Sviluppati dei microrganismi programmati con circuiti genetici capaci di attivarsi solo nelle aree ipossiche delle masse cancerose
Un gruppo di ricercatori dell’Università di Waterloo, in Canada, ha sviluppato batteri geneticamente modificati capaci di colonizzare i tumori solidi e distruggerli dall’interno. Il sistema sfrutta una caratteristica biologica tipica delle masse tumorali: la presenza di zone interne prive di ossigeno, dove alcuni microrganismi anaerobi possono sopravvivere e moltiplicarsi. Utilizzando strumenti di biologia sintetica, gli scienziati hanno programmato i batteri affinché attivino specifici circuiti genetici solo quando la loro popolazione all’interno del tumore raggiunge una densità sufficiente. In questo modo l’azione terapeutica resta confinata nel microambiente tumorale, riducendo il rischio di effetti nei tessuti sani. La ricerca, ancora in fase pre-clinica, apre nuove prospettive per il trattamento dei tumori solidi che mostrano resistenza alle terapie convenzionali.
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Il ruolo delle zone senza ossigeno nel tumore
Molti tumori solidi presentano al loro interno aree caratterizzate da livelli estremamente bassi di ossigeno. Questo fenomeno, noto come ipossia tumorale, nasce dalla crescita rapida della massa cancerosa e dalla difficoltà dei vasi sanguigni di rifornire uniformemente tutto il tessuto. Proprio queste regioni centrali rappresentano spesso una sorta di rifugio biologico per le cellule tumorali. Farmaci e radiazioni faticano a raggiungerle con efficacia.
I ricercatori hanno deciso di sfruttare questa debolezza biologica utilizzando un batterio anaerobio chiamato Clostridium sporogenes, un microrganismo diffuso nel suolo che può vivere soltanto in ambienti privi di ossigeno. Come ha spiegato il professor Marc Aucoin, docente di ingegneria chimica all’Università di Waterloo, “le spore batteriche penetrano nel tumore, trovando un ambiente ricco di nutrienti e privo di ossigeno, che è proprio quello che questo organismo preferisce, e iniziano a consumare quei nutrienti moltiplicandosi. In questo modo colonizziamo lo spazio centrale del tumore e il batterio contribuisce a eliminarlo dall’organismo.”
Da sinistra a destra: professor Brian Ingalls, dottoressa Sara Sadr, professor Marc Aucoin
Il limite biologico dei batteri anaerobi
L’idea di usare batteri contro il cancro non è nuova. Tuttavia gli approcci sperimentati in passato si sono spesso scontrati con un problema biologico difficile da aggirare. Quando i batteri anaerobi si espandono verso le zone periferiche del tumore, incontrano piccole quantità di ossigeno. Questo ambiente diventa ostile per microrganismi come Clostridium sporogenes, che iniziano a morire prima di riuscire a eliminare completamente la massa tumorale. Di conseguenza le cellule cancerose situate nei bordi del tumore, spesso le più attive e proliferative, possono continuare a sopravvivere. Il gruppo di Waterloo ha deciso di affrontare proprio questo limite biologico introducendo una modifica genetica mirata nel batterio.
Il gene che rende i batteri più resistenti
I ricercatori hanno inserito nel genoma di Clostridium sporogenes un gene proveniente da un batterio affine dotato di maggiore tolleranza all’ossigeno. Questa modifica permette ai batteri ingegnerizzati di sopravvivere più a lungo nelle zone dove l’ossigeno è presente in piccole quantità. La colonia microbica può quindi espandersi oltre il nucleo ipossico del tumore e raggiungere regioni più esterne della massa cancerosa.
Un’attivazione permanente di questa resistenza avrebbe però creato un problema serio. I batteri avrebbero potuto proliferare anche nel sangue o nei tessuti sani, generando possibili effetti tossici. Per evitare questo rischio gli scienziati hanno progettato un sofisticato sistema di controllo genetico.
Il circuito genetico che controlla i batteri
Il controllo del sistema si basa su un fenomeno naturale chiamato quorum sensing, il meccanismo con cui i batteri comunicano tra loro attraverso segnali chimici. Ogni cellula rilascia piccole molecole nell’ambiente circostante. Quando la concentrazione di queste molecole supera una certa soglia significa che la colonia batterica ha raggiunto una densità elevata.
Solo in quel momento vengono attivati specifici geni coordinati. Nel sistema sviluppato a Waterloo il gene che aumenta la tolleranza all’ossigeno si attiva soltanto quando la popolazione batterica all’interno del tumore è sufficientemente numerosa.
Come ha spiegato il professor Brian Ingalls, docente di matematica applicata all’ateneo canadese, “usando la biologia sintetica, abbiamo costruito qualcosa di simile a un circuito elettrico, ma al posto dei fili abbiamo usato frammenti di DNA. Ogni frammento ha il suo compito e, quando assemblati correttamente, formano un sistema che funziona in modo prevedibile.”
La prova sperimentale con proteina fluorescente
Per verificare il corretto funzionamento del sistema genetico, i ricercatori hanno utilizzato un segnale biologico facilmente osservabile. I batteri sono stati programmati per produrre una proteina fluorescente verde quando il circuito genetico si attiva. Questo indicatore ha permesso agli scienziati di monitorare con precisione il momento in cui il meccanismo di quorum sensing entra in funzione.
Gli esperimenti hanno mostrato che il circuito genetico si attiva esattamente quando la popolazione batterica raggiunge la soglia prevista.
I prossimi passi della ricerca oncologica
Il progetto scientifico si articola in due fasi principali.
Nel primo studio i ricercatori hanno dimostrato la possibilità di modificare geneticamente Clostridium sporogenes per aumentare la resistenza all’ossigeno.
Nel secondo lavoro è stato validato il sistema di controllo basato sul quorum sensing.
Il prossimo passo sarà integrare entrambi i componenti in un unico ceppo batterico e testarlo su modelli tumorali pre-clinici.
La ricerca nasce dal lavoro del dottorando Bahram Zargar, co-fondatore del Center for Research on Environmental Microbiology (CREM Co Labs) di Toronto, con la supervisione accademica di Brian Ingalls e del professor Pu Chen, già docente di ingegneria chimica a Waterloo.
Un contributo significativo è arrivato anche dalla ricercatrice Sara Sadr, che ha partecipato allo sviluppo sperimentale del progetto. Prima di arrivare alla sperimentazione sull’uomo sarà necessario dimostrare la sicurezza biologica del sistema, verificare l’assenza di effetti fuori bersaglio e studiare la risposta immunitaria dell’organismo. Se queste verifiche daranno risultati positivi, i batteri programmati potrebbero aprire una nuova strada nella lotta contro tumori solidi difficili da trattare.
A cura della Redazione GTNews
Link utili:
Scientists engineer bacteria to eat cancer tumors from the inside out | ScienceDaily
Bacteria poised to battle cancer | Chemical Engineering | University of Waterloo
