Modyfikacja genetyczna bakterii i wirusów jako nowe podejście w leczeniu

W obecnych czasach tradycyjne metody leczenia, okazują się niewystarczające, szczególnie w terapii chorób przewlekłych i nowotworowych, co zmusza naukowców do poszukiwania nowych rozwiązań. Innowacyjnym podejściem okazuje się biotechnologiczne zastosowanie zmodyfikowanych mikroorganizmów. Terminem tym określa się bakterie lub wirusy, na których zastosowano techniki inżynierii genetycznej w celu wprowadzenia, usunięcia lub modyfikacji określonych części ich genomu. Procesy te umożliwiają celowane działanie, co minimalizuję skutki uboczne terapii. Początkowo firmy farmaceutyczne musiały indukować mutacje genetyczne w szczepach produkujących antybiotyki, aby uzyskać różnorodność genetyczną. Metody te polegały na generowaniu losowych mutacji za pomocą promieniowania ultrafioletowego lub przy użyciu mutagennych środków chemicznych, a następnie procesie przesiewowym.

Istota i podział modyfikacji genetycznej mikroorganizmów.

W inżynierii genetycznej wypracowane zostały trzy podstawowe rodzaje metod modyfikacji genetycznej: zmiana aktywności genów występujących w danym organizmie, wprowadzenie dodatkowego genu, co prowadzi do zwielokrotnienia pożądanej cechy oraz tworzenie organizmów o cechach nieistniejących dotąd w naturze tzw. organizmów transgenicznych. Modyfikacje genetyczne możemy podzielić na bezpośrednie i pośrednie.

Do bezpośrednich zaliczamy: mikrowstrzeliwanie, mirowstrzykiwanie, elektroporacje oraz modyfikację z zastosowaniem glikolu etylenowego.

Mikrowstrzeliwanie polega na wprowadzaniu do komórek małych kulek (najczęściej złotych lub wolframowych) oblepionych DNA, które pełnią rolę pocisków. Kulki, rozpędzone do dużych prędkości przez tzw. armatkę genową, przenikają przez błonę komórkową i wbijają się do wnętrza komórek, wprowadzając do nich obcy materiał genetyczny. Cała procedura odbywa się pod mikroskopem za pomocą ultra cienkiej mikropipety. Do wad tej metody należy wysoka cena armatek oraz niska wydajność związana z powstawaniem licznych uszkodzeń mechanicznych. W przypadku mikroorganizmów mikro wstrzykiwanie stosuje się do wprowadzania sztucznych chromosomów np. drożdżowegoYAC.

Podczas elektroporacji, na błonę komórkową mikroorganizmów działa silny impuls elektryczny. Powoduje on tworzenie się tymczasowych porów przez które w sposób bierny komórka pobiera różnego rodzaju cząsteczki, w tym DNA. Do usprawnienia procesu stosuje się glikol polietylenowy, będący czynnikiem rozluźniającym strukturę błony komórkowej. Zwiększenie jej przepuszczalności sprawia, że dostarczenie obcego DNA do wnętrza komórki jest znacznie ułatwione. Metoda ta została zastosowana już w latach 80-tych do wprowadzania kwasów nukleinowych i stała się alternatywą dla dotychczasowych  modyfikacji genetycznych wektorów wirusowych oraz metod chemicznych. Największą jej zaletą jest duża czystość, ponieważ nie wprowadza do środowiska dodatkowych substancji, prowadzących do zanieczyszczeń.

By pośrednio zmodyfikować genetycznie organizm na przykład sprawić, by bakteria produkowała dany związek, należy z DNA organizmu wytwarzającego ten związek wyciąć fragment kodujący właściwe białko. Wycięty fragment DNA umieszcza się w wektorze genetycznym, którym może być wirus lub plazmid. Plazmidami nazywamy cząsteczki kwasu nukleinowego występujące w cytoplazmie komórki bakterii, czyli poza jej chromosomem, zdolne do samodzielnej replikacji. Taki wektor wprowadza się do organizmu biorcy, który zaczyna produkować białka zakodowane w swoim genomie oraz plazmidzie.

