Sử dụng vi khuẩn điều trị ung thư - một liệu pháp tiềm năng
Nguyễn Thế Phong1*, Lê Tài Đức2, Dương Mỹ Phụng1, Nguyễn Thanh Nam1, Nguyễn Thuận Lợi1, Lý Huỳnh Thư Hà1, Đặng Hồng My2
1Sinh viên Viện Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ sinh học, Đại học Cần Thơ, Cần Thơ, Việt Nam.
2Sinh viên Khoa Ngoại ngữ, Đại học Cần Thơ, Cần Thơ, Việt Nam.
*Mọi thắc mắc xin liên hệ: nguyenphongbio@gmail.com
Từ khóa: vi khuẩn, Clostridium novyi-NT, Salmonella, ung thư, hoại tử, liệu pháp.
Tóm tắt: Theo thống kê của Dự án phòng chống ung thư Quốc gia, mỗi năm ở Việt Nam có khoảng 70.000 người chết vì ung thư, hơn 200.000 người mắc căn bệnh này và điều đáng lưu ý là con số này được ước tính sẽ tiếp tục gia tăng (1). Do đó, việc tầm soát và chữa trị ung thư tại Việt Nam đã được đẩy mạnh và có nhiều thành tựu đáng kể. Bài viết này đề cập đến một phương pháp tiềm năng trong điều trị ung thư bằng cách sử dụng vi khuẩn. Vi khuẩn thường cư trú trong khối u để trốn tránh hệ miễn dịch vì đây là nơi hệ miễn dịch hoạt động kém hiệu quả. Vi khuẩn có thể xác định chính xác vị trí của khối u và sinh trưởng bên trong khối u. Vi khuẩn có thể giúp hệ miễn dịch tấn công tế bào ung thư, gây ly giải khối u, phân phối thuốc vào khối u và cạnh tranh nguồn dinh dưỡng với các tế bào ung thư.
I. Tiềm năng ứng dụng của vi khuẩn trong điều trị các khối u đặc (solid tumor)
Thiếu oxy là đặc điểm của hầu hết các khối u đặc, nhất là đối với các phần bên trong của các khối u lớn. Sự thiếu ôxy (hypoxia) trong khối u có khả năng kích hoạt các chương trình sinh tồn và kháng thuốc, thông qua đó giúp tế bào ung thư sửa chữa các tổn thương gây ra do hoá trị và xạ trị, và kháng lại các phương pháp điều trị này. Đây là một trong các nguyên nhân và cơ chế quan trọng giúp tế bào ung thư kháng thuốc.
Tuy nhiên, những hạn chế này có thể được khai thác để điều trị ung thư một cách chính xác và hiệu quả hơn, chẳng hạn như sử dụng các vi khuẩn kị khí bắt buộc hoặc kị khí tuỳ ý (2). Vi khuẩn có thể phát triển tự nhiên trong các khối u vì đây là những vùng mà hệ miễn dịch hoạt động hạn chế. Đây là điều kiện lý tưởng để vi khuẩn trốn tránh hệ miễn dịch và tìm kiếm một nơi an toàn như các khối u để phát triển (3). Một số chủng Clostridia, Bifidobacteria và Salmonella có thể lựa chọn định cư ở các khu vực thiếu oxy của khối u và tiêu diệt các tế bào khối u, thông qua đó có thể cung cấp các liệu pháp điều trị ung thư chính xác và hiệu quả hơn.
Liệu pháp điều trị trúng đích có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp truyền thống. Thực vậy, hiệu quả của hóa trị và xạ trị vẫn còn thấp đối với một số trường hợp khối u đặc (solid tumor) nhưng lại gây ra nhiều tác dụng phụ. Vì vậy, liệu pháp sử dụng vi khuẩn để tấn công khối u một cách chọn lọc, chính xác (nhất là các khối u yếm khí) sẽ có thể giúp nâng cao hiệu quả điều trị và giảm tác dụng phụ lên các tế bào lành.
