen DNA uit hun omgeving opnemen

Om de biosensoren te maken, maakten de wetenschappers gebruik van het natuurlijke vermogen van veel bacteriën. De bacteriën kunnen vrij zwevend DNA uit hun omgeving halen en dit in hun eigen genoom plakken in plaats van een soortgelijk stukje DNA, legt co-hoofdonderzoeker Robert Cooper, Ph.D., van de Universiteit van Californië in San Diego uit. Onder normale omstandigheden zorgt dit vermogen ervoor dat bacteriën nieuwe eigenschappen verwerven die hen helpen groeien en overleven.

Het team gebruikte een soort bacterie genaamd Acinetobacter baylyi dat is vooral goed in het ophalen van DNA uit zijn omgeving. A. baylyi Bacteriën kunnen in de darmen van een muis leven, maar “worden over het algemeen niet bij mensen aangetroffen”, zei Dr. Cooper.

Met behulp van genetische manipulatietechnieken programmeerden de wetenschappers de bacteriën om fragmenten ervan te vinden en op te nemen KRAS. Schadelijke mutaties in KRAS zijn de oorzaak van veel gevallen van colorectale kanker en andere vormen van kanker, waaronder long- en pancreaskanker.

Het team heeft de bacteriën verder gemanipuleerd, zodat ze een bijzonder schadelijke vorm van mutatie aannemen KRAS G12D genoemd, reageren ze door een gen in te schakelen dat hen resistent maakt tegen het antibioticum kanamycine. Resistentie tegen kanamycine kan eenvoudig in het laboratorium worden opgespoord door te kijken of de bacteriën groeien in de aanwezigheid van het medicijn.

Het testen van de gemanipuleerde bacteriën

In een reeks laboratoriumschaalexperimenten toonde het team aan dat de gemanipuleerde bacteriën DNA-bevattende stoffen konden detecteren KRAS G12D uit in het laboratorium gekweekte colorectale kankercellen en organoïden (mini-orgaanachtige structuren). Bacteriën die het opnamen KRAS G12D – maar niet normaal, ongemuteerd KRAS– konden groeien in petrischalen beladen met kanamycine.

Ten slotte bracht het team de gemanipuleerde bacteriën rechtstreeks in de darmen van muizen met of zonder colorectale tumoren. Alleen A. baylyi bacteriën teruggewonnen uit de darmen van dieren met tumoren groeiden in de aanwezigheid van kanamycine. En de genomen van die bacteriën bleken de veranderde bacteriën te bevatten KRAS gen.

Voor deze eerste reeks experimenten hebben Drs. Worthley en Cooper legden uit dat ze een geoptimaliseerd systeem gebruikten om de beste kansen op succes te garanderen. Dat omvatte het gebruik van tumor-DNA dat in het laboratorium werd ontwikkeld als het ‘donor-DNA’ dat door de gemanipuleerde bacteriën moest worden opgepikt.

Nadat het team had laten zien dat hun basisconcept werkte, gingen ze verder met de engineering A. baylyi om ‘natuurlijk, niet-gemanipuleerd’ tumor-DNA te detecteren. 

Tot nu toe, zegt dr. Cooper, zal deze vernieuwde biosensor “werken in een laboratoriumschaaltje, maar is hij niet nauwkeurig genoeg om goed te werken bij muizen”, wat betekent dat hij zowel vals-negatieve als vals-positieve resultaten kan opleveren. Hij zei echter: “wij denken dat dit een overkomelijk obstakel is.”

Eén ding is duidelijk, het onderzoeksteam en deskundigen die niet bij het onderzoek betrokken waren, waren het erover eens: er is meer werk nodig om de nieuwe technologie te ontwikkelen en te verfijnen voor mogelijk gebruik in de kankerzorg. 

Dat omvat onder meer het aanpassen van het systeem voor gebruik met soorten bacteriën die beter geschikt zijn voor menselijk gebruik, zoals bacteriën die in de menselijke darm kunnen leven, en het ontwikkelen van een manier om de bacteriën via de mond af te geven. Het betekent ook dat het systeem verder moet worden ontwikkeld en getest om te garanderen dat het veilig is.

En om de aanpak ook buiten de darmkankers toe te passen, zal er meer onderzoek nodig zijn om bacteriën te ontwikkelen “zodat ze in minder toegankelijke tumoren kunnen komen, zoals die in de alvleesklier,” zei Dr. Ossandon.

