CC BY
117
использование бактерии для лечения онкологических заболевании (обзор)
и.В. дармов, я.А. Кибирев, и.В. маракулин, С.Н. янов
Филиал ФГБУ«48 Центральный научно-исследовательский институт» Минобороны России; Россия, 610000 Киров, Октябрьский проспект, 119
Контакты: Ярослав Александрович Кибирев [email protected]
Бактериальные средства лечения злокачественных новообразований известны уже более ста лет, однако в клинике они нашли весьма ограниченное применение. В последнее десятилетие отмечается возрождение интереса к разработке средств биотерапии рака на основе бактерий, что связано с прогрессом в области генной инженерии и глубоким познанием механизмов инфекционного процесса и иммунитета. Целью настоящего обзора является рассмотрение современного состояния и перспектив разработки и применения препаратов на основе живых бактерий, предназначенных для лечения злокачественных опухолей. В обзоре представлены данные оценки на экспериментальных моделях противоопухолевого потенциала различных видов и штаммов бактерий; наиболее значимые результаты клинических испытаний бактериальных противоопухолевых средств; современные направления конструирования бактериальных штаммов как средств адресной доставки лекарственных субстанций в опухоли. Сделано заключение о том, что разработка бактериальных средств терапии рака является перспективным направлением экспериментальной онкологии.
Ключевые слова: злокачественная опухоль, бактериальное средство терапии, конструирование терапевтических штаммов
DOI: 10.17650/1726-9784-2019-18-4-34-42
use of bacteria in cancer THERAPY (review)
I. V. Darmov, Ya.A. Kibirev, I. V. Marakulin, S.N. Yanov
Branch of the Federal State Establishment "48 Central Research and Development Institute" Russian Federation Ministry of Defense (Kirov); 119 Oktyabr'skiy Prospekt, Kirov 610000, Russia
Bacterial drugs for the treatment of malignant tumors have been discovered more than a hundred years ago, but their use in clinical practice has been very limited. In the past decade, there has been a revival of interest in the development of bacterial-based cancer bio-therapies, which is associated with advances in genetic engineering and in depth knowledge of the mechanisms of the infectious process and immunity. The purpose of this review is to examine the current state and prospects for the development and use of drugs based on live bacterium, intendedfor the treatment of malignant tumors. The review presents evaluation data on experimental models of the antitumor potential of various species and strains of bacteria; the most significant results of clinical trials of bacterial antitumor agents; current trends in the design of bacterial strains for targeted drug delivery to the tumor. It is concluded that development of bacterial drugs for cancer therapy is a perspective branch of experimental oncology.
Key words: malignant tumor, bacterial drug, therapeutic strains design
Введение
Методический подход к терапии злокачественных новообразований, основанный на использовании живых бактерий, известен с XIX в. Пионером в этой области считается американский врач W Coley (1862— 1936), который лечил больных с неоперабельной саркомой прямым введением в опухоль взвеси живых или убитых нагреванием патогенных бактерий Streptococcus pyogenes и Serratia marcescens. Лечение оказалось успешным, во многих случаях было отмечено торможение роста опухоли, иногда — полная ее деструкция, однако процесс зачастую сопровождался развитием побочных реакций [1].
Несмотря на достигнутые положительные результаты, разработанный W. Со1еу способ лечения вскоре после его смерти был забыт, что связано с неспособностью ученых того времени объяснить механизм терапевтического действия и снизить риск побочных реакций. Этому способствовало также широкое внедрение в клиническую практику радио- и химиотерапии, которые надолго вытеснили бактериальные средства из поля зрения онкологов.
Тем не менее к настоящему времени препараты на основе бактерий, хотя и немногочисленные, вошли в арсенал противоопухолевых средств. Так, с конца 1970-х годов в клинике успешно используют
противотуберкулезную вакцину, приготовленную из живых бактерий аттенуированного штамма BCG Mycobacterium bovis, для предотвращения рецидивов рака мочевого пузыря после хирургического удаления первичной опухоли [2]. Имеются данные о применении живой туляремийной вакцины на основе штамма 15 Francisella tularensis в комплексной терапии больных раком тела матки и легкого [3]. Для лечения онкозаболеваний предложен также иммуномодули-рующий препарат, который представляет собой взвесь живых бактерий выделенного от человека штамма Corynebacterium krestovnicova-troitskaya [4]. Перечисленные препараты стимулируют гуморальные и клеточные звенья противоинфекционного иммунитета и способны опосредованно подавлять рост опухолей.
Между тем достижения генной инженерии, а также глубокое познание механизмов инфекционного процесса, вызываемого бактериями, привели к возрождению интереса к разработке бактерийных средств терапии опухолей и обусловили, уже на новой методической основе, бурный рост исследований в этой области. Целью настоящего обзора является рассмотрение современного состояния и перспектив разработки и применения препаратов на основе живых бактерий, предназначенных для лечения злокачественных опухолей.
Оценка противоопухолевого потенциала бактерий на экспериментальных моделях
К настоящему времени на экспериментальных моделях оценен потенциал около 10 видов бактерий как основы для создания средств терапии онкозаболеваний. К ним относятся как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии, представители родов dostridium, Salmonella, Listeria, Bifidobacterium и некоторых других (табл. 1).
Одно из основных направлений разработки бактериальных средств терапии онкозаболеваний связано с использованием анаэробных бактерий и, в частности, клостридий. Известно, что большинство солидных опухолей независимо от их размера содержит очаги гипоксии и/или некроза, возникновение которых связано с неравномерным формированием сети кровеносных сосудов в опухоли. Указанные очаги, с одной стороны, представляют собой уникальную среду, которая не встречается нигде больше в организме, а с другой — являются идеальной экологической нишей для роста анаэробных бактерий, среди которых особый интерес в рассматриваемом аспекте представляют именно клостридии.
