U eri sve preciznijih ciljanih metoda liječenja (poput CAR-T ili genske terapije - vidi okvir uz tekst), čak i bakterije mogu postati učinkoviti lijekovi -- ne samo u probiotskim kapsulama kao pomoćni regulatori probave ili kao pasivni nositelji (vektori) aktivnih farmakoloških spojeva, već kao napredni, sofisticirano dizajnirani biosustavi čiji je cilj u crijevima učiniti terapijski korisne stvari, a potom se po završetku zadatka - neprimjetno samouništiti.

Takva bioterapija mogla bi postati novo oružje protiv bubrežnih kamenaca, bolesti koja muči milijune ljudi diljem svijeta, a čije liječenje do sada bilo temeljeno samo na uklanjanju posljedica: simptomatsko liječenje boli, primjena lijekova za litolizu ("otapanje kamenaca"), dijetalne restrikcije, te kirurške i litotripsijske intervencije (operativno odstranjenje ili ultrazvučno "razbijanje") – dakle sve mjere koje ne rješavaju temeljni uzrok i koje dugoročno gledano ne predstavljaju trajna rješenja.

Problem oksalata

Oksalati su spojevi koji se u organizmu unose prehranom (iz špinata, cikle, rabarbare, oraha, čokolade...) i dodatno nastaju kao nusprodukt metabolizma aminokiselina i askorbinske kiseline u jetri. Njihova fiziološka uloga nije osobito značajna, ali njihov metabolički suvišak može imati ozbiljne posljedice. Kad se koncentracija oksalata u organizmu poveća, oni se u bubrezima vežu s kalcijem i stvaraju kristale – osnovu za nastanak nefrolita, poznatijih pod "domaćim" nazivom - bubrežni kamenci.

Ti kalcij-oksalatni kristali mogu s vremenom rasti, pomicati se kroz mokraćne kanale i izazvati snažnu bol, infekciju pa i oštećenje bubrežne funkcije. U nekim slučajevima razine oksalata su povišene zbog genetskih poremećaja, poput primarne hiperoksalurije, nasljednog stanja u kojem je sposobnost tijela da razgrađuje oksalat smanjena. Ali čak i bez prisutnih nasljednih faktora, oksalatna opterećenja u prehrani i metabolizmu često nisu dovoljno kompenzirana crijevnim procesima.

U zdravim crijevima, dio oksalata se neutralizira zahvaljujući specijaliziranim bakterijama koje ih mogu razgraditi u manje štetne spojeve. Međutim, kod mnogih ljudi takve crijevne bakterijske populacije su tijekom života osiromašene ili potpuno nestale zbog raznih čimbenika, uključujući zapadnjačku prehranu siromašnu vlaknima, čestu uporabu antibiotika i razne oblike crijevne disbioze (poremećaja ravnoteže mikrobioma u probavnom sustavu).

To otvara prostor za intrigantnu ideju: što ako se u crijevo može unijeti specifično dizajnirana bakterija koja će ponovno preuzeti funkciju razgradnje oksalata, i to na siguran, kontroliran i terapijski djelotvoran način?

Bakterija s ugrađenim prekidačem

Tim istraživača iz SAD-a, predvođen dr. Waynom Whitakerom s Kalifornijskog sveučilišta u San Diegu (UCSD), razvio je upravo takvu bakteriju. Riječ je o genski modificiranom soju Bacteroides vulgatus (novija klasifikacija: Phocaeicola vulgatus), prirodnom stanovniku ljudskog crijeva koji je poznat po svojoj stabilnosti i prisutnosti u zdravim mikrobiomima. Upravo zato odabran je kao idealna platforma za daljnju gensku nadogradnju u terapijske svrhe.

Znanstvenici su u ovu bakteriju ugradili dodatni metabolički sustav koji se sastoji od pet gena odgovornih za razgradnju oksalata. Ti geni kodiraju enzime koji omogućuju bakteriji da pretvara oksalat u netoksične spojeve, poput metanske (formične, mravlje) kiseline i ugljikovog dioksida, koji se bez problema izlučuju iz tijela. Time se smanjuje količina oksalata koji bi inače bio apsorbiran u krvotok i filtriran kroz bubrege, u kojima bi mogao tvoriti kristale i kamenac.

U kontroliranim laboratorijskim uvjetima ova bakterija je pokazala visoku učinkovitost u razgradnji oksalata, što potvrđuje funkcionalnost inženjerskog pristupa. No to je tek prva polovica priče.

Druga polovica je biološki sigurnosni sustav: bakterija je namjerno genetski "oslabljena" tako da joj za preživljavanje treba rijetki prebiotik porfiran, specifičan šećerni polimer koji se ne nalazi uobičajeno u ljudskoj prehrani. Ako se porfiran prestane dodavati u prehranu, Phocaeicola ostaje bez izvora koji joj je nužan za aktivaciju ključnih bioloških procesa i postupno nestaje iz crijeva prirodnim putem. Ova sigurnosna ovisnost postignuta je zamjenom prirodnih genetskih prekidača bakterije s onima koji se aktiviraju isključivo u prisutnosti porfirana – poput sklopke koja kontrolira osnovne funkcije poput razmnožavanja, rasta i preživljavanja.

