Καρκίνος του παχέος εντέρου: Πώς ένα κοινό βακτήριο του εντέρου μπορεί να προκαλέσει βλάβες

Εδώ και σχεδόν δύο δεκαετίες, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι ένα κοινό βακτήριο του εντέρου μπορεί να παράγει μια τοξίνη που βλάπτει το παχύ έντερο και συμβάλλει στον σχηματισμό όγκων. Δεν είχαν, όμως, εξηγήσει πώς η τοξίνη προσκολλάται αρχικά στα κύτταρα του εντέρου και ξεκινά την επίθεσή της. Τώρα, ερευνητές εντόπισαν αυτό το κρίσιμο βήμα, αποκαλύπτοντας ένα απρόσμενο σημείο ευπάθειας που θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέους τρόπους προστασίας του παχέος εντέρου.

Την έρευνα πραγματοποίησε ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Κέντρο Καρκίνου Kimmel του Johns Hopkins, το Ινστιτούτο Ανοσοθεραπείας Καρκίνου Bloomberg~Kimmel και την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Johns Hopkins. Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Nature, αναδεικνύουν την πρωτεΐνη κλαυδίνη-4 ως το απαραίτητο σημείο πρόσδεσης για τη βακτηριακή τοξίνη BFT.

Οι ερευνητές αξιοποίησαν ήδη αυτή την ανακάλυψη για να αναπτύξουν ένα μοριακό «δόλωμα», το οποίο παγιδεύει την τοξίνη προτού αυτή βλάψει τα κύτταρα του παχέος εντέρου. Η στρατηγική προστάτευσε με επιτυχία ποντίκια από τις επιβλαβείς επιδράσεις της τοξίνης, υποδεικνύοντας μια πιθανή νέα προσέγγιση για την πρόληψη βλαβών από βακτήρια που σχετίζονται με τον καρκίνο του παχέος εντέρου. Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε εν μέρει από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ (NIH).

«Έχουμε προσπαθήσει αρκετές φορές στο παρελθόν να εντοπίσουμε τον υποδοχέα, επομένως αυτή είναι μια συναρπαστική στιγμή», λέει η επικεφαλής συγγραφέας Cynthia Sears, M.D., καθηγήτρια Ανοσοθεραπείας Καρκίνου Bloomberg~Kimmel και καθηγήτρια Ιατρικής στο Johns Hopkins. «Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργούν οι βακτηριακές τοξίνες μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για νέες προσεγγίσεις στην ανίχνευση και τη θεραπεία σχετικών ασθενειών, όπως η διάρροια, ο καρκίνος του παχέος εντέρου και οι λοιμώξεις του αίματος».

Πώς ένα κοινό βακτήριο του εντέρου μπορεί να συμβάλει στον καρκίνο

Η έρευνα επικεντρώνεται στο Bacteroides fragilis, ένα βακτήριο που μπορεί να υπάρχει στο έντερο έως και του 20% των υγιών ανθρώπων. Η παρουσία του δεν σημαίνει αυτόματα ότι κάποιος θα εμφανίσει καρκίνο. Ωστόσο, ορισμένα στελέχη του παράγουν μια ισχυρή τοξίνη, η οποία μπορεί να διαταράξει την προστατευτική επένδυση του παχέος εντέρου, να προκαλέσει φλεγμονή και να ευνοήσει την ανάπτυξη όγκων.

Η τοξίνη, γνωστή ως τοξίνη του B. fragilis ή BFT, μελετάται εδώ και χρόνια. Σε σημαντική μελέτη του 2009, που δημοσιεύθηκε στο Nature Medicine, η Sears και οι συνεργάτες της έδειξαν ότι η τοξίνη μπορεί να συμβάλει στην ανάπτυξη όγκων στο παχύ έντερο. Η εργασία τους βοήθησε να τεκμηριωθεί η σημαντική σύνδεση ανάμεσα στα βακτήρια του εντέρου που παράγουν τοξίνες, τη χρόνια φλεγμονή και τον καρκίνο του παχέος εντέρου.

