Druga twarz Clostridium

Na blogu już kilkakrotnie wspominałem o bakteriach z rodzaju Clostridium. Chociaż większość tych Gram dodatnich bakterii jest raczej nieszkodliwa, do rodzaju należy też kilka wyjątkowych złośliwców, takich jak laseczki jadu kiełbasianego, laseczki tężca, czy też powodujące poważne infekcje Clostridium difficile.

Okazuje się jednak, że kontrolowane infekcje bakteryjne mogą być też narzędziem w walce z innym z wielkich medycznych wyzwań współczesności: rakiem. Zdradzę od razu, że puentą tekstu jest badanie, które ukazało się niedawno w piśmie Science Translational Medicine (siostrzany periodyk tygodnika Science), w którym wykorzystano jeden z gatunków Cliostridium jako środek do leczenia raka u psów, a także jako terapię dla pacjenta cierpiącego na rodzaj sarkomy (mięsaka). I, dodać trzeba, wykorzystano tę bakterię skutecznie.

Ojciec immunoterapii przeciwnowotworowej, William Coley. /źródło: domena publiczna

Zanim jednak zaczniemy się roztkliwiać nad tym sukcesem, warto rzucić okiem na historyczne odmęty. Łatwo bowiem byłoby zakrzyknąć, że sukces, że przełom, że co-za-niesmowite-wydarzenie-bakterie-leczą-raka. Jednak prawda jest taka, że pierwsze doniesienia o stosowaniu kontrolowanej infekcji do walki z rakiem pochodzą z roku 1868! I chociaż można dywagować nad stopniem kontrolowania tej infekcji (sokoloocy bystrzacy szybko zauważą, że te raporty pochodzą sprzed ery antybiotyków), to faktem pozostaje, że już w połowie XIX wieku lekarze eksperymentowali z terapeutycznymi bakteryjnymi ekstraktami.

Jednym z pionierów w tej dziedzinie był William Coley, amerykański onkolog, którego uważa się za ojca przeciwnowotworowej immunoterapii. Coley odkrył, że pacjenci cierpiący na zaawansowane nowotwory z przerzutami, którym podawano ekstrakty bakteryjne (zawierające albo Gram dodatnie streptokoki, lub miksturę bakterii Gram dodatnich i Gram ujemnych), wchodzili w remisję. Ten rodzaj terapii drogę przebył daleką: Coley swoje badania prowadził na przełomie poprzednich stuleci, jednak wydajną immunoterapię przeciwnowotworową udało się uskutecznić dopiero w ostatniej dekadzie. Nieprzypadkowo zresztą magazyn Science wybrał tę metodę leczenia na Naukowy Przełom Roku 2013.

Niezależnie od tego, jaką bakterię próbuje się stosować w leczeniu raka, musi ona spełniać kilka podstawowych warunków. Przede wszystkim, musi być nieszkodliwa dla pacjenta. Musi być zdolna do namnażania wewnątrz nowotworu, a także do równomiernego rozprzestrzeniania się w jego wnętrzu. Bardzo wskazane byłoby, żeby sama wywoływała jak najmniejszą odpowiedź immunologiczną, a także potrafiła niszczyć komórki rakowe. O ile poszczególne wymogi da się zaobserwować bez większych problemów w różnych bakteriach, o tyle do kupy tworzą już komplet bardziej skomplikowany. Natura tych wymogów powinna też zwrócić uwagę Czytelników na to, że taką terapią stosować można do leczenia nowotworów narządowych, ale już niespecjalnie nadają się do leczenia np. nowotworów krwi.

Stąd też wybór bakterii z rodzaju Clostridium do tego rodzaju terapii jest nieprzypadkowy: Clostridium są anaerobami – to znaczy, że najlepiej funkcjonują w środowisku beztlenowym. Jedną zaś z cech wielu nowotworów narządowych jest hipoksja, czyli obniżony poziom tlenu wynikający z tego, że naczynia krwionośne dostarczające tlen do tkanek nie rozwijają się na tyle szybko, by dostarczać do szybko rosnącego nowotworu wystarczające ilości tlenu. Jednocześnie badania pokazują, że obszary nowotworu wykazujące się hipoksją są często odporne na chemoterapię. Dlatego tak ważna jest możliwość atakowania tych rejonów innymi środkami.

Taką bardzo chętnie badaną bakterią jest Clostridium novyi. C.novyi jest blisko spokrewniona z laseczkami jadu kiełbasianego. Produkuje sześć różnych toksyn, z których najważniejszą jest toksyna alfa. W toku badań nad tym szczepem udało się uzyskać jego wersję, która nie posiada możliwości syntezy toksyn – C.novyi–NT. Ta wersja bakterii nie produkuje toksyn, rośnie w hipoksyjnych rejonach nowotworów bardzo skutecznie je rozkładając, ale w innych obszarach organizmu egzystuje tylko w postaci nieaktywnych spor. Innymi słowy, jest idealnym środkiem do walki z rakiem – a przynajmniej niektórymi jego formami.