Как таксономическая группа род dostridium приобрел известность благодаря его патогенным представителям, таким как C. botulinum, C. tetani, C. perfringens. Клостридии — строгие анаэробы, однако они могут
образовывать споры, что обеспечивает их выживание в аэробных условиях. Эти споры прорастают, превращаясь в метаболически активные клетки (вегетативные формы) в благоприятных условиях (например, в ранах или испорченном мясе). При этом для вегетативных форм многих клостридий характерна высокая протеолитическая активность, которая придает им способность вызывать деструкцию опухолевой ткани. Дополнительным достоинством клостридий как возможного противоракового средства следует считать их чувствительность к широкому спектру антибиотиков, что позволяет осуществлять строгий контроль за микроорганизмами в процессе лечения.
Впервые способность спор клостридий избирательно накапливаться и прорастать в солидных опухолях была показана на примере C. tetani при внутривенном введении мышам еще в 1955 г. [5]. В последующем была изучена противоопухолевая активность еще нескольких видов клостридий — как непатогенных (C. acetobutylicum [6], С. sporogenes [7]), так и патогенных для людей и животных (C. novyi [8], C. perfringens [9]).
Наиболее впечатляющие результаты недавно были получены N.J. Roberts и соавт., которые провели клинико-экспериментальное исследование противоопухолевого потенциала спор аттенуированного штамма C. novyi-NT (NT — non toxic) при местном введении [10]. Аттенуированный штамм был получен на основе токсигенного штамма C. novyi дикого типа путем отбора варианта с делецией гена а-токсина. Прямое введение спор нетоксигенного штамма в опухоль значительно повышало выживаемость подопытных мышей (ортотопическая модель опухоли мозга) и приводило к мощному противораковому эффекту у собак при спонтанных карциномах мягких тканей. Использованный авторами штамм C. novyi-NT, обладая сильными протеолитическими свойствами, после прорастания спор вызывал редукцию и некроз опухоли [10]. Непатогенные клостридии C. acetobutylicum и С. sporo-genes характеризуются менее выраженной протеолити-ческой активностью, но их терапевтический потенциал может быть усилен путем передачи им дополнительных генов [9].
В данном контексте представляется значительным прорывом предложенный J.T. Heap и соавт. способ, обеспечивающий стабильную интеграцию чужеродного гена в клостридиальный геном [24]. Появилась возможность встраивать в хромосому любой целевой ген, тем самым сводя к минимуму риск его утраты, обусловленный сегрегационной нестабильностью векторных плазмид. Это облегчает получение разрешения на проведение клинических испытаний при введении больному бактерий с чужеродным геном, так как гарантированно выполняется требование о стабильной интеграции гена. Примером высокого потенциала предлагаемого подхода может
таблица 1. Виды бактерий, исследуемых в качестве средств терапии рака на экспериментальных моделях в условиях in vivo Table 1. Types of bacteria investigated as cancer therapies on experimental models in vivo
вид, штамм бактерий Экспериментальная модель Experimental model достигнутый результат Result Ссылка на литературный источник Reference
Bacteria type, strain
C. tetani Мыши, солидные опухоли Mice, solid tumors Избирательное накопление и прорастание спор в опухоли, редукция опухоли Selective spores accumulation and germination inside a tumor, tumor reduction [5]
C. acetobutyricum Мыши, солидные опухоли Mice, solid tumors Избирательное накопление и прорастание спор в опухоли, редукция опухоли Selective spores accumulation and germination inside a tumor, tumor reduction [6]
С. sporogenes Мыши, солидные опухоли Mice, solid tumors Частичный лизис опухоли Partial tumor lysis [7]
C. novyi Мыши, солидные опухоли Mice, solid tumors Колонизация опухоли Tumor colonization [8]
C. perfringens Мыши, солидные опухоли Mice, solid tumors Частичный лизис опухоли Partial tumor lysis [9]
C. novyi-NT Собаки, спонтанные опухоли Dogs, spontaneous tumors Колонизация опухоли, продление срока жизни Tumor colonization, life extension [10]
C. novyi-NT Крысы, глиобластома Rats, glioblastoma Колонизация опухоли, продление срока жизни Tumor colonization, life extension [11]
S. typhimurium A1-R Бестимусные мыши, рак легкого Nude mice, lung cancer Адресная доставка в опухолевую ткань при внутривенном введении Targeted delivery to tumor tissue when administered intravenously [12]
S. typhimurium A1-R Бестимусные мыши, глиома Nude mice, glioma Торможение роста опухоли, продление срока жизни Tumor growth inhibition, life extension [13]
S. typhimurium A1-R Бестимусные мыши, метастазы рака легкого в костную ткань Nude mice, lung cancer with bone metastases Торможение роста метастазов Metastatic growth inhibition [14]
S. typhimurium A1-R Бестимусные мыши, рак поджелудочной железы Nude mice, pancreatic cancer Задержка роста опухоли Tumor growth inhibition [15]
S. typhimurium A1-R Бестимусные мыши, рак яичника Nude mice, ovarian cancer Продление срока жизни, снижение метастазирования Life extension, metastasis reduction [16]
S. typhimurium Мыши, карцинома (СТ26) Mice, carcinoma (CT26) Полное отторжение опухоли Complete tumor rejection [17]
L. monocytogenes Мыши, рак яичника Mica, ovarian cancer Лизис опухолевых клеток Tumor cells lysis [18]
L. monocytogenes ANZ-100 Мыши, рак поджелудочной железы Mice, pancreatic cancer Продление срока жизни Life extension [19]
B. longum Крысы, рак молочной железы Rats, mammary cancer Высокий уровень колонизации опухоли High level of tumor colonization [20]
E. coli Мыши, рак легкого (4Т1) Mice, lung cancer (4T1) Регрессия и некроз опухоли Tumor regression and necrosis [21]
E. coli Мыши, карцинома (СТ26) Mice, carcinoma (CT26) Колонизация и некроз опухоли Tumor colonization and necrosis [22]
L. acidophilus Мыши, карцинома (СТ26) Mice, carcinoma (CT26) Усиление апоптоза, подавление роста опухоли Enhanced apoptosis, tumor growth inhibition [23]
служить встраивание гена иммуноглобулина в геном как C. novyi-NT, так и С. sporogenes [25], что создает возможность проведения комбинированной терапии антителами и клостридиями.
