فناوری مبتنی بر مخمر برای مبارزه با سرطان

توانایی مهندسی دقیق مخمر در کنار شباهت ژنتیکی و متابولیکی آن با سلول‌های سرطانی، باعث شده است از این میکروارگانیسم در پژوهش‌های سرطانی استفاده شود. پژوهشگران از مخمر به عنوان میکروارگانیسم مدل برای مبارزه با سرطان استفاده‌ می‌کنند.

قابلیت‌های مخمر برای پژوهش‌های مربوط به سرطان

مخمر یکی از میکروارگانیسم‌های مدل برای پژوهش‌های مرتبط با سرطان است. به خاطر پیچیدگی که در انواع مختلف تومور‌ها برای ایجاد خواص بدخیم وجود دارد، پژوهشگران از مدل‌های تئوری یا میکروارگانیسم‌های مدل برای ساده‌سازی ناهنجاری‌های سرطانی استفاده‌ می‌کنند. به عنوان مثال، در طول تکامل بسیاری از مسیرهای سوخت و ساز در میکروارگانیسم‌های مختلف ثابت (و مشابه) مانده است. بنابراین به جای مطالعه‌ی سلول‌های پیچیده در بافت طبیعی،‌ می‌توان از میکروارگانیسم‌های مدل (و ساده‌تر) استفاده کرد.

در طول زمان، از مخمر به عنوان میکروارگانیسم مدل برای پژوهش‌های مختلف استفاده شده است. به همین دلیل، اطلاعات زیادی درباره آن‌ها وجود دارد. همه این ویژگی‌ها باعث شده است که از این میکروارگانیسم برای تولید مولکول‌های دارویی و پروتئین‌های پیچیده استفاده شود. با کمک مخمرها، پیشرفت‌های زیادی در زمینه‌ی مبارزه با سرطان بوجود آمده است.

کشف و توصیف پدیده‌های حیاتی زیستی به کمک برخی از مخمرها مثل ساکارومایسس سرویزیه، کمک فراوانی برای فهم ساز و کار پیشرفت سرطان به انسان کرده است (شکل 1 الف). یکی از فرآیندهای مهم در سرطان خودخواری (autophagy) نام دارد. این فرآیند از طریق کپسوله کردن و تخریب مواد، ترکیبات مایع درون‌سلولی را بازیابی‌ می‌کند. خودخواری برای تخریب پروتئین‌ها، اندامک‌ها و موادی که در سلول دیگر کارایی ندارند، در حد مورد نیاز در سلول انجام‌ می‌گیرد. این پدیده نقش اساسی در پیشگیری از تومورزایی ایفا‌ می‌کند. به این ترتیب که با تخریب مناسب ژن‌های تومورزا یا ترکیبات ناکارآمد در سلول مانع از ایجاد تومور‌ می‌شود. برخی از مواردی که کارایی خود را از دست داده‌اند، مثل میتوکندری که ترکیبات اکسیژنی فعال تولید‌ می‌کند، خطر جهش‌زایی را در سلول افزایش‌ می‌دهد.

شکل 1- چهار محور اساسی برای مخمر در مبارزه با سرطان

کشف داروهای ضد سرطان با روش‌های توان بالا مبتنی بر مخمر

فهم ساز و کار ایجاد تومور باعث کشف ژن‌های جدید مرتبط با سرطان شده است. با این کشف‌ می‌توان داروهایی تولید کرد که سرطان را بهتر هدف قرار‌ می‌دهد. شیمی‌درمانی مبنای روش‌های سنتی برای درمان سرطان است. این روش عوارض جانبی زیادی دارد که در بعضی موارد با بازگشت تومور همراه‌ می‌شود.

تغییر مداوم در روش‌های درمان سرطان نشان‌ می‌دهد که تومور‌ها در افراد مختلف متفاوت است. در نتیجه‌ی این امر، تقریباً برای هر فرد یک روش خاص برای مبارزه با سرطان تعریف‌ می‌شود. در سال‌های اخیر تعداد مجوز‌های ارائه شده برای داروهای مختلف که با استفاده از یک مولکول کوچک یا پادن، یک ژن یا مسیر خاص تومورزا را هدف قرار‌ می‌دهد، افزایش یافته است. این داروها همراه الگوهای بالینی توالی‌یابی ژنومی و ترنسکریپتومیک تومور تعیین‌ می‌کند که برای هر فرد چه ترکیبی از روش‌های درمانی بهترین نتیجه را خواهد داشت.

