Bakteriální duchové ve službách medicíny

Originálním názvem „bakteriální duchové" (angl. bacterial ghosts, BG) jsou označovány prázdné buněčně obaly bakterií, zbavené cytoplasmatického obsahu. Základní koncept bakteriálních duchů se objevil poprvé v roce 1990 při studiích lytického cyklu bakteriofága PhiX174 v bakteriích Escherichia coli. Tento bakteriální virus donutí svého hostitele k produkci proteinu E, zodpovědného za vytváření transmembránového tunelu v buněčné stěně bakterie. Otvor o velikosti 40-80 nm poté způsobí vznik podtlaku, který z bakterie vysaje vnitřní obsah a zanechá jen prázdnou schránku z buněčné stěny. E-zprostředkovaná lyze (E lyze) je ale účinná jen u Gram-negativních bakterií, jejichž stěna je tvořena převážně lipopolysacharidy a pouze tenkou vrstvou peptidoglykanu.

Tyto prázdné bakteriální schránky nachází mnohé uplatnění jak v biotechnologickém průmyslu, tak v biomedicíně a skýtají mnohé možnosti, které jsou předmětem současného výzkumu.

Ilustr. obr.:2008.igem.org/wiki/images/1/1a/BGkoncnacopy.gif

Imunologie, onkologie, biotechnologie

První medicínskou oblastí, ve které si našli bakteriální duchové uplatnění je imunologie. Nevýhodou dnešních vakcín je nutnost použití přídavného adjuvants, látky, která stimuluje počáteční adaptivní imunitní odpověď na podaný antigen. Dalším problémem je, že používané vakcíny pro aktivní imunizaci jsou připravovány pomocí metod narušujících strukturu bakteriálního antigenu (použití chemikálií, vysokých teplot, ozáření). Tím dochází ke snížení účinnosti připravené vakcíny. Neposledním úskalím je horizontální přenos genetické informace nukleovými kyselinami bakterií použitých pro vakcinaci. Tady se ukazuje použití bakteriálních duchů jako elegantní alternativou. Po jejich lyzi dochází k vypuzení cytoplasmatického obsahu spolu s DNA a RNA. Riziko horizontálního přenosu genetické informace a vznik rezistence, popř. přenos patogenních vlastností je tedy v podstatě nulový. Příprava bakteriálních obalů je ve většině případu jednoduchou záležitostí, při kterém je po zásahu genovým inženýrstvím u bakterií řízeně indukována produkce proteinu E, který kódován virovým genomem. Při lyzi tentokrát nedochází k narušování povrchových struktur (pili, bičíky, lipopolysacharidové struktury) a antigenních vlastností. Tím může být docílena zásadní redukce potřebného množství imunogenního materiálu a jednoduchost přípravy. Nakonec, není potřeba využití žádného přídavného adjuvants pro indukci imunitní odpovědi. Přesto, některé otázky využití vakcín a příprava bakteriálních duchů některých typů bakterií stále není vyřešena. Aktuální studie ovšem poskytují velice slibné výsledky na zvířecích modelech. Takové vakcíny mohou být lyofilizovány a následně jednoduše uchovány ve formě prášku při pokojových teplotách. Pro injekční použití stačí přidání vody, popř. jiného roztoku. Hudbou budoucnosti není ani mukosální užití (orální, intranasální, intraokulární, intravaginální, rektální, aerogenní).

Fúzí proteinu, který je klasicky přítomný na povrchu dané bakterie, s proteinem nebo jiným typem antigenní částice patogenu, lze využít prázdných bakteriálních obalů jako nosičů cizorodých antigenů. Takto může být docílena imunizace proti velkému spektru částic, které jinak unikají imunitnímu systému. Odpověď na fúzované molekuly se ukázala být mnohem vyšší, než na samostatný antigen.
Další oblastí, kde nachází bakteriální duchové využití, je nádorová terapie. Dobré výsledky přináší aplikace na různé druhy melanomů. Ty mají stejně jako některé buňky imunitního systému schopnost fagocytózy. Upravené bakteriální stěny nesoucí uvnitř léčebný přípravek slouží jako jakési balíky, jejichž adresát může být zacílen povrchovou úpravou adhezivních molekul.

Chemoterapeutikum doxorubicin (DOX) je látka, užívaná k léčbě některých druhů tumorů jako je například rakovina střeva. Nevýhodou tohoto léku jsou jeho s množstvím se stupňující negativní vedlejší účinky na správnou funkci srdce. Z tohoto důvodu je terapie doxorubicinem omezena určitou kritickou dávkou. DOX navázaný na cytoplasmatický kompartment bakteriálních duchů. Takto „odeslaná zásilka" doxorubicinu výrazně snižuje minimální účinnou dávku a tím i vedlejší účinky na funkci srdce.

Existuje nespočet dalších příkladů využití bakteriálních duchů v medicínské praxi, které bohužel překračují rámec tohoto článku. Koncept „bakteriálních paketů" obsahujících specifické látky/molekuly ovšem nachází uplatnění i při designu nových probiotik a v biotechnologickém průmyslu. Na bakteriální stěny lze zakotvit proteiny s enzymatickou aktivitou a tím vytvořit jakési zjednodušené enzymatické reaktory s vyšší a lépe definovatelnou aktivitou účastnící se anabolitických či katabolitických procesů. Příkladem je na buněčnou stěnu zachycená beta-galaktosidáza schopná štěpit mléčný cukr laktózu na glukózu a galaktózu, probiotika umožňující vyvarovat se nesnášenlivosti laktózy. Polyamin hydrolázy mohou předcházet alergickým reakcím na některé složky potravin, stejně jako bakteriální duchové nesoucí alkohol dehydrogenázu redukují ethanol absorbovaný po požití alkoholu.

Obrovská škála uplatnění bakteriálních duchů, jako vakcín nebo nosičů aktivních částic, je přístupná díky svému jednoduchému konceptu a možnosti produkce takových kultur v konvenčních fermentorech a jiných dostupných zařízení za relativně nízkých nákladů. Tím se mimo jiné otevírá cesta k „medicínským vymoženostem" i pro rozvojové země. Díky jednoduché infrastruktuře a cenové dostupnosti uvedeného designu lze dosáhnout masové vakcinace a bojovat proti triviálním nemocem, jejichž úskalím je v rozvojových zemích právě nedostupnost léčebných prostředků a financí pro vybudování stabilní infrastruktury.

Autor: Martin Jacko

Lubitz, P., Mayr, U.B., Lubitz, W., (2009). Applications of Bacterial Ghosts in Biomedicine. Advances in experimental medicine and biology Vol. 655, 159-170.
Riedmann, E.M., Kyd, J.M., Cripps, A.W., Lubitz, W. (2007). Bacterial ghosts as adjuvant particles. Expert Revew of Vaccines Vol. 6, No. 2, 241-253.