Παλαιότερα πειράματα είχαν επίσης δείξει ότι η BFT βλάπτει την πρωτεΐνη Ε-καντχερίνη, η οποία συμβάλλει στη σύνδεση γειτονικών κυττάρων και στη διατήρηση του προστατευτικού φραγμού του παχέος εντέρου. Όταν η πρωτεΐνη διασπάται, ο φραγμός αποδυναμώνεται, επιτρέποντας ενδεχομένως σε βλαβερές ουσίες και βακτήρια να επηρεάσουν τον γύρω ιστό.

Παρέμενε, ωστόσο, ένα βασικό ερώτημα. Παρότι η BFT μπορούσε να διασπάσει την Ε-καντχερίνη, δεν φαινόταν να προσδένεται απευθείας σε αυτήν. Οι ερευνητές υποψιάζονταν ότι κάποιο άλλο μόριο βοηθούσε την τοξίνη να φτάσει στον στόχο της, αλλά οι επανειλημμένες προσπάθειες εντοπισμού του είχαν αποτύχει.

Το CRISPR βοήθησε να εντοπιστεί ο κρίκος που έλειπε

Για να λύσουν το μυστήριο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το CRISPR, μια ισχυρή τεχνολογία γονιδιακής επεξεργασίας που επιτρέπει την επιλεκτική απενεργοποίηση γονιδίων και τη μελέτη της λειτουργίας τους.

Ο Maxwell White, υποψήφιος διδάκτορας Ιατρικής και Φιλοσοφίας που εργάζεται στο εργαστήριο της Sears, ηγήθηκε μιας προσπάθειας ελέγχου ολόκληρου του γονιδιώματος με CRISPR, σε συνεργασία με το εργαστήριο του Matthew Waldor στην Ιατρική Σχολή του Harvard. Η ομάδα απενεργοποίησε συστηματικά γονίδια σε επιθηλιακά κύτταρα του παχέος εντέρου, τα οποία σχηματίζουν την εσωτερική του επένδυση, για να διαπιστώσει ποια ήταν απαραίτητα για την πρόσδεση και την πρόκληση βλάβης από την τοξίνη.

Ένα γονίδιο ξεχώρισε έντονα. Παράγει την κλαυδίνη-4, μια πρωτεΐνη που βοηθά τα γειτονικά κύτταρα να σχηματίζουν στενές συνδέσεις, δηλαδή «σφραγίδες» που περιορίζουν τη μετακίνηση ουσιών ανάμεσα στα κύτταρα και συμβάλλουν στη διατήρηση του εντερικού φραγμού.

Όταν οι ερευνητές απενεργοποίησαν το γονίδιο που είναι υπεύθυνο για την κλαυδίνη-4, η BFT δεν μπορούσε πλέον να προσδεθεί στα κύτταρα του παχέος εντέρου. Χωρίς αυτή την αρχική πρόσδεση, η τοξίνη δεν μπορούσε να επιτεθεί στην Ε-καντχερίνη.

Το εύρημα έδειξε ότι η κλαυδίνη-4 λειτουργεί ως υποδοχέας για τη βακτηριακή τοξίνη. Με άλλα λόγια, η τοξίνη πρέπει πρώτα να προσκολληθεί σε αυτή την πρωτεΐνη για να μπορέσει να προκαλέσει βλάβη.

«Χρειάστηκε χρόνος για να λειτουργήσει σωστά η δοκιμασία και να επικυρώσουμε την προσέγγιση, αλλά μόλις καταφέραμε να κάνουμε τον έλεγχο, η κλαυδίνη-4 αναδείχθηκε ξεκάθαρα ως το κορυφαίο εύρημα, με μεγάλη διαφορά», λέει ο White. «Ήταν μια συναρπαστική στιγμή».

Μια απρόσμενη ανακάλυψη αποκαλύπτει νέο τρόπο βακτηριακής επίθεσης

Η ταυτότητα του υποδοχέα εξέπληξε τους επιστήμονες.

Η Sears και άλλοι ερευνητές περίμεναν ότι η BFT θα αλληλεπιδρούσε με μια πρωτεΐνη που συμμετέχει στη σηματοδότηση των κυττάρων, όπως ένας υποδοχέας συζευγμένος με πρωτεΐνη G. Αυτοί οι υποδοχείς λειτουργούν κάπως σαν διακόπτες επικοινωνίας, επιτρέποντας στα κύτταρα να ανταποκρίνονται σε σήματα από το περιβάλλον τους.