برای مخمر طیف وسیعی از ارزیابی‌ها برای شناسایی اهداف دارویی و درمان‌های جدید به شکل توان بالا وجود دارد. به خصوص ارزیابی‌هایی که در آن از اطالاعات گسترده‌ی سویه‌ها استفاده‌ می‌شود. برای نمونه، با کمک طرح‌های ژنومیک شیمیایی (chemogenomic) بر اساس مخمر، مثل پروفایل‌سازی ناقص هاپلو (haploinsufficiency profiling) و پروفایل‌سازی هموزیگوت (homozygous profiling)،‌ می‌توان ترکیباتی را شناسایی کرد که (به ترتیب) قادرند هاپلوی ناقص را برای یک ژن هدف و ژن‌های محافظ سلولی القا کنند. ژن‌های محافظ وظیفه حفاظت از سلول را در مقابل ترکیبات مشخص بر عهده دارند.

با کمک طرح‌های ژنومیک شیمیایی مبتنی بر مخمر می‌توان مشخص کرد که یک مولکول کوچک در عملکرد کدام پروتئین تداخل ایجاد‌ می‌کند. از جمله کاربردهای این روش‌ می‌توان به تأیید برهم‌کنش بین متوتروکسات (عامل شیمی‌درمانی) و پروتئین Dfr1 با استفاده از پروفایل‌سازی ناقص هاپلو و همچنین، تشخیص پروتئین‌های راد (Rad proteins) با استفاده از پروفایل‌سازی هموزیگوت اشاره کرد (پروتئین‌های راد باعث مقاومت DNA در برابر ترکیبات مخرب‌ می‌شود).

تحلیل برهم‌کنش‌های ژنتیکی در مخمر را‌ می‌توان با استفاده از تحلیل آرایه ژنتیک مصنوعی (synthetic genetic array) انجام داد. این فناوری باعث ساخت و رشد پروفایل‌سازیِ سریع برای دوگانه‌های سرکوب شده‌ می‌شود. از این روش‌ می‌توان برای شناسایی مرگ‌آوری ترکیبی (synthetic lethality) بین ژن‌ها استفاده کرد. مرگ آوری ترکیبی ژن‌ها، زمانی است که سلول تنها با از هم گسیختنِ هم‌زمانِ دو یا چند ژن نتواند زنده بماند. به این ترتیب، این ژن‌ها به عنوان مرگ‌آور ترکیبی شناخته‌ می‌شوند.

از مرگ‌آوری ترکیبی برای درمان سرطان‌های ناشی از نقص ژن‌های سرکوب‌گر تومور استفاده‌ می‌شود. در این نوع از سرطان‌ها که یک یا چند ژن سرکوب‌گر تومور ناقص هستند، با هدف قرار دادن دیگر ژنِ شرکت کننده در برهم‌کنش مرگ‌آوری ترکیبی، سلول سرطانی از بین خواهد رفت (شکل 1 ب). با این فناوری‌ می‌توان داروهای قبلی استفاده شده در درمان سرطان را بدون هزینه‌های زیاد تحقیق و توسعه، دوباره هدف‌دهی کرد.

تعداد زیادی از برهم‌کنش‌های مرگ‌آور ترکیبی بین ژن‌های سرکوب‌گر تومور و ژن‌های قابل هدف‌گیری از طریق غربال‌گری برهم‌کنش ابتدایی در مخمر ساکارومایسس سرویزیه شناسایی شده است (شکل 2). به عنوان مثال، در یک پژوهش، با اجرای فرآیند غربالگری با استفاده از تحلیل آرایه ژنتیک مصنوعی مخمر، تعداد زیادی از برهم‌کنش‌های مرگ‌آور ترکیبی شناسایی شد. هدف از این تحلیل، کشف برهم‌کنش‌های بین ژن‌هایی بود که مشابه انسانی آن‌ها ژن‌های سرکوب‌گر تومور هستند. علاوه بر این، با این روش‌ می‌توان برهم‌کنش‌های بین ژن‌های قابل هدف‌گیری توسط داروهای فعلی را کشف کرد.