В целом клостридии следует рассматривать в качестве удобных векторов, обеспечивающих эффективную доставку в неопластическую ткань терапевтических генов без нанесения значимого вреда пациенту. Однако существенным недостатком кло-стридий является ограничение области их действия зонами гипоксии. Метастазы или небольшие по размеру опухоли, лишенные некротических зон, не могут эффективно колонизироваться клостридиями. Чтобы снять данное ограничение и нацелить бактериальные терапевтические средства также на опухоли, состоящие из жизнеспособных, снабжаемых кислородом клеток, предложено использовать факультативно анаэробные бактерии, в частности, Salmonella typhimurium. При этом штаммы дикого типа должны подвергаться аттенуированию для обеспечения безопасности пациента.
К настоящему времени получен ряд аттенуиро-ванных штаммов сальмонелл либо путем пассирования культур в условиях in vitro или in vivo, либо путем целенаправленной инактивации определенных генов [26, 27]. С помощью 1-го методического подхода были получены 2 метаболически дефектных штамма сальмонелл: VNP20009 (ауксотроф по пуринам) и A1-R (ауксотроф по аргинину и лейцину) [28], которые обладали повышенной тропностью к опухолевой ткани и проявили высокую эффективность при исследовании на экспериментальных моделях злокачественных опухолей [12—17, 29].
Важным результатом этих исследований явилась частичная расшифровка механизма индукции бактериями противоопухолевого эффекта. Как было установлено, бактериемия вызывает индукцию врожденного иммунитета, в частности способствует повышению уровня фактора некроза опухоли а, что облегчает колонизацию сальмонеллами солидных опухолей [30, 31]. Это сопровождается адъювантным действием сальмонелл, одновременно активирующих приобретенный иммунитет, благодаря чему повышается содержание специфичных по отношению к опухоли цитотоксических Т-лимфоцитов, способных разрушать оставшуюся опухолевую ткань [32].
Использование листерий, относящихся к факультативным аэробам, в терапии рака [18, 19] обусловлено главным образом тем, что, являясь внутриклеточными паразитами, они способны длительное время выживать в лимфоидных клетках селезенки, печени, почек, лимфатических узлов. Поэтому аттенуирован-ные штаммы листерий считаются идеальными реципиентами для создания живых противораковых вакцин, способными обеспечивать продолжительную
экспрессию специфических опухолевых антигенов в организме больного.
Особый интерес представляют результаты оценки противоопухолевого потенциала непатогенных бактерий — представителей собственной нормофло-ры человека, а именно: Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp. (анаэробы), Escherichia coli (факультативный анаэроб) [20—23]. Показано, в частности, что бактерии Bifidobacterium longum способны к транслокации из кишечника во внутреннюю среду организма с фиксацией в макрофагах печени, обеспечивая при этом высокий уровень колонизации опухоли молочной железы у крыс [20]. Штаммы кишечной палочки избирательно колонизировали мышиные опухоли и вызывали их некроз [21, 23]. Оральное введение мышам пробиотических бактерий Lactobacillus acidophilus привело к подавлению роста опухоли, усилению апоптоза опухолевых клеток [22]. Полученные результаты позволяют надеяться на разработку в скором времени средств терапии рака на основе безопасных и безвредных пробиотических препаратов, обладающих помимо противоопухолевого эффекта широким спектром лечебно-профилактического действия.
Клинические испытания бактериальных противоопухолевых средств
Клинические испытания проводились с отдельными представителями родов dostridium, Salmonella и Listeria. Наиболее значимые результаты испытаний представлены в табл. 2.
Первая попытка клинического применения спор Clostridium histolyticum имела место в 1947 г. [33, 34]. И хотя в этих экспериментах отмечалось избирательное накопление спор в опухолевой ткани, сопровождающееся развитием противоопухолевого эффекта, системное действие экзотоксинов было чрезмерным. Кроме того, неэффективность терапевтического действия спор в областях с нормальным содержанием кислорода приводила к рецидиву роста опухоли [33, 34]. Дальнейшие исследования были нацелены на использование нетоксигенных штаммов (видов) клостридий. Так, в 60-80-е годы ХХ в. в клинике противоопухолевого потенциала проводили оценку штамма М55 С. sporogenes [35, 36]. Больным с глиобластомой вводили внутривенно от 1010 спор, наблюдали частичный лизис опухоли при отсутствии серьезных осложнений от введения большой дозы спор, за исключением небольшой лихорадки. Однако избирательное размножение спор в опухоли подтвердить не удалось.