Drugim riječima, porfiran djeluje kao molekularni ključ bez kojeg modificirani mikroorganizam gubi održivost i postupno iščezava iz crijevne flore. Na taj način omogućuje se terapija koja je istodobno učinkovita, ali i reverzibilna, bez trajnog utjecaja na mikrobiološki ekosustav domaćina. Takav sustav djeluje poput prekidača: terapija se „uključuje“ dodavanjem bakterije i porfirana u prehranu, a „isključuje“ se kad se porfiran prestane unositi.

Od miševa do ljudi

Prvi eksperimenti su provedeni na miševima, kod kojih je ova bakterija uspješno kolonizirala crijevo i značajno smanjila razinu oksalata. No ono što je zaista važno jest da je bakterija nestajala iz crijeva kad se prestao dodavati porfiran. Time je potvrđena njezina reverzibilnost: terapija je djelotvorna, ali i kontrolabilna.

Ključna provjera došla je u obliku faze 1/2a kliničkog ispitivanja na ljudima. Ispitanici su primali različite doze bakterije i porfirana, te su im se mjerile razine oksalata u urinu i prisutnost bakterije u stolici. Rezultati su pokazali da kolonizacija ovisi o dozi porfirana, da je moguće postići smanjenje oksalata, te da se bakterija može eliminirati nakon prestanka terapije.

No nije sve proteklo glatko. Tijekom pokusa, kod nekih je sudionika došlo do pojave tzv. „biosigurnosnih bjegunaca“ – bakterija koje su mutirale i postale neovisne o porfiranu. Njihov genetski „prekidač“ koji ih čini podložnima kontroli prestao je djelovati.

Genetska stabilnost: Ahilova peta terapije

Pojava biosigurnosnih bjegunaca nije neočekivana, ali jest zabrinjavajuća. Za terapiju koja se temelji na genski modificiranim organizmima, ključna je predvidljivost i mogućnost njihove potpune eliminacije nakon završetka terapijskog učinka. Jer, ako bakterija mutira tako da može preživjeti bez planirane kontrole, ona više ne podliježe sigurnosnim mehanizmima i može trajno ostati u crijevu, čime se gubi nadzor nad njezinim ponašanjem.

Osim toga, takva nekontrolirana prisutnost otvara mogućnost da modificirani geni prijeđu na druge mikrobe putem horizontalnog prijenosa, čime se povećava rizik od širenja neželjenih genetskih elemenata unutar ostale crijevne flore.

Zbog toga su istraživači detaljno analizirali mehanizme mutacije i otpornosti koji dovode do pojave bjegunaca. Sekvenciranjem genoma bakterija koje su izgubile ovisnost o porfiranu pokušava se identificirati točne točke mutacije koje omogućuju bijeg od kontrole. Usporedo s tim, razvijaju se novi, robusniji sigurnosni sustavi.

Jedan od obećavajućih pristupa je implementacija višestrukih sigurnosnih mehanizama koji se međusobno nadopunjuju i djeluju kao paralelne barijere: na primjer, kombinacija porfiranske ovisnosti s osjetljivošću na specifične kemijske tvari iz okoliša ili kontrola putem temperaturno osjetljivih promotora. Takvi slojeviti sustavi značajno smanjuju vjerojatnost da bi mutacija mogla zaobići sve kontrole odjednom, čime se povećava sigurnosni prag terapije.

Terapijski potencijal

Unatoč izazovima, potencijal ovakvog pristupa je golem. Kod hiperoksalurije (posebno one sekundarne, u kojoj je povišena razina oksalata posljedica prehrane, antibiotika ili bolesti crijeva) ovakav način liječenja može postati prva terapija kamenaca koja potpuno uklanja uzrok, a ne samo posljedicu.

Umjesto cjeloživotnih prehrambenih restrikcija i izbjegavanja namirnica bogatih oksalatima ili agresivnog liječenja kamenaca nakon što se pojave, nudi se preventivni pristup koji korigira metabolizam tamo gdje problem počinje: u crijevu.

Iako je ovo tek prvi korak prema kliničkoj primjeni, činjenica da su bakterije uspješno kolonizirale ljudsko crijevo, djelovale terapijski i zatim nestale kad su uvjeti uklonjeni, predstavlja veliku i važnu prekretnicu. Sljedeći izazovi uključuju povećanje genetske stabilnosti, testiranje dugoročnih učinaka i dobivanje regulatornih odobrenja.

No već i sada, čini se da se u mikrobiomu rađa nova era medicine – ona u kojoj se terapija ne pije ni ubrizgava, nego živi s nama, raste u nama, a po završenom zadatku – odlazi u nepovrat.