II. Tiêu chí khi chọn một chủng vi khuẩn chống ung thư lý tưởng
Chúng ta cần phải kiểm tra 6 tiêu chí khi chọn 1 chủng vi khuẩn chống ung thư lý tưởng:
1. Không gây độc hại cho vật chủ
2. Chỉ có thể sinh trưởng trong các khối u
3. Có khả năng di động và phân tán đồng đều khắp khối u (bao gồm cả vùng thiếu oxy máu)
4. Chủng vi khuẩn có thể bị loại bỏ từ từ và hoàn toàn khỏi vật chủ
5. Không gây phản ứng miễn dịch, và
6. Có thể gây ly giải khối u bằng cách cạnh tranh dinh dưỡng với khối u và sản xuất cytotoxins.
Tuy nhiên, việc sàng lọc các tiêu chí này là rất tốn kém và mất nhiều thời gian (3). Hơn nữa, việc tìm kiếm 1 chủng vi khuẩn hội tụ đầy đủ 6 tiêu chí như vậy là rất khó khăn. Một số nhóm vi khuẩn kị khí như Clostridium, Bifidobacterium và Salmonella spp có thể tìm đến và xâm nhập vào các khối u. Để có thể sử dụng chúng vào việc điều trị ung thư, cần phải loại bỏ độc tố cũng như gen độc của chúng.
Một số chủng vi khuẩn kị khí như Clostridium novyi có độc tố gây chết vật chủ khi sử dụng trong điều trị ung thư. Có nhiều phương pháp loại bỏ gen mã hóa độc tố của vi khuẩn, chẳng hạn như sốc nhiệt để loại bỏ gen độc tố gây chết người ToxA và ToxB của C. novyi (3, 4, 5, 7, 8)
Hình 1: Sau khi sốc nhiệt, thực hiện phản ứng PCR sử dụng cặp mồi PlcA và PlcB để khuếch đại gen độc tố của vi khuẩn Clostridium novyi. Sau phản ứng, 2 cột ToxA và ToxB không xuất hiện vệt sáng cho thấy chủng vi khuẩn Clostridium novyi-NT là chủng đã được loại bỏ 2 gen độc tố ToxA và ToxB. (Long H. Dang et al, 2001) (4).
Mặc dù C. novyi-NT đã bị loại bỏ gen ToxA và ToxB nhưng khả năng xâm nhập và gây hoại tử khối u tương tự với chủng hoang dại C. novyi. Đã có một số thử nghiệm tiền lâm sàng (pre-clinical) và lâm sàng (clinical) đã được tiến hành.
III. Liệp pháp phối hợp thể tiêu khuẩn (Combination bacteriolytic therapy)
Sau khi chủng vi khuẩn C. novyi-NT được chọn lọc và loại bỏ gen độc tố, vi khuẩn sẽ được sử dụng cho thí nghiệm tiếp theo. Tiêm bào tử vi khuẩn vào khối u và có phối hợp với hóa trị, khi đó vi khuẩn sẽ ly giải khối u. Chiến lược điều trị này được gọi là liệu pháp phối hợp thể tiêu khuẩn. Bào tử vi khuẩn được tiêm theo đường tĩnh mạch sẽ trải đều các vùng có ít mạch máu và phát triển ở các vùng hoại tử của khối u, sau đó phá hủy các tế bào ung thư tại vùng hoại tử. Nhưng vi khuẩn không tiêu diệt khối u hoàn toàn mà để lại 1 vòng tế bào sống ở vùng ngoại vi khối u. Đối với liệu pháp phối hợp cảm nhiễm thể tiêu khuẩn, vi khuẩn sẽ gây hoại tử khối u từ trong ra ngoài, hóa trị tác động từ bên ngoài vào trong khối u, khi đó khối u sẽ gần như được loại bỏ hoàn toàn. Tuy nhiên, cơ chế giết tế bào ung thư của vi khuẩn khi nảy mầm từ bào tử vẫn chưa rõ ràng. Một số loài vi khuẩn khác nảy mầm trong vùng hoại tử khối u, nhưng đã không gây độc đối với các tế bào ung thư (5, 7).
Hình 2: (A) Chuột thí nghiệm mang tế bào ung thư đại trực tràng HCT116 ở dưới da được tiêm bào tử C. novyi-NT theo đường tĩnh mạch đuôi chuột. Sau 0,3 ngày thì bắt đầu xuất hiện xuất huyết hoại tử ở vùng trung tâm khối u. Khi phối hợp tiếp với thuốc Dolastatin-10 và MMC (mitomycin C), khối u thu nhỏ và dần dần bị triệt tiêu. (B) Nhóm chuột (hình trên) chỉ điều trị bằng hóa trị thì khối u vẫn còn, với nhóm chuột (hình dưới) điều trị bằng vi khuẩn kết hợp với hóa trị hay liệu pháp phối hợp cảm nhiễm thể tiêu khuẩn thì khối u dường như đã được loại bỏ hoàn toàn (4).
