پژوهشگران در حال توسعه روشی نوآورانه هستند که در آن باکتریهای مهندسیشده به قلب تومورها نفوذ کرده و آنها را از درون میبلعند. از آنجایی که هسته تومورهای سرطانی فاقد اکسیژن است، این مکان به محیطی ایدهآل برای رشد و تکثیر این میکروارگانیسمها تبدیل میشود. تیم تحقیقاتی با اعمال تغییرات ژنتیکی دقیق، توانستهاند این باکتریها را بهگونهای برنامهریزی کنند که حتی در لبههای تومور (جایی که اکسیژن وجود دارد) نیز زنده بمانند؛ البته این قابلیت تنها زمانی فعال میشود که تعداد باکتریها به حد نصاب لازم برسد. این حمله بیولوژیکی هوشمندانه، میتواند در آیندهای نزدیک راه جدیدی برای نابودی سرطان پیش روی پزشکان قرار دهد.
دانشمندان دانشگاه واترلو روی درمان جدیدی کار میکنند که از باکتریهای تغییریافته برای مصرف تومورها استفاده میکند. این استراتژی بر پایه میکروبهایی بنا شده که بهطور طبیعی در محیطهای بدون اکسیژن رشد میکنند؛ ویژگی خاصی که مرکز بسیاری از تومورهای جامد را به هدفی بینقص برای آنها تبدیل کرده است.
به گفته محققان این پروژه، هاگهای باکتری وارد تومور شده و محیطی سرشار از مواد مغذی و فاقد اکسیژن پیدا میکنند. این ارگانیسم که عاشق چنین شرایطی است، شروع به تغذیه از مواد مغذی و رشد در ابعاد بزرگ میکند. در واقع با استقرار باکتریها در فضای مرکزی، آنها تومور را از بدن پاکسازی میکنند.
محور اصلی این تحقیقات، باکتری بهنام کلوستریدیوم اسپوروژنز (Clostridium sporogenes) است که بهطور معمول در خاک یافت میشود. این باکتری تنها در مکانهایی که مطلقاً هیچ اکسیژنی ندارند زنده میماند. از آنجایی که هسته داخلی تومورهای جامد از سلولهای مرده تشکیل شده و فاقد اکسیژن است، بهترین شرایط را برای تکثیر و گسترش این میکروب فراهم میآورد.
با این حال، یک چالش بزرگ وجود دارد: وقتی باکتریها به سمت بیرون حرکت کرده و به نواحی دارای اکسیژن در حاشیه تومور میرسند، پیش از آنکه بتوانند سرطان را بهطور کامل از بین ببرند، شروع به نابودی میکنند.
برای حل این مشکل، تیم تحقیق ژنی را از یک باکتری مشابه که تحمل بالایی نسبت به اکسیژن دارد، به این باکتری تزریق کردند. این اصلاح ژنتیکی به میکروبهای مهندسیشده اجازه میدهد در نواحی بیرونی تومور نیز مدت زمان بیشتری دوام بیاورند.
اما محققان به روشی برای کنترل زمان فعالسازی این قابلیت نیاز داشتند. اگر این ویژگی خیلی زود فعال میشد، باکتریها ممکن بود در نواحی غنی از اکسیژن (مانند جریان خون) رشد کنند که بسیار خطرناک است. برای جلوگیری از این اتفاق، آنها از یک فرآیند ارتباطی طبیعی در باکتریها به نام «احساس حد نصاب» (Quorum Sensing) استفاده کردند.
فرآیند «احساس حد نصاب» بر سیگنالهای شیمیایی تکیه دارد که توسط خود باکتریها منتشر میشود. با افزایش تعداد باکتریها، غلظت این سیگنالها بیشتر میشود. تنها زمانی که تعداد کافی از باکتریها در داخل تومور جمع شدند، قدرت سیگنال به سطحی میرسد که ژنِ مقاوم به اکسیژن را «روشن» میکند. این زمانبندی دقیق تضمین میکند که باکتریها مکانیسم بقای خود را فقط در زمان و مکان مورد نیاز فعال کنند.
در مطالعات اولیه، این تیم ثابت کرد که میتوان کلوستریدیوم اسپوروژنز را از نظر ژنتیکی برای مقاومت در برابر اکسیژن تغییر داد. در آزمایشهای تکمیلی، آنها سیستم «احساس حد نصاب» خود را با برنامهریزی باکتریها برای تولید یک پروتئین درخشان سبز آزمایش کردند؛ این کار به آنها اجازه داد تا تایید کنند سیستم دقیقاً در لحظه مورد نظر فعال میشود.
یکی از اساتید ریاضیات کاربردی در این پروژه میگوید:
«ما با استفاده از بیولوژی سنتتیک، چیزی شبیه به یک مدار الکتریکی ساختیم، اما به جای سیم از قطعات DNA استفاده کردیم. هر قطعه وظیفه خاصی دارد و وقتی به درستی در کنار هم قرار میگیرند، سیستمی را تشکیل میدهند که به شکلی کاملاً پیشبینیشده عمل میکند.»
گام بعدی این پژوهش، ترکیب هر دو ویژگی «تحمل اکسیژن» و «سیستم کنترل حد نصاب» در یک باکتری واحد و ارزیابی عملکرد آن علیه تومورها در آزمایشهای پیشبالینی است.
این تحقیق که با تلاشهای دانشجویان دکتری و تحت نظارت اساتید برجسته مهندسی شیمی و ریاضیات آغاز شده، نشاندهنده تمرکز دانشگاه بر نوآوریهای بینرشتهای در حوزه سلامت است. این پروژه تخصصهای مهندسی، ریاضیات و علوم زیستی را در کنار هم قرار داده تا کشفیات علمی را به راهکارهای پزشکی واقعی تبدیل کند.
تیم تحقیقاتی واترلو در حال حاضر با آزمایشگاههای تخصصی میکروبیولوژی محیطی در تورنتو همکاری میکند تا این دستاورد بزرگ را به مراحل نهایی نزدیک کند.
