ako medicinska tehnologija napreduje, mnoge bolesti se mogu otkriti, sprečiti i izlečiti pomoću ćelija, a ne tableta.
Ova grana medicine naziva se ćelijska ili ćelijska terapija . Već se koristi u kliničkoj praksi u nekim situacijama, kao što su pacijenti koji primaju transplantaciju fekalnih mikroba („transplantacije poo“) kada imaju tešku gastrointestinalnu infekciju ili transplantaciju koštane srži za lečenje raka krvi.
Koristeći sintetičku biologiju, takođe možemo da konstruišemo nove i poboljšane ćelije koje bi nam mogle pomoći da upravljamo raznim bolestima. U novoj studiji objavljenoj danas (10. avgusta) u časopisu Science, moje kolege i ja opisujemo kako smo konstruisali bakterije da uspešno otkriju ćelije raka.
Naš projekat je započeo prezentacijom sintetičkog biologa Roba Kupera tokom nedeljnog laboratorijskog sastanka našeg kolege Džefa Hejstija na Kalifornijskom univerzitetu u San Dijegu. Rob je proučavao gene i prenos gena u bakterijama.
Geni su osnovna jedinica genetskog nasleđa. To je ono što vam daje osmeh vaše majke ili boju očiju vašeg oca.
Transfer gena (ili nasleđivanje) je proces kojim se geni prenose iz jedne ćelije u drugu. Mogu se naslediti vertikalno – kada jedna ćelija replicira svoju DNK i podeli se na dve odvojene ćelije. To je ono što se dešava u reprodukciji i kako deca nasleđuju DNK od svojih roditelja.
Geni se takođe mogu, međutim, naslediti horizontalno – kada se DNK prenosi između nepovezanih ćelija, van nasleđa od roditelja do potomstva.
Horizontalni prenos gena je prilično čest u svetu mikroba. Određene bakterije mogu da spasu gene iz DNK bez ćelija koja se nalazi u njihovom neposrednom okruženju. Ova slobodno plutajuća DNK se oslobađa kada ćelije umru. Kada bakterije unesu DNK bez ćelija u svoje ćelije, to se zove prirodna kompetencija.
Dakle, kompetentne bakterije mogu uzorkovati svoje obližnje okruženje i na taj način steći gene koji im mogu pružiti prednost.
Posle Robovog govora, upustili smo se u neka luda nagađanja. Ako bakterije mogu da preuzmu DNK, a rak je genetski definisan promenom DNK, onda bi, teoretski, bakterije mogle biti konstruisane da otkriju rak.
Kolorektalni rak je izgledao kao logičan dokaz koncepta jer creva nije samo puna mikroba, već je puna i DNK tumora kada ga pogodi rak.
Acinetobacter bailii, prirodno kompetentna bakterija, izabrana je da bude eksperimentalni biosenzor — ćelija za otkrivanje bolesti.
Naš tim je modifikovao genom A. bailii tako da sadrži dugačke sekvence DNK kako bi odražavao DNK pronađen u ljudskom genu raka koji smo bili zainteresovani da uhvatimo. Ove „komplementarne“ sekvence DNK funkcionisale su kao lepljive podloge za sletanje – kada su bakterije preuzele specifičnu DNK tumora, veća je verovatnoća da će se integrisati u bakterijski genom.
Bilo je važno integrisati – zadržati na mestu – DNK tumora. Čineći to, mogli bismo da aktiviramo druge integrisane gene, u ovom slučaju gen otpornosti na antibiotike, kao signal za otkrivanje raka.
Signal bi funkcionisao na sledeći način: ako bi se bakterije mogle uzgajati na pločama za kulturu napunjenim antibioticima, njihov gen otpornosti na antibiotike je bio aktivan. Zbog toga su otkrili rak.
Sproveli smo seriju eksperimenata u kojima su naši novi bakterijski biosenzori i tumorske ćelije spojeni u sve složenije sisteme.
U početku smo biosenzor jednostavno marinirali prečišćenom DNK tumora. To jest, predstavili smo naš biosenzor sa tačnom DNK za koju je napravljen da detektuje — i funkcionisao je. Zatim smo uzgajali biosenzor pored živih tumorskih ćelija. Ponovo je otkrio DNK tumora.
Na kraju, biosenzor smo isporučili živim miševima koji su imali ili nisu imali tumore. U mišjem modelu kolorektalnog karcinoma, mi ubrizgavamo ćelije kolorektalnog raka miša u debelo crevo, koristeći mišju kolonoskopiju.
Tokom nekoliko nedelja, miševi kojima su ubrizgane ćelije raka razvijaju tumore, dok miševi koji nisu ubrizgani služe kao zdrava grupa za poređenje. Naš biosenzor je savršeno razlikovao miševe sa i bez kolorektalnog karcinoma.
Nakon ovih ohrabrujućih rezultata, još više smo dizajnirali bakterije. Biosenzor sada može da razlikuje promene jednog para baza unutar DNK tumora, omogućavajući fino podešenu preciznost u načinu na koji detektuje i cilja gene. Ovu tehnologiju smo nazvali CATCH: ćelijski test za ciljani horizontalni transfer gena diskriminisan CRISPR-om.
CATCH obećava veliko. Ova tehnologija koristi DNK bez ćelija kao novi ulaz za sintetička biološka kola, a samim tim i za otkrivanje niza različitih bolesti, posebno infekcija i karcinoma.
Međutim, još nije spreman za upotrebu u klinici. Aktivno radimo na sledećim koracima — da povećamo efikasnost detekcije DNK, da kritičnije procenimo performanse ovog biosenzora u poređenju sa drugim dijagnostičkim testovima i, naravno, da obezbedimo bezbednost pacijenata i životne sredine.
Međutim, najuzbudljiviji aspekt ćelijske zdravstvene zaštite nije samo otkrivanje bolesti. Laboratorija to može da uradi.
Ali ono što laboratorija ne može da uradi je da upari otkrivanje bolesti (dijagnozu) sa ćelijama koje zapravo reaguju na bolest odgovarajućim tretmanom.
To znači da se biosenzori mogu programirati tako da signal bolesti – u ovom slučaju, specifična sekvenca DNK bez ćelija – može da pokrene specifičnu biološku terapiju, direktno na mestu gde je bolest otkrivena u realnom vremenu.