Phương pháp điều trị này chỉ nằm trong phạm vi thử nghiệm trên chuột mang tế bào ung thư đại trực tràng HCT116 và chỉ sử dụng chủng vi khuẩn C. novyi-NT phối hợp với 2 loại thuốc hóa trị. Liệu pháp này sử dụng vi khuẩn kết hợp với hóa trị để tăng khả năng tiêu diệt tế bào ung thư. Khi kết hợp với một số loài vi khuẩn không gây độc tế bào ung thư, thuốc hóa trị sẽ có khả năng tấn công những tế bào ung thư còn sót lại hiệu quả hơn. Mặc dù liệu pháp vẫn còn dùng thuốc hóa trị nhưng liều lượng sử dụng và khả năng kháng thuốc của tế bào ung thư đã giảm, hiệu quả điều trị được tăng lên, giảm chi phí điều trị.
IV. Tiềm năng trị bệnh ung thư của vi khuẩn Salmonella
Trong số các vi khuẩn sử dụng để điều trị ung thư, Salmonella cũng được đánh giá cao bởi vì chúng xác định vị trí khối u chuyên biệt, là vi khuẩn kị khí tùy ý, có khả năng tấn công chính xác nhiều loại khối u khác nhau, có một bộ gen đầy đủ trình tự và chúng có sẵn độc tính tự nhiên (10). Nhờ đó, chúng có thể kìm hãm hiệu quả sự tiến triển của nhiều loại ung thư như ung thư gan, lá lách, đại tràng…Vi khuẩn Salmonella typhimurium có thể phát triển tự nhiên trong các khối u ác tính và chỉ đường cho hệ miễn dịch giết chết tế bào ung thư. Ngoài ra, vi khuẩn có thể di chuyển nhắm đến mục tiêu và tấn công các khối u di căn (6, 8, 9).
Nhóm nghiên cứu của Nguyễn Hồng Vũ và cộng sự đã nghiên cứu thử nghiệm điều trị ung thư ở chuột bằng cách sử dụng vi khuẩn đường ruột Salmonella typhimurium. Đầu tiên, vi khuẩn được gây đột biến để các gen độc trở nên yếu đi. Sau đó gắn thêm gen phát sáng để có thể dễ dàng định vị vi khuẩn trong quá trình điều trị. Nhóm nghiên cứu sử dụng một loại protein để gây độc tế bào ung thư có tên là cytolysin A được mã hóa bởi gen ClyA. Cytolysin A là một protein độc, gây tan máu, có trọng lượng phân tử 34 kDa, được tìm thấy trong E. coli và Salmonella. Để có thể sử dụng protein này trong điều trị mà không gây độc tế bào lành, nhóm nghiên cứu sử dụng promoter cảm ứng PBAD từ hệ thống biểu hiện gen là operon arabinose của E. coli. Hệ thống được kích hoạt bởi đường L-arabinose, khi đó vi khuẩn sẽ biểu hiện gen ClyA và mã hóa protein độc tố tiêu diệt tế bào ung thư. Dựa vào gen phát sáng, có thể xác định vị trí vi khuẩn có trong khối u và xác định được thời điểm tiêm đường L-arabinose tối ưu để điều trị hiệu quả. Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả điều trị ung thư biểu mô ruột kết và ung thư phổi di căn bằng vi khuẩn tốt hơn hơn so với dùng hóa trị. Nhóm chuột có vi khuẩn trong khối u nhưng không tiêm đường L-arabinose có hiệu quả điều trị kém hơn so với nhóm chuột được tiêm L-arabinose. Kết quả này đúng đối với cả hai loại bệnh ung thư kể trên (11). Các phát hiện này cho thấy tiềm năng to lớn của việc sử dụng vi khuẩn trong điều trị ung thư.