Недавние клинические испытания проводились также с непатогенными клостридиями, а именно C. novyi-NT[10]. В 2014 г., опираясь на положительные результаты доклинических исследований, проведенных на мышах и собаках [41, 42], N.J. Roberts и соавт. предприняли попытку лечения пациента с прогрессирующей
Таблица 2. Примеры клинических испытаний бактериальных средств терапии рака Table 2. Examples of clinical trials of bacterial cancer therapies
Вид, штамм микроорганизма Bacteria type, strain Достигнутый результат Ссылка на литературный источник Reference
C. histolyticum Пациенты с солидными опухолями Patients with solid tumors Избирательное накопление спор в опухоли, редукция опухоли Selective spores accumulation in a tumor, tumor reduction [33, 34]
С. sporogenes (C. oncolyticum) М55 Пациенты с глиобластомой; внутривенное введение 1010 спор Patients with glioblastoma; 1010 spores administered intravenously Частичный лизис опухоли, отсутствие побочного действия от системного введения большого количества спор Partial tumor lysis, no side effects from systemic administration of a large number of spores [35, 36]
C. novyi-NT 1 пациент с прогрессирующей лейомиосаркомой 1 patient with progressive leiomyosarcoma Уменьшение объема опухоли Tumor reduction [10]
S. typhimurium VNP20009 24 пациента с метастазирующей меланомой; 24 patients with metastatic melanoma; 1 пациент с метастазами карциномы почки 1 patient with kidney carcinoma metastases Индукция иммунного ответа, колонизация опухоли в 3 случаях, отсутствие противоопухолевого эффекта Immune response induction, tumor colonization in 3 patients, no antitumor effect [37]
S. typhimurium TAPET-CD 3 пациента с прогрессирующими и метастазирующими солидными опухолями 3 patients with progressive and metastatic solid tumors 66 % колонизации опухолей, зарегистрированная активность цитозиндезаминазы в опухоли Tumor colonization by 66 %, registered cytosine desaminase activity in a tumor [38]
L. monocytogenes ANZ-100 и CRS-207 26 пациентов с солидными опухолями (печень, поджелудочная железа, легкое, яичник) 26 patients with solid tumors (liver, pancreas, lung, ovary) Активация противоопухолевого иммунитета безопасной вакциной Activated antitumor immunity using a safe vaccine [39]
L. monocytogenes CRS-207 90 больных раком поджелудочной железы 90 patients with pancreatic cancer Высокий уровень продления жизни High percent of life extension [40]
лейомиосаркомой путем многократного прямого введения спор C. novyi-NT в опухоль и наблюдали заметную регрессию последней [10]. Полученные положительные результаты являются основанием для оптимизма при оценке перспектив клинического применения средств бактериальной терапии рака.
Клинические испытания аттенуированных штаммов S. typhimurium выявили индукцию иммунного ответа [37], колонизацию опухоли бактериями у 15— 66 % пациентов при отсутствии значимого противоопухолевого эффекта [37, 38].
Аттенуированные штаммы Listeria monocytogenes ANZ-100 и CRS-207 изучали в составе живых реком-бинантных лечебных вакцин у пациентов с прогрессирующими солидными опухолями, были отмечены активация противоопухолевого иммунитета и высокий уровень продления жизни при минимальной токсичности вакцины [39, 40].
Современные подходы к созданию терапевтических штаммов бактерий
Известно, что патогенные бактерии вырабатывают патогенассоциированные молекулярные структуры, которые распознаются соответствующими рецепторами иммунокомпетентных клеток, в результате чего происходит их активация и развивается иммунный ответ, в том числе противоопухолевый. С этим согласуется тот факт, что у мышей, дефектных по То11-подобным рецепторам 4-го типа (TLR4) или MyD88-сигнальной системе, не проявляется какой-либо противоопухолевый эффект в ответ на введение сальмонелл [43, 44]. В связи с этим колонизация опухоли бактериями не может считаться облигатным механизмом действия, но, скорее всего, патоген-ассо-циированные молекулярные структуры действуют как адъюванты в процессе активации иммунной системы на уровне индуцируемых лимфоидных органов.
Обзоры литературы 39
В клинических испытаниях 2001 г. бактерии штам- ческих штаммов был сделан следующий шаг — сома S. typhimurium VNP20009 вводили пациентам с ме- зданы бактерии с условно диким фенотипом. Предло-тастазирующей меланомой, однако у них не было жены 2 концепции, развивающие эту идею, а именно: зафиксировано противоопухолевого эффекта [37]. отсроченная аттенуация и отсроченный лизис бакте-Данный штамм был получен способом неконтроли- рий [17, 26, 50, 51]. руемой селекции, сопровождающейся накоплением Соответствующие штаммы характеризуются мо-многочисленных сопутствующих мутаций, которые дифицированным генотипом, но при этом проявля-могли повлиять на поведение бактерий в условиях in ют условно дикий фенотип в условиях in vivo. Напри-vivo. Действительно, штамм VNP20009 несет делеции мер, аттенуированные (ауксотрофные) бактерии в 120 генах и точковую мутацию в гене хемотаксиса могут экспрессировать комплементирующий ген под cheZ [37, 45], которая выключает синтез жгутикового индуцируемым промотором типа PBAD или Р Акти-антигена — важного иммунитетстимулирующего фак- вация промотора осуществляется в присутствии ара-тора, что и приводит в конечном счете к снижению бинозы или тетрациклина соответственно. Такие противоопухолевой эффективности штамма. В связи бактерии в присутствии индуктора могут размножать-с этим следует признать, что нецелесообразно «вы- ся в культуре, где и происходит экспрессия компле-ключать» те факторы вирулентности, которые безус- ментирующего гена. В условиях in vivo концентрация ловно важны для индукции иммунного ответа. С по- индуктора резко снижается, вследствие чего бактерии мощью генной инженерии микроорганизм должен постепенно утрачивают условно дикий фенотип и че-быть аттенуирован частично (в оптимальной степени), рез несколько циклов деления становятся аттенуи-как это делается в последние годы при создании вак- рованными. Такая система отсроченной аттенуации цинных штаммов [26]. недавно была применена для создания штамма саль- Один из приемов заключается в повышении адъ- монелл с геном липополисахарида модифицирован-ювантного