شکل 2- مطالعات سرطان با مبنای مخمری برای شناسایی برهم‌کنش‌های مرگ‌آور ترکیبی (بالا) و تغییر دلخواه پادتن‌های مونوکلونال در مخمر (پایین)

پژوهش‌های دیگری نیز با اجرای تحلیل آرایه مخمر در شرایط شبیه‌سازی شده‌ی توموری برای بهبود قابلیت ترجمه‌ی برهم‌کنش‌های مرگ‌آور ترکیبی انجام گرفته است. در نتیجه‌ی این پژوهش‌ها، نزدیک به 169 هزار برهم‌کنش آزمایش شد. این نتایج نشان‌ می‌دهد استفاده از بنیان‌های مخمری برای غربالگری با توان بالا روش قدرتمند و در دسترسی برای مبارزه با سرطان محسوب‌ می‌شود.

موفق‌ترین برهم‌کنش‌های ژنی که در این زمینه کشف شد، به کمک سلول‌های هلا مورد بررسی قرار گرفت. این بررسی‌ها برهم‌کنش بین داروهای ایرینوتکان و اتوپوزاید را با ژن RAD17 و همچنین برهم‌کنش ورینوستات و روسیلینوستات را با ژن XRCC3 آشکار کرد. این ژن ها در تعمیر DNA نقش دارند (شکل 2).

علاوه بر یافتن اهداف داروهای کوچک مولکول، برای شناسایی نانوبادی‌های (nanobody) بسیار اختصاصی از مخمر استفاده‌ می‌شود. نانوبادی‌ها، دومین‌های (domain) تک‌شاخه و متصل‌شونده به اپیتوپ هستند که از پادتن‌های گونه‌های شُتُر مشتق‌ می‌شود. نانوبادی‌ها در درمان‌های هدفمند و برای تصویربرداری از نشانگرهای زیستی سرطان کاربرد دارند. در حال حاضر نانوبادی‌های به کار رفته در پژوهش‌ها، از طریق تزریق یک آنتی‌ژن مشخص به انواع شترها به دست‌ می‌آید که هزینه و زمان زیادی می‌طلبد.

غربال‌گری مخمر این مشکل را حل کرده و جایگزین سریع‌تر و ارزان‌تری نسبت به روش‌های مرسومِ تزریق در اختیار قرار‌ می‌دهد. با استفاده از سویه‌های مخمری که یک مجموعه‌ی تصادفی از نانوبادی‌های منحصر به فرد را بیان‌ می‌کنند، در کنار یک برچسبِ نشان کننده‌ی سطح سلول،‌ می‌توان یک نانوبادی خاص را شناسایی کرد. بعد از آن با افزودن یک آنتی‌ژن همراه با برچسب فلورسنت، در کنار مرتب‌سازی سلول به صورت تکرارپذیر‌ می‌توان نانوبادی‌های با میل اتصال بالا را انتخاب کرد. از این روش برای شناسایی نانوبادی‌هایی استفاده شده است که‌ می‌توانند گیرنده آدنوزین A2A انسانی را هدف قرار دهند. این گیرنده‌ها نقش مهمی در بقا تومور دارند.

حل بحران قیمت داروهای ضد سرطان

قیمت داروهای ضد سرطان از سال 1990 روند افزایشی داشته است. پیش‌بینی‌ می‌شود تا سال 2020، هزینه‌های سالانه این داروها در سطح جهان به 150 میلیارد دلار برسد؛ یعنی 50 میلیارد دلار بیشتر از امروز. در حال حاضر، این داروها در گیاهان یا از پادتن‌های مونوکلونال سنتزی از سلول‌های پستانداران تولید‌ می‌شود. به خاطر بازدهی پایین، قیمت بالا، امکان آلودگی و مشکلات مربوط به تولید در مقیاس بالا، چالش‌های زیادی در مسیر این روش‌های تولید وجود دارد.

