tEl intestino humano está inundado en un mar de microbios que fermentan silenciosamente fibras, producen vitaminas e intercambian información con el sistema inmunológico.1 Ahora, los científicos están asignando a las bacterias otra tarea más a medida que se abren camino a través del sistema digestivo: la detección del cáncer.
Un equipo internacional de investigadores diseñó un biosensor bacteriano capaz de identificar una mutación del ADN asociada al cáncer, que publicaron en la revista Ciencia.2 El equipo de investigación incluía biólogos moleculares. Robert Cooper y Jeff Hasty de la Universidad de California, San Diego e investigadores del cáncer de intestino Josefina Wright y Susana Woods en el Instituto de Investigación Médica y de Salud del Sur de Australia, y Daniel Worthley en la Clínica de Colonoscopia. Los autores del estudio esperan que esta tecnología algún día ayude en el diagnóstico temprano del cáncer colorrectal, una de las causas más comunes de muerte relacionada con el cáncer en todo el mundo.
Si bien los científicos han diseñado previamente bacterias para detectar inflamación o sangrado en el intestino, este es el primer biosensor bacteriano que detecta una secuencia de ADN específica de los tejidos del huésped. Para lograr esta hazaña, los científicos aprovecharon Acinetobacter baylyiLa capacidad de tomar ADN extracelular e integrar estas secuencias en su propio genoma.
Tomar estas bacterias naturalmente competentes, detectar cambios en el ADN y luego usarlas como biosensor es un avance realmente genial.
-David Riglar, Imperial College de Londres
“Usar bacterias vivas para sentir cosas en el intestino y detectar enfermedades es algo que encuentro muy emocionante”, dijo David Riglar, investigador de microbioma del Imperial College de Londres que no participó en el estudio. “Tomar estas bacterias naturalmente competentes, detectar cambios en el ADN y luego usarlas como biosensor es un avance realmente genial”.
En este estudio, los investigadores querían diseñar A. baylyi para detectar un marcador común de cáncer colorrectal: una mutación en el codón 12 del KRAS gene. “En ese momento, parecía una idea bastante descabellada”, recuerda Worthley. Al reunir a un equipo interdisciplinario con experiencia en biología sintética y modelos animales de cáncer colorrectal, los investigadores lograron este noble objetivo.
En sus primeros experimentos de prueba de concepto, los investigadores modificaron genéticamente ambos A. baylyi y los organoides tumorales que querían que las bacterias detectaran. Diseñaron células tumorales con una copia funcional del gen de resistencia a los antibióticos, kanR, Flanqueado por KRAS brazos de homología. Las bacterias tenían coincidencias KRAS brazos de homología, más dos codones de parada que impedían la expresión de kanR. Cuando las bacterias devoraron el ADN del tumor donante, los brazos de homología alinearon las secuencias de ADN y las bacterias integraron las estructuras funcionales. kanR en sus propios genomas, permitiéndoles crecer en placas repletas de antibióticos.
Para crear bacterias que detecten específicamente mutantes. KRASlos investigadores aprovecharon la propia maquinaria CRISPR-Cas de la bacteria, dirigiendo estas tijeras moleculares para cortar las de tipo salvaje, pero no las mutantes. KRAS. Esto mataría cualquier bacteria que adquiriera el tipo salvaje. KRAS.
Luego, los investigadores probaron estas bacterias contra organoides de cáncer colorrectal con y sin el ADN del donante diseñado. Sólo las bacterias cocultivadas con los tumores diseñados adquirieron resistencia a los antibióticos, lo que demuestra que las bacterias sensoras podían discriminar entre tumores normales y de donantes.
Ver también “Las proteínas RAS mutantes se unen para lograr la oncogenicidad“
A continuación, los investigadores probaron los biosensores in vivo administrando la bacteria mediante enema a tres grupos: ratones sin tumores, ratones con tumores colorrectales normales y ratones con tumores colorrectales diseñados. Nuevamente, solo los biosensores administrados a los ratones con tumores diseñados crecieron en presencia del antibiótico, lo que confirma que las bacterias podrían usarse para señalar la presencia de cáncer colorrectal diseñado en ratones.
Si bien estos datos fueron prometedores, los tumores colorrectales humanos no vienen diseñados con un gen de resistencia a los antibióticos perfectamente ubicado para que lo adquieran las bacterias. Entonces, los investigadores ajustaron su estrategia para detectar el ADN tumoral natural con la KRAS mutación. Esta vez, colocaron un gen represor dentro del KRAS brazos de homología. Este gen impidió la expresión de un gen posterior. kanR gene.
Cuando las bacterias intercambiaron sus KRAS ADN para el tumor KRAS, el represor se perdió, lo que permitió que se expresara el gen de resistencia a los antibióticos. Como antes, tipo salvaje. KRAS fue objeto de destrucción por el sistema CRISPR-Cas. In vitro, estos nuevos biosensores discriminaron entre mutantes y normales KRAS sobreviviendo y volviéndose resistente a los antibióticos sólo en presencia de la mutación asociada al cáncer. El equipo denominó a esta técnica CATCH para el ensayo celular de transferencia genética horizontal selectiva y discriminada por CRISPR.
A pesar de estos éxitos preliminares, Riglar pidió cautela. “Es importante no adelantarse demasiado en términos de pensar que estos sistemas están listos para entrar en la clínica”, dijo.
“Este no es en absoluto el punto final”, coincidió Worthley.
Actualmente, los investigadores están trabajando en estrategias para mejorar la sensibilidad del biosensor al ADN tumoral natural en el complejo entorno del colon. Debido a las preocupaciones sobre la administración de bacterias resistentes a los antibióticos a humanos, también están desarrollando otras formas para que los biosensores indiquen la presencia de mutantes. KRAS. Para ser comercialmente viable, las bacterias biosensoras deben administrarse por vía oral, lo que significa que deberán sobrevivir a sus viajes a través del sistema digestivo y poder informar sus hallazgos al otro lado.
Dado que hemos diseñado toda la sofisticación dentro de la célula, no necesitamos un laboratorio tan sofisticado fuera de la célula.
-Daniel Worthley, Clínica de Colonoscopia
Sin embargo, Worthley espera que con el tiempo estas bacterias biosensoras se utilicen algún día como diagnóstico en el lugar de atención en áreas remotas o de bajos recursos, como el interior de Australia. “Dado que hemos diseñado toda la sofisticación dentro de la célula, no necesitamos un laboratorio tan sofisticado fuera de la célula”, dijo.
Los investigadores también esperan aplicaciones más amplias. En lugar de activar un gen de resistencia a los antibióticos cuando detectan el ADN del tumor, por ejemplo, la bacteria podría diseñarse para activar la producción de una terapia de molécula pequeña específica de genotipo, administrando el tratamiento precisamente donde se necesita. Se podrían diseñar bacterias para detectar y responder adecuadamente a diversas mutaciones oncogénicas, o incluso a infecciones difíciles de tratar como Clostridium difficile. Worthley considera que este potencial para unir el diagnóstico y la terapia es la principal ventaja de estas bacterias diseñadas.
Referencias
- Bull MJ, Plummer NT. Parte 1: El microbioma intestinal humano en la salud y la enfermedad. Integr Med (Encinitas). 2014;13(6):17-22.
- Cooper RM et al. Bacterias diseñadas detectan ADN tumoral. Ciencia. 2023;381(6658):682-686.
Declaración de conflicto de intereses: JH, DW y SW tienen acciones en GenCirq Inc., que se centra en terapias contra el cáncer. DW, JH, RC, SW y JW tienen una solicitud de patente provisional sobre esta tecnología.