действия бактерий. Узнавание сальмонелл ной структуры под контролем PBAD. При введении иммунной системой и индукция иммунного ответа в организм животного бактерии с условно диким прямо коррелируют с наличием в бактериальной фенотипом индуцировали выраженный иммунный клетке определенных патогенассоциированных мо- ответ, значительно усиливающий противоопухолевый лекулярных структур. Сальмонеллы могут выжить эффект по сравнению с бактериями, несущими толь-во враждебном окружении лишь при условии моди- ко делецию. Ни одна из мышей не погибла от инфек-фикации указанных структур либо в случае снижения ции, а их состояние лишь кратковременно ухудши-экспрессии определенных иммуногенов, например лось вскоре после введения [17]. флагеллинов [46, 47]. Таким образом, стратегия кон- Подобным образом в системе отсроченного ли-струирования рекомбинантного штамма должна за- зиса синтез клеточной стенки прекращался в отсут-ключаться в модификации иммуногенных мишеней ствие арабинозы в условиях in vivo [51]. При этом при сохранении иммуногенности сальмонелл. В част- бактерии были неспособны вызывать системную ности, было установлено, что гексаацилированная инфекцию. молекула липида А с высокой эффективностью сти- Необходимо отметить, что имеется немало опухо-мулирует TLR4, в то время как тетраацилированный лей, полностью резистентных к бактериальной тера-липид А действует как антагонист [48]. По этой при- пии, либо эффект достигается частичный и выража-чине мутант сальмонелл, экспрессирующий только ется лишь в задержке роста опухоли. В этом гексаацилированный липид А, обладает повышенным отношении более реалистичной и многообещающей терапевтическим эффектом [46]. Кроме того, было стратегией представляется объединение химиотерапии показано, что варианты сальмонелл, несущие одно- с применением бактериальных средств [52]. временно флагеллиновые белки Fli C и Fli В, индуцируют усиление иммунного ответа хозяина при ораль- Бактерии как средства доставки лекарственных ном введении [49]. Эти примеры показывают, что препаратов в опухоль иммуногенность аттенуированных бактерий может Конструирование штаммов бактерий, предназна-быть усилена, если патоген-ассоциированные моле- ченных для адресной доставки лекарственных препа-кулярные структуры модифицируются таким обра- ратов в опухоль, представляет собой следующее пер-зом, что рецепторы распознавания образов хозяина спективное направление исследований. В настоящее стимулируются с большей эффективностью. время разрабатываются два методических подхода. Однако модификация некоторых патогенассоци- Согласно первому создаются бактерии, которые про-ированных молекулярных структур может вызывать дуцируют энзимы, конвертирующие предшественник плейотропные эффекты, приводящие к негативным (prodrug) — системно назначаемое неактивное веще-последствиям для жизнедеятельности бактерий. По- ство — в активную цитотоксическую форму. Этот спо-этому в конструировании бактериальных терапевти- соб терапии требует высокой колонизационной
4'2019 ТОМ 18 | vol. 18 РОССИЙСКИЙ БИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ | RUSSIAN JOURNAL 0F BiOTHERAPY
активности бактерий по отношению к опухоли, чтобы обеспечить избирательное действие цитостатика.
Была изучена терапевтическая активность таких энзимов, как цитозиндезаминаза и нитроредуктаза, экспрессируемых в клостридиях или листериях [53, 54]. Однако при высокой активности этих ферментов в условиях in vitro они не проявили значимого терапевтического действия в условиях in vivo. В то же время штаммы сальмонелл оказались, по результатам доклинических и клинических исследований, эффективными средствами адресной доставки в опухоли таких ферментов, как цитозиндезаминаза или CPG2 [38, 55].
Второй методический подход предполагает использование бактерий, которые в процессе колонизации опухолей способны сами продуцировать и секрети-ровать терапевтически активные субстанции, например бактериальные токсины (а-гемолизин [21, 56]), рекомбинантные эффекторные белки (mTNF-а, rIL-2 [57]), малые шпилечные молекулы РНК (shRNA [58, 59]).
Применительно к сальмонеллам разработка стратегии активной доставки проводится по двум перспективным направлениям. Одно из них — это вышеупомянутый отсроченный лизис. Его преимуществом является контролируемый «залповый выброс» лекарственных субстанций. Однако отсроченный лизис обеспечивает лишь однократное высвобождение ле-
карственного препарата и не позволяет осуществлять продолжительную экспрессию.
Другое направление основано на использовании бактериальных систем секреции. В этом случае осуществляют слияние гена лекарственной субстанции с сигнальной последовательностью, необходимой для доставки через ту или иную систему секреции, чтобы обеспечить непрерывное высвобождение лекарственной субстанции в опухоль [60]. Предпочтение должно быть отдано индуцируемым промоторам или промоторам, специфичным для опухолевой ткани [17, 61, 62].
Заключение
Таким образом, применение бактерий в качестве основы для создания средств терапии онкологических заболеваний обладает существенными достоинствами, так как обеспечивает возможность одновременно прямой доставки и регулируемой экспрессии синтеза терапевтических субстанций непосредственно в опухолевой ткани. Полученные к настоящему времени результаты доклинических исследований и первых попыток использования бактерий для лечения больных позволяют считать, что разработка бактериальных средств терапии рака является перспективным направлением экспериментальной онкологии.
Л И Т Е Р А Т
1. McCarthy E.F. The toxins of William B. Coley and the treatment of bone and soft-tissue sarcomas. Iowa Orthop
J 2006;26:154-8.
2. Redelman-Sidi G., Glickman M.S., Bochner B.H. The mechanism
of action of BCG therapy for bladder cancer — a current perspective. Nat Rev Urol 2014;11(3):153—62. DOI: 10.1038/nrurol.2014.15.
3. Адамян P.T., Нерсесян A.K., Галстян A.M. Применение туляремийной живой вакцины в клинической онкологии. Вопросы онкологии 2004;50(1):68—74. [Adamyan R.T., Nersesyan A.K., Galstyan A.M. The use of tularemia live vaccine in clinical oncology practice. Voprosy onkologii = Problems
of Oncology 2004;50(1):68—74. (In Russ.)].