Η κλαυδίνη-4, όμως, έχει διαφορετικό ρόλο. Δεν λειτουργεί κυρίως ως υποδοχέας σηματοδότησης, αλλά συμβάλλει στη διατήρηση των φυσικών συνδέσεων ανάμεσα στα γειτονικά κύτταρα.

Η ανακάλυψη αποκάλυψε επίσης έναν ασυνήθιστο τρόπο δράσης βακτηριακής τοξίνης. Η BFT ανήκει σε μια κατηγορία ενζύμων που ονομάζονται πρωτεάσες και διασπούν άλλες πρωτεΐνες. Οι περισσότερες πρωτεάσες δρουν απευθείας στους στόχους τους, αλλά η BFT φαίνεται ότι χρειάζεται έναν ξεχωριστό υποδοχέα για να φτάσει στην Ε-καντχερίνη και να την καταστρέψει.

Όταν η ομάδα εξέτασε προηγούμενες επιστημονικές έρευνες, δεν εντόπισε άλλη γνωστή τοξίνη που να χρησιμοποιεί τον ίδιο μηχανισμό.

Για να επιβεβαιώσουν ότι η BFT και η κλαυδίνη-4 προσδένονται πράγματι μεταξύ τους, οι ερευνητές του Johns Hopkins συνεργάστηκαν με τους δομικούς βιολόγους F. Xavier Gomis-Rüth και Ulrich Eckhard, από το Ινστιτούτο Μοριακής Βιολογίας της Βαρκελώνης.

Με τεχνικές που μετρούν την αλληλεπίδραση μορίων, ο White και η ομάδα της Βαρκελώνης έδειξαν σε εργαστηριακά πειράματα ότι η BFT και η κλαυδίνη-4 σχηματίζουν ένα ισχυρά συνδεδεμένο σύμπλοκο. Κάθε μόριο τοξίνης συνδεόταν με ένα μόριο υποδοχέα, παρέχοντας άμεσες φυσικές αποδείξεις για την αλληλεπίδραση.

Μοριακό «δόλωμα» παγιδεύει την επικίνδυνη τοξίνη

Ο εντοπισμός του υποδοχέα δεν εξήγησε απλώς πώς δρα η τοξίνη· έδωσε επίσης στους επιστήμονες μια ιδέα για το πώς θα μπορούσαν να την εμποδίσουν.

Αν η BFT χρειάζεται την κλαυδίνη-4 για να προσδεθεί στα κύτταρα του παχέος εντέρου, ίσως μια ουσία-υποκατάστατο να μπορούσε να την παρασύρει μακριά από τον στόχο της.

Για να δοκιμάσει αυτή την πιθανότητα, η ομάδα ανέπτυξε ένα μοριακό «δόλωμα»: μια διαλυτή πρωτεΐνη που έφερε αλληλουχίες από την κλαυδίνη-4 και σχεδιάστηκε ώστε να προσελκύει την BFT, χωρίς να της επιτρέπει να επιτεθεί στην προστατευτική επένδυση του παχέος εντέρου.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με το εργαστήριο του Min Dong στην Ιατρική Σχολή του Harvard, μεταξύ άλλων με τον Kang Wang και συνεργάτες του, για να μελετήσουν την προσέγγιση σε ποντίκια. Τα πειράματα επέτρεψαν στους επιστήμονες να εξετάσουν τη συμπεριφορά της τοξίνης στο πιο σύνθετο περιβάλλον ενός ζωντανού εντέρου.

Τα αποτελέσματα ήταν ενθαρρυντικά. Αντί να προσδεθεί στους υποδοχείς κλαυδίνης-4 των κυττάρων του παχέος εντέρου, η BFT συνδέθηκε με τις πρωτεΐνες-δολώματα. Παγιδεύοντας την τοξίνη, τα δολώματα προστάτευσαν με επιτυχία τα ποντίκια από τη βλάβη που προκαλεί η BFT.

Το εύρημα υποδεικνύει ότι ενδέχεται να είναι δυνατό να ανακοπεί το πρώτο βήμα της δράσης της τοξίνης, αντί να επιχειρείται η αποκατάσταση της βλάβης αφού αυτή προκληθεί.

«Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να εξελιχθεί περαιτέρω με μικρά μόρια ή άλλους βιολογικούς παράγοντες που έχουν καλύτερες φαρμακολογικές ιδιότητες», λέει ο White. Η ομάδα διερευνά τώρα ποιες μοριακές προσεγγίσεις θα μπορούσαν να αποδειχθούν αποτελεσματικότερες στην αναστολή της τοξίνης.

Τα μικρά μόρια είναι ενώσεις που ενδέχεται σε ορισμένες περιπτώσεις να εξελιχθούν σε φάρμακα. Οι βιολογικοί παράγοντες είναι θεραπείες που παράγονται από βιολογικά υλικά ή περιλαμβάνουν τέτοια υλικά, όπως οι πρωτεΐνες. Μελλοντικές εκδοχές της στρατηγικής με το «δόλωμα» θα μπορούσαν να σχεδιαστούν ώστε να δρουν αποτελεσματικότερα στον οργανισμό ή να χορηγούνται ευκολότερα.

Τι μπορεί να σημαίνει η ανακάλυψη για την πρόληψη του καρκίνου

Παρότι τα ευρήματα εντοπίζουν έναν πολλά υποσχόμενο νέο στόχο, παραμένουν σημαντικά ερωτήματα.

Οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι η BFT προσδένεται στην κλαυδίνη-4 και ότι η παρεμπόδιση αυτής της αλληλεπίδρασης μπορεί να προστατεύσει ποντίκια από βλάβες που προκαλεί η τοξίνη. Δεν έχουν, ωστόσο, αποτυπώσει πειραματικά την ακριβή τρισδιάστατη δομή που δείχνει πώς εφαρμόζουν μεταξύ τους τα δύο μόρια.

Ακόμη και προηγμένα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης, όπως το AlphaFold, δεν έχουν καταφέρει να αποσαφηνίσουν πλήρως την αλληλεπίδραση. Η κατανόηση της ακριβούς δομής της θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να σχεδιάσουν αποτελεσματικότερες ενώσεις που εμποδίζουν την πρόσδεση της τοξίνης.

Θα χρειαστούν επίσης περαιτέρω πειράματα για να διαπιστωθεί αν η προσέγγιση με το «δόλωμα» μπορεί να προλάβει με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα ασθένειες που σχετίζονται με την τοξίνη στους ανθρώπους. Τα πειράματα σε ποντίκια έδειξαν προστασία από βλάβες στους ιστούς, αλλά δεν απέδειξαν ότι η στρατηγική προλαμβάνει τον καρκίνο του παχέος εντέρου.

Παρά τους περιορισμούς, η ανακάλυψη απαντά σε ένα σημαντικό ερώτημα που παρέμενε ανοιχτό από τότε που τεκμηριώθηκε, το 2009, η σύνδεση της BFT με τον σχηματισμό όγκων στο παχύ έντερο. Εντοπίζοντας το μέχρι πρότινος άγνωστο σημείο πρόσδεσης της τοξίνης, οι ερευνητές ανέδειξαν έναν πιθανό τρόπο να διακοπεί μια επιβλαβής βιολογική διαδικασία προτού ξεκινήσει.

Τα ευρήματα θα μπορούσαν τελικά να συμβάλουν στην ανάπτυξη νέων στρατηγικών για την ανίχνευση ή τη θεραπεία παθήσεων που σχετίζονται με βακτηριακές τοξίνες, όπως ο καρκίνος του παχέος εντέρου, η διάρροια και οι λοιμώξεις του αίματος.

Συμμετέχοντες και χρηματοδότηση της έρευνας

Στους υπόλοιπους ερευνητές που συνέβαλαν στη μελέτη περιλαμβάνονται οι Jason Chen, Shaoguang Wu, Abby L. Geis και Jessica Queen από το Johns Hopkins, καθώς και οι Hailong Zhang, Karthik Hullahalli και Jie Zhang από την Ιατρική Σχολή του Harvard.

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το Ινστιτούτο Ανοσοθεραπείας Καρκίνου Bloomberg~Kimmel, την Janssen Research and Development, την Cancer Research UK, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας των ΗΠΑ (επιχορηγήσεις R01 AI042347, R01 NS080833, R01 NS117626, R01 AI170835 και R01 AI189789) και το Ιατρικό Ινστιτούτο Howard Hughes.