Penelitian Tentang Mikroba Terapeutik untuk Mengatasi Penyakit

Penelitian Tentang Mikroba Terapeutik untuk Mengatasi Penyakit – Meskipun itu terjadi hampir satu dekade lalu, Willem de Vos masih ingat dengan jelas rekan-rekannya disuruh menghentikan uji klinis yang telah mereka lakukan.

Penelitian Tentang Mikroba Terapeutik untuk Mengatasi Penyakit

hospitalmicrobiome – De Vos adalah bagian dari tim yang melakukan uji klinis acak pertama transplantasi mikrobiota tinja (FMT) tinja dari donor yang sehat digunakan sebagai pengobatan terakhir untuk orang-orang dengan infeksi usus berulang yang menghancurkan yang disebabkan oleh bakteri Clostridium difficile. Sekitar satu tahun, dewan pemantau data dan keamanan yang mengawasi uji coba telah melihat cukup banyak: uji coba harus diakhiri.

Baca juga : Penelitian Tentang Seberapa Pentingkah Mikroorganisme? 

Melansir nature, Tapi itu bukan karena terapi itu tidak berhasil — justru sebaliknya. Transplantasi terbukti sangat berhasil sehingga tidak etis lagi untuk terus memberikan orang-orang dalam kelompok kontrol pengobatan antibiotik konvensional yang dibandingkan dengan transplantasi. “Itu menunjukkan kepada kita bahwa itu berhasil dan mengapa itu berhasil,” kata de Vos, ahli mikrobiologi di Universitas Wageningen di Belanda dan Universitas Helsinki di Finlandia. Pasien yang diobati dengan antibiotik yang kambuh diberikan transplantasi, yang menyembuhkan mereka.

Kisah C. difficile adalah salah satu dari daftar contoh yang berkembang tentang bagaimana mikrobioma usus membentuk biologi kita. Komunitas mikroba yang hidup di usus telah dikaitkan dengan banyak aspek fisiologi kita – mulai dari kondisi seperti obesitas hingga bagaimana sistem kekebalan berfungsi dan bahkan kesehatan mental. Keberhasilan FMT dalam mengobati C. difficile juga menunjukkan bahwa, pada prinsipnya, ekologi usus dapat dimanipulasi untuk mengobati penyakit. Sekarang, para ilmuwan sedang mencoba untuk merekayasa mikrobiota usus yang memungkinkan mereka melakukan hal itu.

Ahli biologi sintetis bekerja pada tingkat spesies individu, merekayasa bakteri usus tidak hanya untuk memberikan muatan terapeutik tetapi juga untuk memantau dan merespons kondisi di dalam tubuh. Sementara itu, ahli ekologi sintetik melihat usus sebagai ekosistem dan mengumpulkan komunitas mikroba yang berinteraksi untuk menghasilkan zat atau perilaku untuk manfaat medis. Kedua pendekatan ini masih dalam tahap awal, dan ada tantangan untuk membawa mereka ke klinik. Namun teknologi sudah terbukti menjadi alat yang kuat, memungkinkan para ilmuwan untuk mengeksplorasi interaksi mikroba yang kompleks dalam ekosistem internal kita.

Bakteri dipesan lebih dahulu

Rekayasa mikroba individu memiliki rangkaian aplikasi potensial yang mengesankan. Bakteri usus telah diubah untuk menghasilkan molekul terapeutik untuk mengobati kondisi metabolisme, membunuh patogen, dan memicu respons imun terhadap kanker. Strain Escherichia coli yang direkayasa untuk menghasilkan protein yang dibutuhkan untuk memperbaiki defisiensi metabolik yang langka sekarang sedang dalam uji klinis. Dan pada tahun 2018, sebuah tim di Singapura mengungkapkan bakteri usus yang telah direkayasa untuk menempel pada sel kanker usus besar dan mengeluarkan enzim yang mengubah zat yang secara alami ditemukan dalam sayuran seperti brokoli menjadi molekul yang menghambat pertumbuhan tumor.

Ketika diberikan kepada tikus dengan kanker usus besar, pengobatan tersebut mengecilkan tumor dan mengurangi kekambuhan. Bakteri bahkan dapat direkayasa untuk merasakan tanda-tanda penyakit dan merespons dengan memproduksi molekul terapeutik. Sebagai contoh, pada tahun 2017, peneliti mengambil bakteri usus yang biasa digunakan sebagai probiotik dan memberinya kemampuan untuk mendeteksi sinyal komunikasi yang dihasilkan oleh bakteri patogen. Bakteri probiotik kemudian menghasilkan molekul antimikroba sebagai respons. Para peneliti menunjukkan bahwa itu membantu membersihkan infeksi pada cacing dan tikus 2 .