Przełomowym odkryciem w świecie nauki, które znacznie ułatwiło pracę z materiałem genetycznym mikroorganizmów był system CRISPR/Cas. Jest to naturalny element obrony organizmów prokariotycznych przed egzogennymi elementami genetycznymi, okazało się jednak, że można go kontrolować, tak aby przeciąć dowolną cząsteczkę DNA w określonym miejscu i dokonać zmian w kodzie genetycznym. Z tego względu zyskał on miano ,,molekularnych nożyczek’’ i zostaje wykorzystywany w biotechnologii do celowej                       oraz niezwykle precyzyjnej edycji genomu. Do elementów budujących CRISPR/Cas należą: sgRNA  (small  guide  RNA), naprowadzający polipeptyd Cas9 na odpowiedni fragment docelowego DNA oraz białko Cas9 złożone z dwóch domen: HNH, tnącej nić komplementarną względem sgRNA oraz RuvC, przecinającej sekwencję nie komplementarną w obrębie drugiego łańcucha polinukleotydowego. Dodatkowo efekt modyfikacji zależy od dwóch procesów regeneracji DNA: NHEJ (Non-Homologous End  Joining) oraz HDR (Homology-Di-rect Repair) uaktywniających się w komórce w momencie pęknięcia obu łańcuchów podwójnej helisy. Te dwie drogi decydują o wyniku końcowym modyfikacji. Pierwsza z nich nie wymaga korzystania z matrycy homologicznej i powstają mutacje indel (wstawiania lub usunięcia nukleotydu), co najczęściej powoduje utratę funkcji genu. Natomiast druga prowadzi do precyzyjnej modyfikacji lub naprawy genu.

Zmodyfikowane bakterie jako narzędzia terapeutyczne

Naturalnie bakterie wytwarzają różnego rodzaju metabolity wtórne podczas fazy logarytmicznego wzrostu, wśród nich znajdują się cenne związki terapeutyczne: antybiotyki, leki przeciwgrzybicze, przeciwwirusowe, przeciwnowotworowe, przeciwpasożytnicze  i immunosupresyjne, które znajdują powszechne zastosowanie przez co zostały zatwierdzone przez FDA (Food and DrugAdministration). Dzięki zastosowaniu technik inżynierii genetycznej można zwiększyć metabolizm mikroorganizmów, a co za tym idzie zwiększenia wydajności produkcji lub wytwarzania nowych pochodnych takich cząsteczek. Przykładem takich działań jest przegrupowanie genów syntazy poliketydowej (kompleks enzymatyczny, zaangażowany w produkcję nieskończonej i różnorodnej gamy metabolitów wtórnych), które doprowadziło do powstania naturalnych produktów nieistniejących dotąd w naturze, co umożliwia aktywację dotąd wyciszonych oraz ukrytych szlaków biosyntezy antybiotyków. Rozwój bioinformatyki, sekwencjonowania DNA i narzędzi do eksploracji genomu, przyczynił się do uzyskania dużej ilość danych na temat biosyntezy produktów naturalnych. W stosunkowo krótkim czasie możliwa jest identyfikacja i analiza klastrów genów biosyntezy metabolitów wtórnych w genomach bakterii i grzybów oraz projektowanie i konstruowanie nowych związków biologicznych. Możliwe jest to również z zastosowaniem technik, takich jak bezkomórkowe systemy syntezy białek, które pozwalają na badanie szerokiego zakresu reakcji biologicznych w  probówce. Ich duże znaczenie potwierdzają trwające liczne badania kliniczne oraz rozwój do produkcji biofarmaceutycznej zgodnej z zasadami „Dobrej Praktyki Produkcyjnej (GMP)”.

Probiotyki nowej generacji

Rosnąca świadomość odnośnie wpływu nawyków żywieniowych na zdrowie doprowadziła do wzrostu zainteresowania mikrobiomem człowieka i regulacji jego zaburzeń z użyciem mikroorganizmów, znajdujących się w preparatach zwanych probiotykami.