برای داروهای ضد سرطان روی استفاده از کارخانه‌های سلولی (مثل باکتری و مخمر) به عنوان روش‌های جایگزین و پایدار، سرمایه‌گذاری شده است. در مقایسه با باکتری، استفاده از سلول‌های یوکاریوتی مثل ساکارومایسس سرویزیه، باعث تولید، تاخوردگی و ویرایش‌های پساترجمه‌ای صحیح برای بسیاری از پروتئین‌های غیرمتجانس و پیچیده‌ می‌شود. علاوه بر این، پروتئین‌های تولیدی به محیط خارج سلولی تراوش کرده و خالص‌سازی آن ساده‌تر خواهد بود.

بسیاری از داروهای موجود در بازار مثل آرتیمیسین و انسولین، وابسته به بنیان‌های مخمری هستند. با این وجود، سنتز کامل و کارامد داروهای ضد سرطان از مخمر با چالش‌هایی مواجه است. وجود تعداد زیاد آنزیم‌های لازم برای ایجاد مسیر‌های سنتزی گیاهی، وجود واکنش‌های ناشناخته در این مسیر‌ها و الگوی‌های گلیکوزیلاسیون پادتن انسانی‌شده که از الگوهای موجود در مخمر فاصله دارد، از جمله چالش‌های تولید داروهای ضد سرطان از مخمر به شمار‌ می‌رود (شکل 1 ج).

می‌توان مسیر سنتز برخی از داروی‌های ضد سرطان را که در گیاهان تولید‌ می‌شود، در سلول‌های میکروبی بازسازی کرد. به عنوان نمونه، مسیر سنتز تاکسول که از گیاه سرخدار اقیانوسیه تولید‌ می‌شود، به طور جزئی و مشارکتی در اشرشیا کولی و ساکارومایسس سرویزیه قابل بازسازی است. در این کشت مشترک، باکتری برای تولید واسط تاکسادین و مخمر برای فرآیندهای بعد از آن مهندسی‌ می‌شود. در این کار توانایی اشرشیا کولی برای تولید مقدار زیاد تاکسادین و توانایی ساکارومایسس سرویزیه برای بیان پروتئین مورد نیاز در جهت تولید داروی ضد سرطان با هم ترکیب شده است.

پیشرفت‌های زیست‌شناسی مولکولی و روش‌های با توان بالا برای مخمرهایی چون ساکارومایسس سرویزیه و پیکیا پاستوریس کمک‌ می‌کند تا پژوهشگران بتوانند مسیرهای سنتز داروهای ضد سرطان را به طور کامل در میکروب‌ها پیاده کنند. این پیشرفت‌ها پژوهشگران را قادر‌ می‌سازد تا مسیربندی سوخت و ساز مخمرها را در جهت تولید دارو‌های ضد سرطان انسانی تغییر دهند. به عنوان نمونه می‌توان به تغییر دلخواه پادتن مونوکلونالِ ضد HER2 با خواص مشابه تراستوزوماب در پیکیا پاستوریس اشاره کرد (شکل 2). تراستوزوماب یک پادتن مونوکلونال است که برای درمان سرطان سینه استفاده می‌شود.

واکسیناسیون سرطان با بنیان مخمری

علاوه بر قابلیت تولید داروی ضد سرطان، از خود مخمر به عنوان واکسن برای درمان سرطان استفاده‌ می‌شود. این نوع از واکسن‌ها یک پاسخ ایمنیِ مستقیم، ضد تومورهای بدخیم آزاد‌ می‌کند. این پاسخ از طریق شناسایی مخمرهای مهندسی شده به عنوان ماده خارجی ایجاد‌ می‌شود.

مخمرهای مهندسی شده برای درمان سرطان، آنتی‌ژن‌های اختصاصی تومور (TSAs) یا آنتی‌ژن‌های مرتبط با تومور (TAAs) را نشان‌ می‌دهند. شناسایی TSAs یا TAAs توسط سلول‌های دندریتیک، مسیر MHC (مجموعه سازگاری بافتی اصلی) را فعال‌ می‌کند. با فعال شدن مسیر MHC سلول‌های تی برای مقابله با آنتی‌ژن خاص، اختصاصی‌ می‌شوند. سپس، سلول‌هایی که آنتی‌ژن خاص را از خود بروز‌ می‌دهند، مورد هدف قرار‌ می‌گیرند (شکل 1 د).