Studi seperti ini menunjukkan potensi terapi hidup, tetapi sejauh ini bakteri yang direkayasa adalah sistem yang relatif mudah — mereka menghasilkan molekul terapeutik baik pada tingkat yang konstan atau sebagai respons terhadap sinyal lingkungan. Sekarang, para peneliti mencari untuk memperluas cakupan mikroba yang direkayasa dan bakteri yang direkayasa dengan DNA yang mengandung elemen yang lebih kompleks yang dirancang untuk bekerja seperti sirkuit elektronik. Ini adalah bidang biologi sintetik, disiplin yang bertujuan untuk menerapkan prinsip-prinsip teknik — seperti komponen modular yang terstandarisasi — ke sistem biologis.

Prestasi rekayasa kompleks ini memungkinkan bakteri melakukan tugas komputasi sederhana, seperti mengingat stimulus satu kali lama setelah berlalu. Misalnya, tim ahli biologi sintetik yang dipimpin oleh Pamela Silver di Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard University di Boston, Massachusetts, merekayasa bakteri untuk mendeteksi bahan kimia yang diproduksi oleh sel usus yang meradang.

Sebagai tanggapan, bakteri mengeluarkan sinyal molekuler, dan terus mengeluarkannya bahkan jika peradangan usus mereda. Sinyal dapat dideteksi dalam sampel tinja, meningkatkan kemungkinan penggunaan bakteri sebagai tes diagnostik hidup untuk penyakit radang usus — yang sering bersifat sementara dan, oleh karena itu, sulit dideteksi di klinik.3 . Yang penting, bakteri rekayasa yang dapat mengingat jenis sinyal lingkungan lainnya akan memungkinkan peneliti untuk mengeksplorasi kondisi di berbagai wilayah usus – sesuatu yang sulit dilakukan dengan sampel tinja konvensional. “Yang kami inginkan adalah bakteri menjadi seperti detektif dan memberi tahu kami apa yang terjadi saat mereka melewatinya,” kata Silver.

Mendapatkan sirkuit genetik untuk bekerja di lab cukup sulit. Menerjemahkan itu ke lingkungan mikrobioma usus yang berantakan dan kompetitif menghadirkan tantangan yang lebih besar. Modifikasi apa pun yang menimbulkan beban ekstra — katakanlah, produksi protein ekstra — pada bakteri menempatkannya pada posisi yang kurang menguntungkan, yang mengakibatkan organisme itu kalah bersaing atau membuang fungsi rekayasanya untuk bertahan hidup. Sebagian karena alasan ini, para peneliti telah berjuang untuk mendapatkan banyak bakteri yang direkayasa untuk membuat lompatan dari tabung reaksi ke model hewan. Para ilmuwan sekarang sedang mencari cara untuk mengatasi hal ini; Perak, misalnya, menggunakan elemen genetik yang secara alami menempatkan beban minimal pada sel.

Rintangan terakhir akan menunjukkan bahwa bakteri yang direkayasa itu efektif dan aman. Terlebih lagi, tidak seperti obat konvensional, bakteri rekayasa dapat menyebar ke lingkungan dan berbagi DNA dengan bakteri lain. Meskipun kemungkinan mereka bertahan hidup di alam liar dianggap rendah, kemungkinan konsekuensi yang tidak terduga (belum lagi kebutuhan untuk mendapatkan penerimaan publik dan persetujuan peraturan) telah mendorong para peneliti untuk mengeksplorasi sejumlah opsi untuk mengandung bakteri yang direkayasa, termasuk membunuh. saklar yang memaksa bakteri untuk bunuh diri dengan racun jika sirkuit rekayasa mereka menjadi rusak atau jika mereka meninggalkan tubuh.

Membangun komunitas

Sementara beberapa peneliti merekayasa bakteri individu, yang lain mengalihkan perhatian mereka ke kelompok mikroba. Sama seperti fungsi kota sebagai hasil dari banyak orang yang melakukan pekerjaan yang berbeda, usus adalah sarang interaksi antara berbagai mikroba yang menjalankan fungsi yang berbeda. Beberapa interaksi bersifat metabolik – satu bakteri mungkin menghasilkan sesuatu yang dikonsumsi orang lain, misalnya. Lainnya bersifat ekologis, seperti ketika satu mikroba menghambat pertumbuhan yang lain. Dengan bekerja sama, komunitas mikroba menghasilkan molekul atau perilaku yang tidak akan muncul dari organisme yang bertindak sendiri.