Mikroorganizmy kolonizują przewód pokarmowy, jamę ustną, płuca, skórę człowieka oraz mają zdolność reagowania na zmiany otaczającego je środowiska, dlatego obiecującym podejściem do leczenia chorób stała się modulacja mikrobioty poprzez modyfikację genetyczną bakterii znajdujących się w probiotykach, które stają się żywymi ukierunkowanymi terapiami. „Inteligentne probiotyki” mogą stanowić uzupełnienie leczenia medycznego. Problem związany z ich dostarczeniem do przewodu pokarmowego został rozwiązany z  wykorzystaniem technik enkapsulacji, co powala na ochronę bakterii przed czynnikami środowiskowymi. Dodatkowo nie wykazują one wpływu na ich aktywność i funkcjonowanie oraz zapewniają silną adhezję oraz aktywność antyoksydacyjną.

Bakterie w terapii nowotworowej

Jedną z najbardziej śmiertelnych chorób jest rak. Pomimo postępów w projektowaniu i wytwarzaniu leków, leczenie raka nadal w dużej mierze opiera się na chirurgii, chemioterapii i radioterapii — często z poważnymi skutkami ubocznymi i ograniczonymi wynikami leczenia. Zakażenia niektórymi bakteriami np. Helicobacter pylori, Campylobacter jejuni lub Porphyromonas gingivalis mogą wywoływać raka. Natomiast inne wykazują zdolność do produkcji i uwalniania substancji o właściwościach przeciwnowotworowych- z tego względu, coraz większą uwagę zwraca się na związki produkowane przez mikroorganizmy. Ponad 60% takich leków, zatwierdzonych przez FDA pochodzi ze źródeł naturalnych. Najskuteczniejszymi producentami substancji przeciwnowotworowych są promieniowce z rodzaju Streptomyces. Należą do nich związki naturalne oraz zaczęto tworzyć ich półsyntetyczne pochodne. Najczęściej w badaniach klinicznych stosuje się żywe atenuowane szczepy Salmonella, ze względu na zdolność ich komórek do atakowania niedotlenionych miejsc guza, co jest kluczowe dla zniszczenia komórek nowotworowych. Podobne właściwości wykazują rodzaje Pseudomonas, Klebsiella, Caulobacter, Escherichia i Proteus należące do bakterii Gram-ujemnych. Jeśli chodzi o bakterie Gram-dodatnie w tym bakterie kwasu mlekowego (LAB) są one mniej poznane w kontekście produkcji związków przeciwnowotworowych.Zyskały zainteresowanie ze względu na ich bezpieczeństwo, korzystny wpływ na zdrowie człowieka oraz różnorodne możliwości modyfikacji genetycznych opracowanych dla tych bakterii. Przykładem jest zahamowanie proliferacji ludzkich komórek raka nabłonka jelita grubego przez zmodyfikowany szczep Lactococcus lactis, który wykazuje ekspresje kisspeptyny – peptydu spowalniającego przerzuty nowotworu.Innym przykładem jest wbudowanie genów za pomocą technologii rekombinacji DNA, tak aby bakteria wytwarzała składnik immunoterapeutyczny, indukujący specyficzne cząsteczki rozpoznające i niszczące komórki nowotworowe (cytokiny, limfocyty T)  lub specyficzne enzymy i bakteriocyny o wysokiej specyficzności.