Krewniak C.novyi – C.difficile (C.novyi niestety wstydzi się aparatu). /źródło: Annie Cavanagh, Wellcome Images (CC BY-NC-ND)

Shibin Zhou oraz Bert Vogelstein z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa już prawie 10 lat temu przymierzali się solidnie do szczegółowego badania tej bakterii na poziomie molekularnym. W 2006 roku opublikowali w Nature Biotechnology jej genom oraz transkryptom (zapis tego, które geny bakterii ulegają eskpresji na różnych etapach jej życia). Ta próba charakteryzacji tej bakterii miała pomóc nam zrozumieć, dlaczego zachowuje się ona w ten a nie inny sposób wewnątrz nowotworów. Okazuje się, że C.novyi-NT posiada prawie 140 genów, które nie mają swoich odpowiedników wśród innych bakterii, a także – niekoniecznie zaskakująco – że geny ulegające ekspresji w sporach są inne od tych, które są transkrybowane w aktywnej bakterii.

Do tej pory jednak C.novyi-NT testowano u zwierząt. W połowie sierpnia Science Translational Medicine opublikowało jednak wyniki badań Shibina Zhou oraz Saurabha Saha’y, które w bardzo kompleksowy sposób pokazały, jak wyniki z modeli zwierzęcych można stosować do terapii na ludziach.

Opis badań w pracy zaczyna się nieśmiało. Badacze postanowili zastosować C.novyi-NT do leczenia szczurów z gliomą: rodzajem raka mózgu. Tego rodzaju rak mózgu jest bardzo nieprzyjemny z terapeutycznego punktu widzenia. Po pierwsze, całkowite jego chirurgiczne usunięcie jest bardzo trudne i przede wszystkim groźne. Nic w tym dziwnego – z każdym cięciem skalpela chirurg ryzykuje usunięcie zdrowej tkanki, która pacjentowi może być absolutnie niezbędna do życia (nie zapominajmy, że mowa o mózgu: w odróżnieniu od niektórych innych naszych narządów, tutaj nie ma mowy o tym, że odrośnie, albo że wystarczy mieć tylko jego połowę). Po drugie zaś, ten rodzaj raka mózgu charakteryzuje się dużym stopniem infiltracji zdrowych tkanek – to znaczy, że nie tworzy całkowicie zwartej masy, ale rozrasta się z epicentrum jak grzyb, wciskając się między zdrowe tkanki i dalej uniemożliwiając skuteczne jego usunięcie.

Terapia z użyciem bakterii, które mogą wybiórczo atakować nowotwór, byłaby więc wybawieniem. I takim też wybawieniem okazało się podanie szczurom C.novyi-NT. Bakteria rzeczywiście atakowała tylko komórki nowotworowe. Skutkiem ubocznym – spodziewanym – był spowodowany przed rozwój bakterii obrzęk mózgu. Ten jednak kontrolować można właściwym użyciem antybiotyków i chociaż oczywiście byłby niebezpiecznym skutkiem ubocznym, gdyby tę terapię zastosowano u pacjenta z rakiem mózgu, to i tak jest to skutek uboczny mniej groźny, a przede wszystkim łatwiejszy do leczenia niż glioma!

O tym, że myszy – a dotyczy to także szczurów – nie są idealnym modelem do badań medycznych, pisałem już kilkakrotnie. Dotyczy to także zwierzęcych modeli raka, ponieważ nader często nowotwór jest u zwierząt wymuszany. To zaś oznacza, że odpowiedź organizmu na obecność raka jest niekoniecznie naturalnym mechanizmem obronnym, ale często także wymuszoną reakcją, która w przypadku spontanicznego nowotworu mogłaby nie mieć miejsca.

Nie dawno pisałem o tym, że psy są bardzo użytecznym modelem do genomowych badań asocjacyjnych. Jedną z przyczyn jest to, że u psów spontanicznie występuje wiele „ludzkich” chorób, które mają u tych zwierząt też podobną genezę genetyczną oraz podobne objawy. Autorzy tej publikacji także postanowili wykorzystać tę okoliczność i przetestowali działanie C.novyi–NT na występujących u psów mięsakach. Zaczęli od tego, że zsekwencjonowali egzom (kodującą białka część genomu) 10 psich nowotworów, aby zidentyfikować często występujące mutacje. Okazało się, że ponad 10% mutacji występujących w psich nowotworach miała miejsce w genach, które są zmutowane w ludzkich mięsakach. Chociaż daleko stąd jeszcze do stwierdzenie, że ta choroba u psów i ludzi ma takie samo podłoże genetyczne, ogólny jej krajobraz jest bardzo podobny. Następnie C.novyi-NT podano 16 psom ze spontanicznym nowotworem narządowym. Bakterię psom podawano dożylnie. U 6 zaobserwowano poprawę – i chociaż wynik może wydawać się mizerny (reakcja nowotworu na terapię w 1/3 przypadków), to w rzeczywistości jest on bardzo obiecujący.

