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

All'interno dei tumori più ostinati del corpo, si forma spesso un paesante strano e pericoloso. Mentre le cellule cancerose si moltiplicano con velocità sconsiderata, superano la capacità del proprio apporto di sangue, creando sacche di profonda carestia dove l'ossigeno non può raggiungere. Queste aree muoiono, trasformandosi in tessuto necrotico, un segno distintivo di malattie aggressive che solitamente segnala una prognosi infausta per il paziente. Eppure, questa zona morta custodisce un segreto unico: è l'unico luogo in cui certi tipi di batteri, che non possono sopravvivere in presenza di ossigeno, possono prosperare. Gli scienziati sanno da tempo che questi batteri anaerobi cercano naturalmente di colonizzare i nuclei tumorali morenti. Questa scoperta ha dato il via a uno sforzo durato decenni per trasformare questi invasori microscopici in alleati, ingegnerizzandoli per somministrare farmaci o stimolare il sistema immunitario ad attaccare il cancro dall'interno.

Tuttavia, prima che queste medicine viventi possano essere testate sugli esseri umani, i ricercatori devono dimostrare che funzionino in modo sicuro ed efficace. I test tradizionali in laboratorio, che utilizzano strati piatti di cellule in una capsula di Petri, non riescono a ricreare il centro morto e privo di ossigeno di un tumore, rendendo impossibile vedere se i batteri troveranno effettivamente il loro bersaglio. Al contrario, testare direttamente sugli animali solleva serie preoccupazioni etiche ed è spesso troppo complesso per esaminare rapidamente diversi ceppi batterici. Per colmare questo divario, un team di ricercatori dell'Università di Maastricht ha sviluppato un nuovo modello tridimensionale che imita le reali condizioni all'interno di un tumore, permettendo loro di osservare come si comportano questi batteri in un ambiente che assomiglia da vicino al corpo umano.

I ricercatori hanno iniziato facendo crescere piccoli ammassi a forma di sfera di cellule cancerose provenienti da tre diverse fonti: due tipi di cancro murino e un tipo di cancro al colon umano. Hanno lasciato che questi ammassi crescessero fino a sviluppare i propri nuclei morti interni, proprio come fanno i tumori reali. Una volta formati questi nuclei necrotici, il team ha introdotto spore di Clostridium sporogenes, un batterio non nocivo che è sicuro per gli esseri umani ma che ama vivere in ambienti privi di ossigeno. Hanno osservato che i batteri si schiudevevano con successo dalle loro spore e si spostavano in profondità nei centri morti delle sfere cellulari. Nei modelli di cancro murino, i batteri sono cresciuti con tale vigore da far sì che l'intero ammasso tumorale si sfaldasse, mentre nei modelli di cancro umano, i batteri si sono stabiliti e sono rimasti stabili, rispecchiando ciò che accade negli animali vivi.

Con i batteri che colonizzavano con successo questi modelli, il team si è concentrato sulla sicurezza. Una grande preoccupazione nell'uso dei batteri come medicina è la capacità di fermarli se causano problemi o se il trattamento deve terminare. I ricercatori hanno testato diversi antibiotici comuni per vedere quali potessero eliminare i batteri dall'interno degli ammassi tumorali. Hanno scoperto che alcuni farmaci, come la tigeciclina, solo interrompevano la crescita dei batteri; una volta terminato l'effetto del farmaco, i batteri ricominciavano a moltiplicarsi. Tuttavia, altri antibiotici, specificamente l'augmentin e la vancomicina, agivano come veri killer, eliminando completamente la popolazione batterica e lasciando gli ammassi tumorali intatti e privi di infezione. Questa distinzione è fondamentale, poiché dimostra che il modello può distinguere tra i farmaci che semplicemente rallentano i batteri e quelli che possono eliminarli del tutto.

Infine, il team ha testato una specifica terapia contro il cancro chiamata Terapia Enzimatica con Prodrug direzionata dal Clostridium. In questo approccio, i batteri sono modificati geneticamente per trasportare uno strumento speciale che converte un farmaco innocuo in un veleno, ma solo all'interno del tumore dove vivono i batteri. I ricercatori hanno aggiunto questi batteri ingegnerizzati e il farmaco innocuo ai loro modelli tumorali. Nei modelli di cancro murino, la combinazione ha causato una riduzione significativa del volume degli ammassi tumorali rispetto all'uso dei soli batteri o del solo farmaco. I modelli di cancro umano hanno mostrato una tendenza simile di inibizione della crescita, sebbene l'effetto fosse meno pronunciato. Questi risultati corrispondevano a quanto i ricercatori avevano precedentemente osservato negli animali vivi, confermando che questo semplice ammasso tridimensionale di cellule può prevedere accuratamente come una complessa terapia batterica si comporterà in un organismo vivente.

Creando un sistema che cattura il cuore morto e privo di ossigeno di un tumore, i ricercatori hanno fornito un potente nuovo strumento per il futuro del trattamento del cancro. Questo modello permette agli scienziati di esaminare rapidamente ed eticamente decine di ceppi batterici e combinazioni di farmaci, filtrando quelli che non funzioneranno prima ancora di testarli su un animale o su una persona. Offre un percorso chiaro per perfezionare queste medicine viventi, garantendo che, quando raggiungeranno infine la clinica, siano sicure, efficaci e pronte a colpire le parti più pericolose del cancro.