Wirusy jako nośniki terapii genowej

W ciągu ostatnich lat popularnością w badaniach klinicznych cieszą się terapie genowe ukierunkowane przeciwko chorobom genetycznym, nowotworowym, AIDS oraz chorobie Alzheimera. Terapia ta skupia się więc na genach odpowiedzialnych za powodowanie chorób u ludzi. Nie tylko minimalizuje objawy, ale również leczy poprzez wyciszanie problematycznych genów, wstawianie nowych genów, które powodują pożądaną ekspresję genów lub zastępowanie problematycznych genów zdrowymi. Zanim jednak materiał genetyczny zostanie dostarczony do komórki docelowej musi on pokonać wiele barier w organizmie człowieka. Ze względu na to, że w postaci nagiej jest bardzo podatny na uszkodzenia zaczęto szukać odpowiednich wektorów, które mogłyby zabezpieczyć geny przed degradującym działaniem środowiska biologicznego, byłyby zdolne do przekraczania błon biologicznych oraz specyficznie ukierunkowane. Odpowiednim podejściem okazało się zastosowanie wektorów wirusowych, które modyfikuje się genetycznie w celu pozbawienia ich patogenności. Atenuację wirusów osiąga się poprzez usunięcie fragmentów ich genomu. Kluczowe strategie wektorowe wykorzystują wirusy towarzyszące adenowirusom, adenowirusy i lentiwirusy. W terapii genowej istnieją cztery podstawowe podejścia. Zaliczamy do nich  suplementację, wyciszanie, zastępowanie i edycję genów. Początkowo skupiano się na naprawie lub zastępowaniu wadliwych genów. Jednak pojawienie się wcześniej wspomnianego systemu CRISPR/Cas9 zrewolucjonizowało i usprawniło cały proces edycji genomu i naprawę uszkodzonych jego części powodujących choroby.

Pomimo, że stosowane wektory wirusowe posiadają znacznie łagodniejsze skutki uboczne w porównaniu z chemioterapią oraz tropizm do określonych tkanek i typów komórek, należy wziąć pod uwagę, że większość terapii genowych jest zaprojektowana w celu osiągnięcia trwałych lub długotrwałych efektów w organizmie człowieka, co z natury zwiększa ryzyko opóźnionych zdarzeń niepożądanych.

Wirusy onkolityczne

Nowatorskim podejściem w leczeniu chorób jest terapia celowana, spersonalizowana i zróżnicowana strategia pomagająca w specyficzny sposób sprostać złożoności nowotworów. Badania przedkliniczne i kliniczne wskazują na imponującą skuteczność terapeutyczną z zastosowaniem wirusów onkolitycznych, wykorzystujących do niszczenia komórek nowotworowych mechanizmów takich jak: bezpośrednia liza komórek i indukcja odporności przeciwnowotworowej. Aby zyskać zwiększoną specyficzność wirusy te zostają poddane zabiegom inżynierii genetycznej, w taki sposób aby zminimalizować ich oddziaływanie poza celem oraz zachować w nienaruszonym stanie zdrowe tkanki. Należą do nich modyfikacje takie jak włączenie sekwencji docelowych mikroRNA do genomu wirusa lub zwiększenie ich cytotoksyczności wobec komórek rakowych. Zdolność do aktywowania układu odpornościowego powoduje aktywację silnej i długotrwałej odpowiedzi przeciwnowotworowej. Niestety, oprócz tego mogą obejmować dodanie czynników immunostymulujących i induktorów apoptozy.Przykładem takich działań  w terapii raka piersi jest modyfikacja onkolitycznego HSV, w taki sposób, aby wyrażał czynnik neurotroficzny pochodzący z komórek glejowych. Umożliwia to specyficzne wiązanie się z receptorami GFRα1 w komórkach raka piersi, podczas gdy mają ograniczoną ekspresję w komórkach normalnych. Udowodniono, że zmodyfikowany HSV wykazywał niezwykłą selektywność, skutecznie hamując wzrost guza po wstrzyknięciu śródguzowym. To daje im olbrzymią przewagę nad konwencjonalnymi metodami, w której wirusy są nośnikami, a nie środkami terapeutycznymi, mającymi zdolność do bezpośredniego ataku i eliminacji komórek nowotworowych.