Z racji tych obiecujących wstępnych wyników badań na psach, terapię zaaplikowano pacjentce biorącej udział w badaniu klinicznym. Do badania akceptowano chorych, którzy nie reagowali na standardowe terapie, lub dla których takie terapie po prostu nie istnieją. Pacjentka z mięsakiem otrzewnej przeszła wcześniej już kilka operacji mających na celu usunięcie wciąż rosnącego nowotworu, a także wielokrotne sesje chemio- i radioterapii. Te klasyczne metody leczenia niestety nie pomogły i w chwili, gdy przyjęto ją do testów terapii bakteryjnej, posiadała już przerzuty do wątroby, płuc i innych tkanek. Innymi słowy, jej sytuacja była niewesoła, a rokowania marne.

Pacjentkę poddano terapii C.novyi-NT, której towarzyszyło podawanie jej antybiotyków oraz środków przeciwbólowych, aby kontrolować przebieg terapii. W ciągu tygodnia nowotwór zaczął zanikać, po trzech tygodniach pacjentkę wypisano ze szpitala. Skan NMR przeprowadzony miesiąc po rozpoczęciu terapii potwierdził dalsze pomniejszanie się masy nowotworowej. W chwili pisania publikacji, pacjentka miała stopień pierwszy w skali ECOG (skala ocenia skuteczność terapii przeciwnowotworowych, 0 na skali oznacza pacjenta, który jest w stanie funkcjonować tak, jak przed chorobą, 5 oznacza śmierć).

Wyniki badania są takie, że jest się raczej czym cieszyć. Pamiętać oczywiście musimy o tym, że wstrzykiwanie pacjentowi ekstraktu bakteryjnego nie jest terapią całkowicie bezpieczną – jest to zresztą coś, co autorzy pracy będą musieli dokładnie zbadać, zanim taka terapia stanie się standardową opcją, a nie eksperymentalnym leczeniem, które może, ale przecież nie musi, zadziałać.

Ponadto, nawet jeśli uda się udowodnić bezpieczeństwo terapii, wciąż powinniśmy traktować ją z lekkim sceptycyzmem, z co najmniej dwóch powodów. Po pierwsze, jak pokazały badania prowadzone przez autorów na psach, terapia wcale nie musi być zawsze skuteczna. Nie ma absolutnie żadnego powodu, aby przypuszczać, że działa ona tylko w jednej trzeciej psów, ale za to będzie działać u wszystkich ludzkich pacjentów. Potrzeba będzie oczywiście znacznie więcej badań, na znacznie większych grupach zarówno zwierząt jak i pacjentów, aby móc z całą pewnością powiedzieć coś o wydajności i skuteczności tej terapii. Po drugie, terapia ta opiera się na wstrzykiwaniu pacjentom zmodyfikowanych bakterii. Ciężko jest jednak ocenić, jak bezpieczne są takie bakterie – czysto hipotetycznie możliwe jest przecież, że rozrastająca się w naszym organizmie bakteria zmutuje i zacznie ponownie produkować trujące nas toksyny. Lub że zmutuje i stanie się oporna na antybiotyki. Są to scenariusze być może mało prawdopodobne, ale nie niemożliwe.

Niemniej jednak praca Zhou i Saha’y otwiera furtkę do nowej, ciekawej drogi badań nad lekami przeciwnowotworowymi. I warto pamiętać nazwę Clostridium novyi-NT, bo pewnie często ją jeszcze usłyszymy.

Literatura:

1. Roberts NJ, Zhang L, Janku F, Collins A, Bai RY, Staedtke V, Rusk AW, Tung D, Miller M, Roix J, Khanna KV, Murthy R, Benjamin RS, Helgason T, Szvalb AD, Bird JE, Roy-Chowdhuri S, Zhang HH, Qiao Y, Karim B, McDaniel J, Elpiner A, Sahora A, Lachowicz J, Phillips B, Turner A, Klein MK, Post G, Diaz LA Jr, Riggins GJ, Papadopoulos N, Kinzler KW, Vogelstein B, Bettegowda C, Huso DL, Varterasian M, Saha S, & Zhou S (2014). Intratumoral injection of Clostridium novyi-NT spores induces antitumor responses. Science Translational Medicine, 6 (249) PMID: 25122639

2. Punj V, Saint-Dic D, Daghfal S, & Kanwar JR (2004). Microbial-based therapy of cancer: a new twist to age old practice. Cancer Biology & Therapy, 3 (8), 708-14 PMID: 15197352

3. Shannon AM, Bouchier-Hayes DJ, Condron CM, & Toomey D (2003). Tumour hypoxia, chemotherapeutic resistance and hypoxia-related therapies. Cancer treatment reviews, 29 (4), 297-307 PMID: 12927570

4. Bettegowda C, Huang X, Lin J, Cheong I, Kohli M, Szabo SA, Zhang X, Diaz LA Jr, Velculescu VE, Parmigiani G, Kinzler KW, Vogelstein B, & Zhou S (2006). The genome and transcriptomes of the anti-tumor agent Clostridium novyi-NT. Nature Biotechnology, 24 (12), 1573-80 PMID: 17115055