Een “modulaire” en aanpasbare aanpak

“Dit is een nieuwe aanpak … die veel potentieel heeft om op voort te bouwen en te verbeteren”, zegt Claudia Gravekamp, ​​Ph.D., van het Albert Einstein College of Medicine, die werkt aan op bacteriën gebaseerde kankertherapieën en vaccins en er niet bij betrokken was in de nieuwe studie. 

Omdat de bacteriën zijn ontwikkeld met componenten die gemakkelijk kunnen worden uitgeschakeld, is de aanpak “aanpasbaar aan het detecteren van andere soorten bekende kankerverwekkende mutaties en zou deze in een aantal verschillende omgevingen kunnen worden toegepast”, aldus Phil Daschner, MS, programmadirecteur. bij NCI's Afdeling Kankerbiologie, die het werk financierde.

Een voordeel van deze “modulaire” genetische manipulatietechniek, legde Dr. Cooper uit, is dat “we de bacteriën gemakkelijk kunnen vertellen om naar andere stukjes DNA te zoeken” en op verschillende manieren te reageren zodra kanker wordt ontdekt. 

Hij vervolgde bijvoorbeeld dat de bacteriën zo kunnen worden gemanipuleerd dat ze een verbinding produceren die gemakkelijk kan worden gedetecteerd in een urine- of bloedmonster, in plaats van resistent te worden tegen een antibioticum.

En terwijl het proof-of-principle-onderzoek zich beperkte tot het opsporen van één enkele KRAS Mutatie die vaak wordt gezien bij colorectale kanker, zou de bacterie ook kunnen worden gemanipuleerd om mutaties te detecteren die vaker voorkomen bij andere soorten kanker, zei Daschner.

Dr. Cooper zei dat het team hoopt de bacteriën zodanig te ontwikkelen dat ze meer dan één genetische mutatie tegelijk kunnen detecteren.

Een ander potentieel voordeel van de nieuwe aanpak vergeleken met andere tests die op kanker screenen, zei Daschner, is dat “de bacteriën het gemuteerde DNA kunnen detecteren waar het zich bevindt, [en] wanneer de mutatie plaatsvindt.” 

DNA wordt vaak vernietigd door enzymen in de darmen, "dus tenzij er veel tumor-DNA is, kunnen andere tests, zoals [bestaande] tests op basis van ontlasting, het mogelijk niet in een monster detecteren", vervolgde hij. 

Een breed scala aan mogelijke klinische toepassingen voor ogen

Voor Dr. Worthley is de echte langetermijnbelofte van de gemanipuleerde bacterie een vorm van gerichte therapie, niet alleen als een manier om kanker op te sporen. Omdat de bacteriën “direct kunnen reageren op het tijdstip en de plaats van ziektedetectie”, legt hij uit, kunnen ze worden gebruikt om ter plekke behandelingen uit te voeren zodra kanker – of zelfs een precancereuze laesie – wordt gedetecteerd.

Dr. Worthley heeft aandelen in een bedrijf dat gemanipuleerde bacteriën ontwikkelt voor kankertherapie, dat mede werd opgericht door een andere senior auteur van het onderzoek, Jeff Hasty, Ph.D., van UC San Diego.

Aan de andere kant heeft drs. Rasooly en Ossandon geloven dat het meest opwindende potentieel van de technologie, die niet in het onderzoek werd besproken, een niet-invasief alternatief is voor weefselbiopsie voor het diagnosticeren en monitoren van kanker.  

In plaats van een weefselbiopsie, die mogelijk een grote naald of een operatie met zich meebrengt, zouden gemanipuleerde bacteriën op een dag kunnen worden gebruikt om tumor-DNA uit de darmen te ‘bemonsteren’ – en misschien ook tumoren in andere delen van het lichaam – en het DNA af te leveren voor genetische analyse. Dit zou mogelijk een revolutie teweeg kunnen brengen in de biopsie en diagnose van kanker, zei Dr. Rasooly.

Dr. Ossandon merkte echter op dat deze mogelijke toepassing “ver in de toekomst” ligt.

Op de kortere termijn, zo stelde Dr. Gravekamp voor, zouden de gemanipuleerde bacteriën buiten het lichaam kunnen worden gebruikt als een gevoelige manier om specifieke kankergerelateerde mutaties in bloedmonsters van patiënten te detecteren. 

“Als [de onderzoekers] dat werkend zouden krijgen, zou het prachtig zijn en toepasbaar zijn op zoveel soorten kanker,” zei ze.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.cancer.gov/news-events/cancer-currents-blog/2023/engineered-bacteria-detect-cancer