Złożoność chorób nowotworowych sprawia, że trzeba radzić sobie z nimi w sposób kompleksowy, dlatego metody z wykorzystaniem wirusów onkolitycznych łączy się z chemioterapią, immunoterapią oraz terapiami celowanymi. W ten sposób wykorzystane są zalety każdej z nich tworząc integralny sposób leczenia. Na przykład w 2005 roku zatwierdzono w Chinach, genetycznie zmodyfikowany adenowirus w połączeniu z chemioterapią cytotoksyczną do leczenia raka nosogardła a w 2015 roku tenuowany wirus opryszczki pospolitej typu 1, kodujący czynnik stymulujący kolonie granulocytów i makrofagów, otrzymał rekomendację FDA do stosowania u pacjentów z czerniakiem. Do tej pory trzy wirusy onkolityczne uzyskały globalne zatwierdzenia do leczenia nowotworów.

Złożone strategie stosowane przez komórki nowotworowe w celu ominięcia układu odpornościowego stanowią poważne wyzwanie w leczeniu raka. Strategie te obejmują obniżenie ekspresji antygenu, wydzielanie czynników immunosupresyjnych oraz tworzenie immunosupresyjnego TME. W rezultacie rak piersi często rozwija się w tym osłabionym środowisku immunologicznym. Wirusy onktolityczne są zaprojektowane nie tylko do bezpośredniego atakowania i niszczenia komórek nowotworowych, ale także do stymulowania odpowiedzi układu odpornościowego. Zakażając i lizując komórki nowotworowe, wirusy onkolityczne uwalniają antygeny specyficzne dla nowotworu, ostrzegając w ten sposób układ odpornościowy o obecności

Każdy podtyp raka piersi ma swoje własne, odrębne cechy kliniczne i powiązane czynniki ryzyka. Różnice te dotyczą odpowiedzi na leczenie i długoterminowego przeżycia pacjentów, które mogą się znacznie różnić w zależności od podtypu. Ta złożoność wprowadza dodatkowe wyzwania, jeśli chodzi o dokładne diagnozowanie i skuteczne leczenie raka piersi. Tradycyjna chemioterapia i immunoterapia, jako główne opcje leczenia raka, mają pewne istotne wady. Jednym z kluczowych problemów jest ich brak precyzji, który może powodować uszkodzenie zdrowych komórek, a także komórek nowotworowych, prowadząc w konsekwencji do szeregu niepożądanych skutków ubocznych, takich jak nudności, wypadanie włosów, zmęczenie i osłabienie układu odpornościowego. Innym problemem jest wąska granica między dawką działającą przeciwko nowotworowi a dawką szkodliwą dla organizmu, co sprawia, że lekarze mają trudności z jej przestrzeganiem. Ponadto rozwój lekooporności stanowi poważny problem w kontekście konwencjonalnej chemioterapii. Z czasem komórki nowotworowe mogą adaptować się i stają się mniej wrażliwe na leki chemioterapeutyczne, co sprawia, że leczenie to staje się mniej skuteczne. Stanowi to nie tylko przeszkodę w leczeniu choroby, ale może również ograniczyć dostępne dla pacjentów opcje. W obliczu tych wyzwań, trwające badania i postęp w leczeniu raka koncentrują się na opracowywaniu bardziej ukierunkowanych terapii o lepszej swoistości, zmniejszonych skutkach ubocznych i zwiększonej skuteczności. Te innowacyjne podejścia mają na celu nie tylko wyeliminowanie niedociągnięć konwencjonalnej chemioterapii, ale także zapewnienie pacjentom bardziej skutecznych i tolerowanych opcji leczenia, co ostatecznie poprawi ich jakość życia i długoterminowe wyniki.

Przyszłość terapii z wykorzystaniem zmodyfikowanych bakterii i wirusów Bezpieczeństwo i wyzwania etyczne

Wykorzystanie zmodyfikowanych genetycznie bakterii i wirusów w medycynie, choć niezwykle obiecujące, wiąże się z szeregiem wyzwań natury bezpieczeństwa oraz etyki. Największe obawy budzi możliwość niekontrolowanego namnażania się wprowadzonych mikroorganizmów lub ich przypadkowego uwolnienia do środowiska. W przypadku wirusów istnieje także ryzyko mutacji, które mogłyby prowadzić do nieprzewidzianych skutków ubocznych lub reakcji immunologicznych organizmu.