4. Андреева З.М., Храмова Н.И., Ершова Е.Б., Бархударян В.А. Патент RU 2027755 от 27.01.1995. Штамм бактерий Corynebacterium krestovnicova-troitskaya, используемый для приготовления иммуностимулятора. [Andreeva Z.M., Khramova N.I., Ershova E.B., Barhudaryan V.A. Patent
УРА / R E F E
RU 2027755 dated January 27, 1995. The bacterial strain of Corynebacterium krestovnicova-troitskaya using to prepare of the immunity stimulating substance. (In Russ.)].
5. Malmgren R.A., Flanigan C.C. Localization of vegetative form of Clostridium tetani in mouse tumors following intravenous spore administrations. Cancer Res 1955;15(7):473-8.
6. Mose J.R., Mose G. Oncolysis
by Clostridia. I. Activity of Clostridium butyricum (M-55) and other nonpathogenic Clostridia against the Ehrlich carcinoma. Cancer Res 1964;24(2):212-6.
7. Mose J.R., Mose G. Onkolyseversuche mit apathogenen, anaeroben Sporenbildnern am Ehrlich-Tumor der Maus. Z Krebsforsch 1959;63:63-74.
8. Dang L.H., Bettegowda C., Huso D.L. et al. Combination bacteriolytic therapy for the treatment of experimental tumors. Proc Natl Acad Sci USA 2001;98(26):15155-60.
DOI: 10.1073/pnas.251543698.
9. Li Z., Fallon J., Mandely J. et al. A genetically enhanced anaerobic bacterium for oncopathic therapy
R E N C E S
of pancreatic cancer. J Natl Cancer Inst
2008;100(19):1389-400.
DOI: 10.1093/jnci/djn308.
10. Roberts N.J., Zhang L., Janku F. et al. Intratumoral injection of Clostridium novyi-NT spores induces antitumor responces. Sci Transl Med 2014;6(249):249ra111.
DOI: 10.1126/scitranslmed.3008982.
11. Staedtke V., Bai R., Sun W. et al. Clostridium novyi-NT can cause regression of orthotopically implanted glioblastomas in rats. Oncotarget 2015;6(8):5536-46.
DOI: 10.18632/oncotarget.3627.
12. Zhang L., Tome Y., Suetsugu A. et al. Determination of the optimal route of administration of Salmonella typhimurium Al-R to target breast cancer in nude mice. Anticancer Res 2012;32(7):2501-8.
13. Momiyama M., Zhao M., Kimura H. et al. Inhibition and eradication
of human glioma with tumor-targeting Salmonella typhimurium in an orthotopic nude-mouse model. Cell Cycle 2012;11(3):628-32. DOI: 10.4161/cc.11.3.19116.
14. Miwa S., Yano S., Zhang Y. et al. Tumortargeting Salmonella typhimurium Al-R prevents experimental human breast cancer bone metastasis in nude mice. Oncotarget 2014;5(16):7119-25.
DOI: 10.18632/oncotarget.2226.
15. Hiroshima Y., Zhang Y., Murakami T. et al. Efficacy of tumor-targeting Salmonella typhimurium Al-R
in combination with anti-angiogenesis therapy on a pancreatic cancer patient-derived orthotopic xenograft (PDOX) and cell line mouse models. Oncotarget 2014;5(23):12346-57. DOI: 10.18632/oncotarget.2641.
16. Matsumoto Y., Miwa S., Zhang Y. et al. Intraperitoneal administration of tumortargeting Salmonella typhimurium Al-R inhibits disseminated human ovarian cancer and extends survival in nude mice. Oncotarget 2015;6(13):11369-77. DOI: 10.18632/oncotarget.3607.
17. Frahm M., Feigner S., Kocijancic D. et al. Efficiency of conditionally attenuated Salmonella enterica serovar Typhimurium in bacterium-mediated tumor therapy. MBio 2015;6(2):254-15. DOI: 10.1128/mBio.00254-15.
18. Lizotte P.H., Baird J.R., Stevens C.A. et al. Attenuated Listeria monocytogenes reprograms M2-polarized tumor-associated macrophages in ovarian cancer leading to iNOS-mediated tumor cell lysis. Oncoimmunology 2014;3:28926. DOI: 10.4161/onci.28926.
19. Keenan B.P., Saenger Y., Kafrouni M.I. et al. A Listeria vaccine and depletion of T-regulatory cells activate immunity against early stage pancreatic intraepithelial neoplasms and prolong survival of mice. Gastroenterology 2014;146(7):1784-94.
DOI: 10.1053/j.gastro.2014.02.055.
20. Yazawa K., Fujimori M., Nakamura T. et al. Bifidobacterium longum
as a delivery system for gene therapy of chemically induced rat mammary tumors. Breast Cancer Res Treat 2001;66(2):165-70. DOI:10.1023/a:1010644217648.
21. St Jean A.T., Swofford C.A., Panteli J.T. et al. Bacterial delivery of Staphylococcus aureus a-hemolysin causes regression and necrosis in murine tumors.
Mol Ther 2014;22(7):1266-74. DOI: 10.1038/mt.2014.36.
22. Kocijancic D., Felgner S., Frahm M. et al. Therapy of solid tumors using probiotic Symbioflor-2: restraints and potential. Oncotarget 2016;7(16):22605-22. DOI: 10.18632/oncotarget.8027.
23. Chen C.C., Lin W.C., Kong M.S. et al. Oral inoculation of probiotics Lactobacillus acidophilus NCFM suppresses tumour growth both
in segmental orthotopic colon cancer
and extra-intestinal tissue.
Br J Nutr 2012;107(11):1623-34.
DOI: 10.1017/S0007114511004934.