گزارش‌های زیادی وجود دارد که فعال‌سازی مؤثر هر دو مسیر MHC I و MHC II را برای بهبود تکثیر سلول‌های سمی و کمک کننده‌ی تی نشان‌ می‌دهد. این سلول‌ها برای تشخیص درست و نابودی تومور نقش کلیدی دارند (شکل 2). علاوه بر این، ترکیبات دیواره سلولی به خاطر شباهت ذاتی که با ترکیب میکروبی دارد،‌ می‌تواند پیام ایمنی ارسال شده به سلول‌های ایمنی را برای وجود ماده خارجی تقویت کند.

مطالعات موجود در زمینه‌ی درمان سرطان به کمک بنیان مخمری، نشان می‌دهد با تجویز مکرر ساکارومایسس سرویزیه که نوع خاصی از آنتی‌ژن (کارسینوامبریونیک) را بیان‌ می‌کند، پاسخ سلول‌های تی تحریک شده و حجم تومور در نمونه موشی تا 90 درصد کاهش می‌یابد. واکسن استفاده شده پیامد منفی ناچیزی از خود نشان داد. علاوه بر این، در برخی از بیماران سرطانی پاسخ قابل توجه سلول‌های تی و جلوگیری از گسترش تومور را در پی داشت.

شواهدی وجود دارد که نشان‌ می‌دهد واکسن‌های مبتنی بر مخمر‌ می‌تواند تومورهای نخاعی کوردوما را در حالت پایدار نگه دارد. این نتایج برای مبتلایان به این نوع از سرطان امیدوار کننده است. از واکسن‌های مخمری می‌توان هم‌زمان با داروهای مرسوم ضد سرطان استفاده کرد. به عنوان مثال، برای درمان نوع خاصی از سرطان ریه که از داروی جمسیتابین استفاده‌ می‌شود،‌ می‌توان همراه با مصرف این دارو از ساکارومایسس سرویزیه مهندسی شده نیز کمک گرفت. این مخمر نوع خاصی از پروتئین KRAS را بیان‌ می‌کند و در نیمی از بیماران هدف باعث بهبود پاسخ ایمنی‌ می‌شود. با اینکه تعداد بیماران بررسی شده به حدی نبود که بتوان نتیجه را تعمیم داد؛ اما برای مطالعات بعدی امیدوار کننده است.

یکی دیگر از توانایی‌های بالقوه‌ی واکسن‌های مخمری در درمان سرطان این است که‌ می‌توان از مخمر زنده و مهندسی شده برای جایگزینی سلول‌های سمی تی در راستای از بین بردن سلول‌های بدخیم استفاده کرد. علاوه بر این، از مخمرهای هوشمند به عنوان محصول پروبیوتیک برای جلوگیری از سرطان استفاده‌ می‌شود. پیشرفت‌های آینده در حوزه‌ی مخمر‌ می‌تواند این میکروارگانیسم را به عنوان حسگر زیستی در جهت تشخیص سرطان در مراحل ابتدایی معرفی کند.

داروهای ضد سرطان که از سلول‌های پستانداران و یا گیاهان تولید‌ می‌شود، به خاطر پیچیدگی این سامانه هزینه‌های زیادی را برای تولید انبوه و رقابتی به همراه دارند. در مقابل، استفاده از میکروارگانیسم‌های ساده‌تر مثل مخمرها که پیشرفت‌های چشم‌گیری در زمینه مهندسی آن‌ها وجود دارد،‌ می‌تواند هزینه تولید داروهای ضد سرطان را کاهش دهد. استفاده از واکسن‌های مخمری برای درمان سرطان در ابتدای راه خود قرار دارد. با این حال، سنگ بنای مهمی برای اثبات ایمنی بالینی و پاسخ ایمنی مناسب از این واکسن ایجاد شده است. مبارزه کامل با سرطان با استفاده از مخمر تلاش‌ها و پیشرفت‌های بیشتری می‌طلبد. با این حال، نتایج اخیر آینده‌ی روشنی را برای این روش در مبارزه با سرطان ترسیم می‌کند.

این مطلب در 22 دسامبر 2018 در مجله Trends in biotechnology منتشر شده است.

☑ نویسنده: Raphael Ferreira
☑ ترجمه و بازنویسی: یونس عبدالهی مفرد

☑ منبع