Kolejnym aspektem jest kwestia długofalowych skutków terapii. Wiele badań klinicznych prowadzonych jest na wczesnym etapie, dlatego trudno jednoznacznie ocenić, jak zmodyfikowane mikroorganizmy będą zachowywać się po wielu latach od zastosowania. Istotne są także wątpliwości etyczne dotyczące samego ingerowania w geny — zarówno ludzkie, jak i mikrobiologiczne — co wzbudza pytania o granice odpowiedzialności człowieka za naturę.

Z punktu widzenia bioetyki ważne jest, aby postęp naukowy szedł w parze z odpowiednimi regulacjami prawnymi i kontrolą społeczną. Konieczne jest opracowanie ścisłych norm bezpieczeństwa, które pozwolą ograniczyć ryzyko, a jednocześnie umożliwią dalszy rozwój tej innowacyjnej gałęzi medycyny. Odpowiedzialne podejście, transparentność badań i międzynarodowa współpraca naukowców są kluczowe dla bezpiecznego wdrażania genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów w leczeniu ludzi.

Przyszłość terapii opartych na genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmach zapowiada się niezwykle obiecująco. Dzięki postępowi w inżynierii genetycznej możliwe staje się projektowanie bakterii i wirusów, które będą działały z niespotykaną dotąd precyzją – dostarczając leki lub geny terapeutyczne dokładnie w miejsce choroby, minimalizując skutki uboczne i poprawiając skuteczność leczenia.

Coraz częściej mówi się o tzw. medycynie spersonalizowanej, w której leczenie jest dostosowane do indywidualnych cech genetycznych pacjenta. Zmodyfikowane mikroorganizmy mogą odgrywać w niej kluczową rolę, pełniąc funkcję inteligentnych nośników leków lub elementów diagnostycznych reagujących na konkretne sygnały biologiczne w organizmie.

W perspektywie kilku dekad tego typu rozwiązania mogą stać się standardem w leczeniu nowotworów, chorób neurodegeneracyjnych czy genetycznych. Mimo ogromnego potencjału konieczne jest jednak zachowanie równowagi między innowacyjnością a bezpieczeństwem. Przyszłość tych terapii zależeć będzie nie tylko od osiągnięć naukowych, lecz także od społecznej akceptacji i odpowiedzialnego podejścia do ich stosowania.

Podsumowanie                

Postęp biotechnologiczny umożliwia wykorzystanie genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów – bakterii i wirusów – jako nowoczesnych narzędzi terapeutycznych. Techniki inżynierii genetycznej, takie jak CRISPR/Cas9, mikrowstrzeliwanie czy elektroporacja, pozwalają na precyzyjne modyfikowanie genomów w celu zwiększenia skuteczności terapii i ograniczenia skutków ubocznych. Zmodyfikowane bakterie mogą być stosowane w leczeniu nowotworów, produkcji biofarmaceutyków oraz jako „inteligentne probiotyki” modulujące mikrobiom człowieka. Równie obiecującym kierunkiem są terapie genowe z użyciem wektorów wirusowych, które umożliwiają dostarczanie genów terapeutycznych do komórek docelowych. Szczególne znaczenie mają wirusy onkolityczne, zdolne do selektywnego niszczenia komórek nowotworowych i aktywacji układu odpornościowego. Choć potencjał tych metod jest ogromny, ich wprowadzenie wiąże się z wyzwaniami etycznymi i bezpieczeństwa — m.in. ryzykiem mutacji, niekontrolowanego namnażania czy długofalowych skutków biologicznych. Przyszłość terapii z wykorzystaniem zmodyfikowanych mikroorganizmów zapowiada się obiecująco, szczególnie w kontekście rozwoju medycyny spersonalizowanej, jednak wymaga ścisłej kontroli naukowej, prawnej i społecznej.

Zobacz również: Era Nutra-Tech 2026: Koniec ery „uniwersalnej kapsułki”. Jak AI i biodruk 3D rewolucjonizują polski rynek suplementów

Przejdź do artykułu