Sifat-sifat mikrobioma usus yang muncul ini memiliki efek mendalam pada biologi kita, seperti dengan memproduksi vitamin atau molekul yang memodulasi respons imun kita. Untuk memahami interaksi ini dan untuk merancang terapi baru, para peneliti sedang membangun kombinasi berbagai bakteri yang dikenal sebagai ekosistem sintetis. Untuk sebagian besar, ekosistem ini terdiri dari strain bakteri alami, meskipun beberapa ilmuwan bereksperimen dengan ekosistem yang mengandung mikroba rekayasa genetika.

Dari sudut pandang terapeutik, ekosistem sintetis memiliki sejumlah keuntungan potensial. FMT saat ini mengandalkan bahan feses yang disediakan oleh donor. Sampel tinja mengandung campuran mikroba yang sangat kompleks yang bervariasi dari donor ke donor, dan masing-masing harus disaring untuk mikroba patogen. Jika FMT dapat disederhanakan menjadi hanya spesies kunci yang diperlukan untuk mengobati manusia, campuran bebas patogen yang disederhanakan dari mikroba terpilih ini dapat ditanam di laboratorium. Komunitas sintetis akan menawarkan terapi standar dengan komposisi yang diketahui, dan akan menghilangkan ketergantungan dalam menemukan donor yang cocok.

Penelitian, termasuk beberapa penelitian pada manusia, menunjukkan bahwa pendekatan ini bisa berhasil. Campuran bakteri terpilih yang diisolasi dari sampel tinja telah menunjukkan harapan dalam mengobati orang dengan C. difficile . Dan bukan hanya infeksi yang bisa diatasi, tetapi juga kondisi seperti penyakit radang usus. Pada tahun 2013, sebuah tim yang dipimpin oleh para ilmuwan di Jepang mengidentifikasi komunitas mikroba usus manusia yang dapat meningkatkan aktivitas sel kekebalan peredam peradangan yang disebut sel T regulator, dan menunjukkan bahwa ini dapat memperbaiki penyakit radang usus pada tikus .. Selain mengembangkan terapi, menghilangkan FMT konvensional memungkinkan para ilmuwan untuk mengetahui bakteri mana dalam transplantasi tinja yang memberikan efek terapeutik – sesuatu yang sedang dieksplorasi oleh de Vos dan rekan-rekannya dalam kondisi seperti penyakit radang usus dan sindrom metabolik.

Salah satu kelemahan dari pendekatan stripping-down ini adalah membatasi aplikasi komunitas sintetik pada fungsi yang sudah ada. Mungkin ada situasi di mana Anda ingin membuat komunitas dengan fungsi baru, seperti memproduksi vitamin atau mendegradasi racun. Membuat fungsi baru memerlukan perancangan dari bawah ke atas — menguji berbagai kombinasi mikroba, termasuk yang biasanya tidak hidup berdampingan di alam, hingga memberikan hasil yang diinginkan. Melakukan ini dengan coba-coba dalam eksperimen laboratorium segera menjadi berat, jadi para peneliti beralih ke pemodelan komputer.

Tujuannya di sini adalah untuk memprediksi sifat yang muncul dari komunitas mikroba, berdasarkan interaksi yang diharapkan antara mikroba yang ada. Sebuah tim yang dipimpin oleh Elhanan Borenstein di Universitas Tel Aviv di Israel menciptakan model komputer dari reaksi metabolisme di dalam masing-masing mikroba, dan kemudian memodelkan bagaimana ini akan berperilaku dengan adanya metabolisme mikroba lain 5 . Dengan mensimulasikan interaksi antara pasangan mikroba, mereka menunjukkan bagaimana produk metabolisme baru muncul yang tidak akan terlihat jika mikroba bertindak sendiri. Model juga dapat mensimulasikan interaksi ekologi, seperti bagaimana kelimpahan satu mikroba mempengaruhi kelimpahan mikroba lainnya. Ini dapat membantu para ilmuwan untuk merancang komunitas mikroba yang stabil dan karena itu bertahan dari waktu ke waktu.