24. Heap J.T., Ehsaan M., Cooksley C.M. et al. Integration of DNA into bacterial chromosomes from plasmids without
a counter-selection marker. Nucleic Acids Res 2012;40(8):59. DOI: 10.1093/nar/gkr1321.
25. Groot A.J., Mengesha A., van der Wall E. et al. Functional antibodies produced by oncolytic clostridia. Biochem Biophys Res Commun 2007;364(4):985-9. DOI: 10.1016/j.bbrc.2007.10.126.
26. Wang S., Kong Q., Curtiss R. New technologies in developing recombinant attenuated Salmonella vaccine vectors. Microb Pathog 2013;58:17-28.
DOI: 10.1016/j.micpath.2012.10.006.
27. Hoffman R.M., Zhao M. Methods
for the development of tumor-targeting bacteria. Expert Opin Drug Discov 2014;9(7):741-50.
DOI: 10.1517/17460441.2014.916270.
28. Hoffman R.M. Tumor-seeking Salmonella amino acid auxotrophs. Curr Opin Biotechnol 2011;22(6):917-23. DOI: 10.1016/j.copbio.2011.03.009.
29. Zhao M., Suetsugu A., Ma H. et al. Efficacy against lung metastasis with a tumor-targeting mutant
of Salmonella typhimurium in immunocompetent mice. Cell Cycle 2012;11(l):187-93. DOI: 10.4161/cc.11.1.18667.
30. Leschner S., Westphal K., Dietrich N. et al. Tumor invasion of Salmonella enterica serovar Typhimurium is accompanied by strong hemorrhage promoted by TNF-alpha. PLoS One 2009;4(8):6692. DOI: 10.1371/journal.pone.0006692.
31. Crull K., Bumann D., Weiss S. Influence of infection route and virulence factors on colonization of solid tumors by Salmonella enterica serovar Typhimurium. FEMS Immunol Med Microbiol 2011;62(1):75-83.
DOI: 10.1111/j.1574-695X.2011.00790.x.
32. Stern C., Kasnitz N., Kocijancic D. et al. Induction of CD4(+) and CD8(+) antitumor effector T cell responses by bacteria mediated tumor therapy.
Int J Cancer 2015;137(8):2019-28. DOI: 10.1002/ijc.29567.
33. Felgner S., Kocijancic D., Frahm M., Weiss S. Bacteria in cancer therapy: renaissance of an old concept.
Int J Microbiol 2016;2016:8451728. DOI: 10.1155/2016/8451728.
34. Barbe S., Van Mellaert L., Anne J. The use of clostridial spores for cancer treatment. J Appl Microbiol 2006;101(3):571-8.
DOI: 10.1111/j.1365-2672.2006.02886.x.
35. Carey R.W., Holland J.F., Whang H.Y. et al. Clostridial oncolysis in man. Eur J
Cancer 1967;3(1):37-46.
DOI: 10.1016/0014-2964(67)90060-6.
36. Lemmon M.J., van Zijl P., Fox M.E. et al. Anaerobic bacteria as a gene delivery system that is controlled
by the tumor microenvironment. Gene Ther 1997;4(8):791-6. DOI: 10.1038/sj.gt.3300468.
37. Toso J.F., Gill V.J., Hwu P. et al. Phase I study of the intravenous administration of attenuated Salmonella typhimurium to patients with metastatic melanoma.
J Clin Oncol 2002;20(1):142-52. DOI: 10.1200/JCO.2002.20.1.142.
38. Nemunaitis J., Cunningham C., Senzer N. et al. Pilot trial of genetically modified, attenuated Salmonella expressing the E. coli cytosine deaminase gene in refractory cancer patients. Cancer Gene Ther 2003;10(10):737-44. DOI: 10.1038/sj.cgt.7700634.
39. Le D.T., Brockstedt D.G., Nir-Paz R. et al. A live-attenuated Listeria vaccine (ANZ-100) and a live-attenuated Listeria vaccine expressing mesothelin (CRS-207) for advanced cancers: phase I studies of safety and immune induction. Clin Cancer Res 2012;18(3):858-68. DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-11-2121.
40. Le D.T., Wang-Gillam A., Picozzi V. et al. Safety and survival with GVAX pancreas prime and Listeria monocytogenes - expressing mesothelin (CRS-207) boost vaccines
for metastatic pancreatic cancer. J Clin Oncol 2015;33(12):1325-33. DOI: 10.1200/JCO.2014.57.4244.
41. Van Mellaert L., Barbe S., Anne J. Clostridium spores as anti-tumour agents. Trends Microbiol 2006;14(4): 190-6. DOI: 10.1016/j.tim.2006.02.002.
42. Krick E.L., Sorenmo K.U., Rankin S.C. et al. Evaluation of Clostridium novyi-NT spores in dogs with naturally occurring tumors. Am J Vet Res 2012;73(1):112-8. DOI: 10.2460/ajvr.73.1.112.
43. Lee C.H., Wu C.L., Shiau A.L. Toll-like receptor 4 mediates an antitumor host response induced by Salmonella choleraesuis. Clin Cancer Res 2008;14(6):1905-12.
DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-07-2050.
44. Kaimala S., Mohamed Y.A., Nader N. et al. Salmonella-mediated tumor regression involves targeting of tumor myeloid suppressor cells causing a shift to Ml-like phenotype and reduction
in suppressive capacity. Cancer Immunol Immunother 2014;63(6):587-99. DOI: 10.1007/s00262-014-1543-x.
45. Broadway K.M., Denson E.A., Jensen R.Y, Scharf B.E. Rescuing chemotaxis
of the anticancer agent Salmonella enterica serovar Typhimurium VNP20009. J Biotechnol 2015;211:117-20. DOI: 10.1016/j.jbiotec.2015.07.010.