Kết luận: Việc sử dụng vi khuẩn để điều trị bệnh ung thư là một phương pháp điều trị rất mới tại Việt Nam, nhưng trên thế giới đã xuất hiện từ lâu. Phương pháp điều trị dựa trên cơ chế sinh tồn của vi khuẩn, chúng sống trong khối u để tránh hệ miễn dịch tấn công mình. Sử dụng Clostridium novyi-NT phối hợp với thuốc hóa trị điều trị ung thư cho hiệu quả cao. Salmonella typhimurium có thể chỉ đường cho hệ miễn dịch tấn công tế bào ung thư. Chúng còn có thể di chuyển và tấn công các khối u di căn. Các chủng vi khuẩn đều được loại bỏ độc tính trước khi tiêm vào vật chủ. Các nghiên cứu tập trung chủ yếu sử dụng vi khuẩn để điều trị khối u đặc thiếu oxy và ung thư kháng các liệu pháp điều trị truyền thống. Chi phí điều trị ung thư bằng vi khuẩn thấp hơn so với các phương pháp khác, do vi khuẩn dễ nuôi cấy, tốc độ tăng trưởng rất nhanh, có khả năng tấn công ung thư một cách chọn lọc, chính xác và không gây hại tế bào lành. Các nghiên cứu và thử nghiệm lâm sàng vẫn đang được tiếp tục tiến hành nhằm tối ưu hoá hơn nữa giải pháp điều trị ung thư nhiều tiềm năng này.
Về tác giả
Nguyễn Thế Phong là sinh viên ngành sinh học của Viện NC & PT Công nghệ sinh học – đại học Cần Thơ, đã nộp đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường với vị trí là chủ nhiệm đề tài. Dương Mỹ Phụng và Lý Huỳnh Thư Hà là sinh viên ngành công nghệ sinh học tiên tiến của Viện NC & PT Công nghệ sinh học – đại học Cần Thơ, chương trình tiên tiến hợp tác với trường đại học Michigan State – Hoa Kỳ. Nguyễn Thuận Lợi và Nguyễn Thanh Nam là sinh viên ngành công nghệ sinh học của Viện NC & PT Công nghệ Sinh học – Đại học Cần Thơ. Lê Tài Đức và Đặng Hồng My là sinh viên ngành ngôn ngữ Anh của Khoa Ngoại ngữ - Đại học Cần Thơ. Đại học Cần Thơ (ĐHCT) là cơ sở đào tạo đại học và sau đại học trọng điểm của Nhà nước ở đồng bằng sông Cửu Long, là trung tâm văn hóa - khoa học kỹ thuật của vùng.
Tài liệu tham khảo
1. http://suckhoecuocsong.com.vn/suc-khoe/giat-minh-khi-viet-nam-thuoc-top-2-the-gioi-ve-ty-le-mac-ung-thu.htm [Ngày truy cập: 26/8/2016]
2. Gardlik R, Behuliak M, Palffy R, Celec P, Li C (2011) Gene therapy for cancer: bacteria-mediated anti-angiogenesis therapy. Gene Therapy 18:425-431.
3. Jain, R. K., & Forbes, N. S. (2001). Can engineered bacteria help control cancer?. Proceedings of the National Academy of Sciences, 98(26), 14748-14750.
4. Dang, L. H., Bettegowda, C., Huso, D. L., Kinzler, K. W., & Vogelstein, B. (2001). Combination bacteriolytic therapy for the treatment of experimental tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences, 98(26), 15155-15160.
5. Agrawal, Nishant., et al. (2004). Bacteriolytic therapy can generate a potent immune response against experimental tumors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 101(42), 15172-15177.
6. Uchugonova, A., Zhao, M., Zhang, Y., Weinigel, M., Koenig, K., & Hoffman, R. M. (2012). Cancer-cell killing by engineered Salmonella imaged by multiphoton tomography in live mice. Anticancer research, 32(10), 4331-4337.
7. Staedtke, V., Roberts, N. J., Bai, R. Y., & Zhou, S. (2016). Clostridium novyi-NT in cancer therapy. Genes & Diseases.
8. Roberts, Nicholas J., et al. (2014). Intratumoral injection of Clostridium novyi-NT spores induces antitumor responses. Science translational medicine, 6(249), 249ra111-249ra111.
9. Hayashi, K., Zhao, M., Yamauchi, K., Yamamoto, N., Tsuchiya, H., Tomita, K., & Hoffman, R. M. (2009). Cancer metastasis directly eradicated by targeted therapy with a modified Salmonella typhimurium. Journal of cellular biochemistry, 106(6), 992-998.
10. Nguyen VMin J (2016) Salmonella-Mediated Cancer Therapy: Roles and Potential. Nucl Med Mol Imaging.
11. Nguyen V et al. (2009) Genetically Engineered Salmonella typhimurium as an Imageable Therapeutic Probe for Cancer. Cancer Research 70:18-23.