Ini ekologi

Pemodelan komputer dan komunitas yang dikembangkan di laboratorium memungkinkan para peneliti untuk mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana mikroba dalam komunitas alami di usus berinteraksi — baik satu sama lain, dan dengan inang manusia mereka. Tim De Vos menumbuhkan empat bakteri berbeda yang biasanya hidup bersama di lapisan lendir yang melapisi usus 6 . Satu spesies, Akkermansia muciniphila , memecah lendir menjadi senyawa yang dikonsumsi bakteri lain. Tim menunjukkan bahwa bakteri lain tidak hanya mengonsumsi senyawa ini, tetapi juga memberi makan molekul yang mereka buat kembali ke A. muciniphila dan, dalam kasus butirat, asam lemak yang dibutuhkan oleh sel-sel lapisan usus, ke inangnya. .

Para peneliti juga mendapatkan wawasan baru tentang hubungan antara mikroba dan antara mikroba dan inangnya dari penciptaan mikrobioma minimal – komunitas mikroba yang dibangun yang mengandung jumlah spesies terkecil yang dibutuhkan untuk menciptakan ekosistem yang stabil. Sebuah studi 2016 menunjukkan bagaimana menggabungkan mikrobioma minimal dengan genomik komparatif dapat mengarah pada desain komunitas mikroba dengan properti yang diinginkan. Bärbel Stecher di Universitas Ludwig-Maximilians Munich di Jerman dan timnya mengembangkan mikrobioma minimal Oligo-MM 12 — kumpulan 12 mikroba usus yang membantu mencegah Salmonella enterica menjajah usus tikus yang tidak memiliki bakteri sendiri 7 .

12 spesies bakteri tidak termasuk Salmonellahampir, tetapi tidak cukup, serta mikrobioma konvensional. Dengan menggunakan genomik untuk membandingkan mikrobioma minimal mereka dengan mikrobioma kompleks, para peneliti memilih fungsi ekosistem yang hilang dari komunitas mereka, menambahkan tiga spesies bakteri lagi yang dapat mengisi kesenjangan, dan menghasilkan komunitas yang sebaik yang konvensional. dalam menjaga Salmonella keluar. Pada akhirnya, para peneliti berharap bahwa penelitian seperti ini akan memungkinkan mereka untuk merancang mikrobioma minimal dengan sifat terapeutik yang ditentukan, seperti memproduksi butirat atau vitamin.

Mungkin aplikasi akhirnya dari rekayasa mikrobioma adalah menggabungkan biologi sintetik dan ekologi sintetik. Para ilmuwan akan menciptakan komunitas yang mengandung mikroba rekayasa genetika, perilaku kolektif yang akan memberikan manfaat terapeutik. Salah satu keuntungan dari pendekatan ini adalah memungkinkan para insinyur mendistribusikan tugas metabolisme yang berbeda antara bakteri yang berbeda. Ini berarti semua tekanan fisiologis untuk membuat obat atau vitamin tidak akan ditempatkan hanya pada satu bakteri. Sejumlah tim telah membuat kemajuan di bidang ini, termasuk mengeksploitasi sistem yang digunakan bakteri untuk mendeteksi keberadaan bakteri lain dan untuk memodifikasi aktivitas gen mereka sebagai tanggapan. Para peneliti menggunakan fitur ini, yang dikenal sebagai penginderaan kuorum, untuk mengontrol perilaku populasi campuran bakteri, untuk, misalnya,

Potensi pengembalian dari rekayasa mikrobioma usus sangat besar, tetapi begitu juga tantangan untuk mencapai tujuan ini. Dari semua mikrobioma manusia, mikrobioma usus sejauh ini adalah yang terbesar dan paling kompleks. Masih banyak yang harus dipelajari tentang penghuninya, gen mereka, dan interaksi mereka. Dan itu sebelum Anda memulai apa yang dibawa tuan rumah manusia ke pesta. Memang, ada begitu banyak variasi antar individu sehingga masih belum jelas seperti apa mikrobioma usus yang ‘sehat’ itu .

Meski begitu, hasil potensial memotivasi para ilmuwan untuk membidik tinggi. Borenstein berharap suatu hari nanti dapat mengambil informasi tentang seorang individu – mikroba di usus mereka, fisiologi mereka, diet mereka dan genom mereka – dan menggunakannya untuk membangun model komputer skala penuh dari mikrobioma usus mereka. Kemajuan seperti itu memungkinkan untuk merancang intervensi yang dipersonalisasi untuk mengobati atau mencegah penyakit.

“Ini bukan sesuatu yang akan kita dapatkan dalam satu tahun, atau dua atau lima tahun,” Borenstein mengakui. “Tapi kami membuat kemajuan dan belajar banyak biologi yang menarik di jalan.”