Mit Hilfe von Zellen anstatt Tabletten könnten viele Krankheiten erkannt, verhindert und geheilt werden: Die Zukunft der medizinischen Therapie.

Leveraging competent bacteria

Eine neue Studie, die heute in Science veröffentlicht wurde, beschreibt, wie Wissenschaftler Bakterien genetisch verändert haben, um Krebszellen erfolgreich zu erkennen. Dieser Durchbruch könnte dazu beitragen, die Krebsdiagnose zu verbessern und künftig möglicherweise gezielte biologische Therapien zu ermöglichen.

Das Projekt begann mit einem Vortrag des synthetischen Biologen Rob Cooper während eines wöchentlichen Labortreffens an der Universität von Kalifornien in San Diego. Cooper beschäftigte sich mit der Untersuchung von Genen und dem Gen-Transfer bei Bakterien.

Gene sind die grundlegenden Einheiten der genetischen Vererbung. Sie bestimmen unter anderem die Merkmale, die wir von unseren Eltern erben. Beim Gen-Transfer werden Gene von einer Zelle auf eine andere übertragen. Dies kann vertikal erfolgen, wenn sich eine Zelle teilt und ihre DNA repliziert, oder horizontal, wenn DNA zwischen nicht verwandten Zellen ausgetauscht wird.

Der horizontale Gentransfer ist in der mikrobiellen Welt weit verbreitet. Bestimmte Bakterien können Gene aus der freien DNA aus ihrer unmittelbaren Umgebung aufnehmen. Dies geschieht, wenn Zellen sterben und ihre DNA freigesetzt wird. Bakterien können diese freie DNA in ihre eigenen Zellen aufnehmen und sie nutzen, um sich evolutionär anzupassen.

Dieser Prozess ermöglicht es Bakterien, ihre Umgebung zu erkunden und Gene aufzunehmen, die ihnen einen Vorteil bieten könnten. Die Idee hinter der genetischen Veränderung von Bakterien zur Krebserkennung basiert auf der Tatsache, dass Krebs durch Veränderungen im genetischen Material der Zellen definiert ist.

Die Forscher entschieden sich für das Bakterium Acinetobacter baylyi als Versuchsbiosensor zur Erkennung von Krankheiten. Das Genom von A. baylyi wurde so modifiziert, dass es lange DNA-Sequenzen enthielt, die denen des menschlichen Krebsgens ähnelten, welches sie erfassen wollten. Diese „komplementären“ DNA-Sequenzen fungierten als Haftflächen, an denen das spezifische Tumorgenom-DNA in das Bakteriengenom integriert werden konnte.

Ein wichtiges Ziel war es, die Tumorgenom-DNA im Bakterium zu halten, um andere Gene zu aktivieren. In diesem Fall handelte es sich um ein Antibiotikaresistenz-Gen, das als Signal für die Erkennung von Krebs verwendet wurde. Wenn die Bakterien auf Antibiotika-Kulturplatten wachsen konnten, war ihr Antibiotikaresistenz-Gen aktiv und dies deutete auf eine Krebserkennung hin.

Das Team führte eine Reihe von Experimenten durch, bei denen der neue bakterielle Biosensor und Tumorzellen in immer komplexere Systeme eingebracht wurden. Zunächst wurden die Bakterien mit gereinigter Tumorgenom-DNA behandelt und der Biosensor erkannte das Tumorgenom-DNA erfolgreich.

Anschließend wurden die Bakterien zusammen mit lebenden Tumorzellen gezüchtet und auch hier konnte das Tumorgenom-DNA erkannt werden. Schließlich wurden die Bakterien in lebende Mäuse injiziert, die entweder Tumore hatten oder nicht. In einem Mausmodell für Darmkrebs konnten die Biosensoren zuverlässig zwischen Mäusen mit und ohne Darmkrebs unterscheiden.

Nach diesen vielversprechenden Ergebnissen wurde der Bakterien-Biosensor weiter verbessert und kann nun einzelne Basenpaarveränderungen innerhalb des Tumorgenom-DNA unterscheiden. Diese Technologie namens CATCH (Cellular Assay for Targeted, CRISPR-Discriminated Horizontal Gene Transfer) hat großes Potenzial und könnte in Zukunft zur Erkennung einer Vielzahl von Krankheiten, insbesondere Infektionen und Krebs, eingesetzt werden.

Allerdings ist die Technologie noch nicht für den Einsatz in der Klinik bereit. Die Forscher arbeiten aktiv an der Weiterentwicklung, um die Effizienz der DNA-Erkennung zu verbessern und die Leistungsfähigkeit des Biosensors im Vergleich zu anderen diagnostischen Tests kritisch zu bewerten. Darüber hinaus müssen die Sicherheit von Patienten und Umwelt gewährleistet werden.

Die wahrscheinlich aufregendste Perspektive der zellulären Medizin ist jedoch nicht nur die Erkennung von Krankheiten. Biosensoren könnten so programmiert werden, dass sie bei Erkennung einer bestimmten Sequenz von DNA eine spezifische biologische Therapie auslösen können, direkt an der Stelle, an der die Krankheit in Echtzeit erkannt wird.

Die Entwicklung dieser innovative Technologie ist das Ergebnis erfolgreicher Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Wissenschaftlern und Forschern. Das Team umfasste Professor Jeff Hasty, Dr. Rob Cooper, Associate Professor Susan Woods und Dr. Josephine Wright.

Die Ergebnisse dieser Studie sind vielversprechend, aber weitere Tests sind erforderlich, um die Leistungsfähigkeit des Biosensors zu validieren und seine mögliche Anwendung in der klinischen Praxis zu erforschen. Die Zukunft der zellulären Medizin sieht jedoch vielversprechend aus und könnte zu revolutionären Veränderungen in der Diagnose und Behandlung von Krankheiten führen.

Dieser Artikel wurde unter einer Creative Commons-Lizenz aus The Conversation republiziert.