3D spheroid models to study tumor colonizing anaerobic bacteria: a bridge from in vitro to in vivo

داخل أكثر الأورام استعصاءً في الجسم، تتشكل غالباً تضاريس غريبة وخطيرة. فبينما تتكاثر الخلا السرطانية بسرعة متهورة، فإنها تتجاوز إمدادات الدم الخاصة بها، مما يخلق جيوباً من الجوع الشديد حيث لا يمكن للأكسجين الوصول إليها. تموت هذه المناطق، متحولة إلى أنسجة نخرية (ميتة)، وهي علامة مميزة للمرض الشرس التي تشير عادةً إلى توقعات سيئة لمستقبل المريض. ومع ذلك، فإن هذه المنطقة الميتة تحمل سراً فريداً: فهي المكان الوحيد الذي يمكن لبعض أنواع البكتيريا، التي لا تستطيع البقاء على قيد الحياة في وجود الأكسجين، أن تزدهر فيه. لقد عرف العلماء منذ زمن طويل أن هذه البكتيريا اللاهوائية تبحث طبيعياً عن مراكز الأورام الميتة وتستعمرها. وقد أثار هذا الاكتشاف جهوداً استمرت لعقود لتحويل هؤلاء الغزاة المجهريين إلى حلفاء، عبر هندستهم لتوصيل الأدوية أو تحفيز الجهاز المناعي لمهاجمة السرطان من الداخل.

ومع ذلك، وقبل أن يمكن اختبار هذه الأدوية الحية على البشر، يجب على الباحثين إثبات أنها تعمل بأمان وفعالية. تفشل الاختبارات المختبرية التقليدية باستخدام طبقات مسطحة من الخلايا في طبق مخبري في إعادة إنشاء المركز الميت والمحروم من الأكسجين داخل الورم، مما يجعل من المستحيل معرفة ما إذا كانت البكتيريا ستجد هدفها بالفعل. وعلى العكس من ذلك، فإن الاختبار المباشر في الحيوانات يثير مخاوف أخلاقية خطيرة وغالباً ما يكون معقداً للغاية لفحص العديد من السلالات البكتيرية بسرعة. ولجسر هذه الفجوة، طور فريق من الباحثين في جامعة ماستريخت نموذجاً جديداً ثلاثي الأبعاد يحاكي الظروف الحقيقية داخل الورم، مما يسمح لهم بمراقبة كيفية سلوك هذه البكتيريا في بيئة تشبه الجسم البشري عن كثب.

بدأ الباحثون بزراعة مجموعات صغيرة كروية الشكل من الخلايا السرطانية من ثلاثة مصادر مختلفة: نوعان من سرطان الفئران ونوع واحد من سرطان القولون البشري. تركوا هذه المجموعات تنمو حتى طورت مناطقها الميتة الداخلية الخاصة بها، تماماً كما تفعل الأورام الحقيقية. وبمجرد تشكل مراكزها النخرية، أدخل الفريق أبواغ بكتيريا "كلوستريديوم سبوروجينيس" (Clostridium sporogenes)، وهي بكتيريا غير ضارة وآمنة للبشر ولكنها تعشق العيش في البيئات الخالية من الأكسجين. لاحظ الباحثون أن البكتيريا فقست بنجاح من أبواغها وتحركت في أعماق المراكز الميتة لكرات الخلايا. وفي نماذج سرطان الفئران، نمت البكتيريا بقوة شديدة لدرجة أنها تسببت في النهاية في تفكك كرة الورم بالكامل، بينما في نماذج السرطان البشري، استقرت البكتيريا وظلت مستقرة، مما يعكس ما يحدث في الحيوانات الحية.

مع استعمار البكتيريا لهذه النماذج بنجاح، توجه الفريق نحو مسألة السلامة. إن أحد المخاوف الرئيسية المتعلقة باستخدام البكتيريا كدواء هو القدرة على إيقافها إذا تسببت في مشاكل أو إذا احتاج العلاج إلى التوقف. اختبر الباحثون العديد من المضادات الحيوية الشائعة لمعرفة أي منها يمكنه إزالة البكتيريا من داخل كرات الورم. ووجدوا أن بعض الأدوية، مثل "تيجيسيكلين" (tigecycline)، قامت فقط بإيقاف نمو البكتيريا مؤقتاً؛ فبمجرد زوال مفعول الدواء، بدأت البكتيريا في التكاثر مرة أخرى. ومع ذلك، فإن مضادات حيوية أخرى، وتحديداً "أوجمنتين" (augmentin) و"فانكومايسين" (vancomycin)، عملت كمقتلات حقيقية، حيث قضت على التجمعات البكتيرية تماماً وتركت كرات الورم سليمة وخالية من العدوى. هذا التمييز حيوي، لأنه يثبت أن النموذج يمكنه التمييز بين الأدوية التي تكتفي بإبطاء نمو البكتيريا وتلك التي يمكنها القضاء عليها تماماً.

أخيراً، اختبر الفريق علاجاً سرطانياً محدداً يسمى "العلاج الإنزيمي الموجه بالكلوستريديوم" (Clostridium-Directed Enzymatic Prodrug Therapy). في هذا النهج، يتم تعديل البكتيريا وراثياً لحمل أداة خاصة تحول دواءً غير ضار إلى سم، ولكن فقط داخل الورم حيث تعيش البكتيريا. أضاف الباحثون هذه البكتيريا المعدلة والدواء غير الضار إلى نماذج الورم الخاصة بهم. وفي نماذج سرطان الفئران، تسبب الجمع بينهما في انكماش كرات الورم بشكل ملحوظ أكثر مما لو استُخدمت البكتيريا أو الدواء بمفردهما. وأظهرت نماذج السرطان البشري اتجاهاً مشابهاً لتثبيط النمو، وإن كان التأثير أقل وضوحاً. طابقت هذه النتائج ما رآه العلماء سابقاً في الحيوانات الحية، مما أكد أن هذه الكرة البسيطة ثلاثية الأبعاد من الخلايا يمكنها التنبؤ بدقة بكيفية أداء علاج بكتيري معقد في جسم كائن حي.

من خلال إنشاء نظام يلتقط القلب الميت والمحروم من الأكسجين داخل الورم، قدم الباحثون أداة جديدة قوية لمستقبل علاج السرطان. يسمح هذا النموذج للعلماء بفحص عشرات السلالات البكتيرية والتركيبات الدوائية بسرعة وبطريقة أخلاقية، واستبعاد تلك التي لن تنجح قبل اختبارها أبداً على حيوان أو إنسان. إنه يقدم مساراً واضحاً نحو صقل هذه الأدوية الحية، لضمان أنها عندما تصل أخيراً إلى العيادات، ستكون آمنة، وفعالة، وجاهزة لاستهداف أكثر أجزاء السرطان خطورة.