46. Needham B.D., Carroll S.M., Giles D.K. et al. Modulating the innate immune response by combinatorial engineering of endotoxin. Proc Natl Acad Sci USA 2013;110(4):1464-9.
DOI: 10.1073/pnas.1218080110.
47. Stewart M.K., Cummings L.A., Johnson M.L. et al. Regulation
of phenotypic heterogeneity permits Salmonella evasion of the host caspase-1 inflammatory response. Proc Natl Acad Sci USA 2011;108(51):20742-7. DOI: 10.1073/pnas.1108963108.
48. Saitoh S., Akashi S., Yamada T. et al. Lipid A antagonist, lipid IVa, is distinct from lipid A in interaction with Toll-like receptor 4 (TLR4)-MD-2 and ligand-induced TLR4 oligomerization.
Int Immunol 2004;16(7):961-9. DOI: 10.1093/intimm/dxh097.
49. Eom J. S., Seok Kim J., Im Jang J. et al. Enhancement of host immune responses by oral vaccination to Salmonella enterica serovar Typhimurium harboring both FliC and FljB flagella. PLoS One 2013;8(9):74850.
DOI: 10.1371/journal.pone.0074850.
50. Curtiss R. 3rd, Wanda S.Y., Gunn B.M. et al. Salmonella enterica serovar Typhimurium strains with regulated delayed attenuation in vivo. Infect Immun 2009;77(3):1071-82.
DOI: 10.1128/IAI.00693-08.
51. Kong W., Wanda S.Y., Zhang X. et al. Regulated programmed lysis
of recombinant Salmonella in host tissues to release protective antigens and confer biological containment. Proc Natl Acad
Sci USA 2008;105(27): 9361-6. DOI: 10.1073/pnas.0803801105.
52. Hiroshima Y., Zhang Y., Zhao M. et al. Tumor-targeting Salmonella typhimurium Al-R in combination with Trastuzumab eradicates HER-2-positive cervical cancer cells in patient-derived mouse models. PLoS One 2015;10(6):0120358.
DOI: 10.1371/journal.pone.0120358.
53. Green L.K., Storey M.A., Williams E.M. et al. The flavin reductase MsuE
is a novel nitroreductase that can efficiently activate two promising next-generation prodrugs for gene-directed enzyme prodrug therapy. Cancers 2013;5(3):985-97. DOI: 10.3390/cancers5030985.
54. Kubiak A.M., Minton N.P. The potential of clostridial spores as therapeutic delivery vehicles in tumour therapy. Res Microbiol 2015;166(4):244-54.
DOI: 10.1016/j.resmic.2014.12.006.
55. Friedlos F., Lehouritis P., Ogilvie L. et al. Attenuated Salmonella targets prodrug activating enzyme carboxypeptidase G2 to mouse melanoma and human breast and colon carcinomas for effective suicide gene therapy. Clin Cancer Res 2008;14(13):4259-66.
DOI: 10.1158/1078-0432.CCR-07-4800.
56. Swofford C.A., St Jean A.T., Panteli J.T. et al. Identification of Staphylococcus aureus a-hemolysin as a protein drug that is secreted by anticancer bacteria and rapidly kills cancer cells. Biotechnol Bioeng 2014;111(6):1233-45.
DOI: 10.1002/bit.25184.
57. Barbe S., van Mellaert L., Theys J. et al. Secretory production of biologically active rat interleukin-2 by Clostridium acetobutylicum DSM792 as a tool for anti-tumor treatment. FEMS Microbiol Lett 2005;246(1):67-73.
DOI: 10.1016/j.femsle.2005.03.037.
58. Tian Y., Guo B., Jia H. et al. Targeted therapy via oral administration
of attenuated Salmonella expression plasmid-vectored Stat3-shRNA cures orthotopically transplanted mouse HCC. Cancer Gene Ther 2012;19(6):393-401. DOI: 10.1038/cgt.2012.12.
59. Blache C.A., Manuel E.R., Kaltcheva T.I. et al. Systemic delivery of Salmonella typhimurium transformed with IDO shRNA enhances intratumoral vector colonization and suppresses tumor growth. Cancer Res 2012;72(24):6447-56. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-12-0193.
60. Xu X., Hegazy W.A., Guo L. et al. Effective cancer vaccine platform based on attenuated Salmonella and a type III secretion system. Cancer Res 2014;74(21):6260-70. DOI: 10.1158/0008-5472.CAN-14-1169.
61. Swofford C.A., van Dessel N.,
Forbes N.S. Quorum-sensing Salmonella selectively trigger protein expression within tumors. Proc Natl Acad Sci USA 2015;112(11):3457-62. DOI: 10.1073/pnas.1414558112.
62. Leschner S., Deyneko I.V., Lienenklaus S. et al. Identification of tumor-specific Salmonella Typhimurium promoters and their regulatory logic. Nucleic Acids Res 2012;40(7):2984-94.
DOI: 10.1093/nar/gkr1041.
Вклад авторов
И.В. Дармов: обзор публикаций по теме статьи, анализ и интерпретация данных, написание текста рукописи; Я.А. Кибирев: обзор публикаций по теме статьи, обсуждение и редактирование рукописи; И.В. Маракулин: обзор публикаций по теме статьи, обсуждение и редактирование рукописи; С.Н. Янов: обзор публикаций по теме статьи, обсуждение и редактирование рукописи. Authors' contributions
I.V. Darmov: reviewing of publications of the article's theme, data analysis and interpretation, article writing; Ya.A. Kibirev: reviewing of publications of the article's theme, discussing, manuscript text editing; I.V. Marakulin: reviewing of publications of the article's theme, discussing, manuscript text editing; S.N. Yanov: reviewing of publications of the article's theme, discussing, manuscript text editing.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила: 15.03.2019. Принята в печать: 18.09.2019. Article submitted: 15.03.2019. Accepted for publication: 18.09.2019.
