La terapia del microbioma ingegnerizzato migliora la colonizzazione intestinale negli studi clinici / Engineered Microbiome Therapy Improves Gut Colonization in Clinical Trials

La terapia del microbioma ingegnerizzato migliora la colonizzazione intestinale negli studi clinici / Engineered Microbiome Therapy Improves Gut Colonization in Clinical Trials

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori di Novome Biotechnologies e della Stanford University hanno riportato dati clinici incoraggianti da un nuovo approccio per ottenere una colonizzazione intestinale stabile con una terapia basata sul microbioma per i calcoli renali. Sebbene i loro risultati, pubblicati su Science, sembrino promettenti per superare una sfida importante per le terapie microbiche, evidenziano anche i limiti di efficacia e biosicurezza che devono ancora essere affrontati in questo campo emergente. 

Gli approcci terapeutici mirati al microbioma intestinale hanno rapidamente attirato l'attenzione della ricerca medica, grazie all'importante ruolo che il microbioma umano svolge in una miriade di processi fisiologici. Tuttavia, molti approcci terapeutici di precisione basati sul microbioma hanno fallito negli studi clinici a causa delle difficoltà di ottenere un attecchimento a lungo termine nella flora intestinale nativa. 

"Nonostante l'efficacia dimostrata negli animali e un buon profilo di sicurezza negli esseri umani, queste terapie hanno faticato a dimostrare un'efficacia clinica", hanno affermato i ricercatori. "Una strategia di colonizzazione potrebbe consentire concentrazioni terapeutiche sufficientemente elevate da stimolare l'attività necessaria per l'efficacia".

Per superare questa annosa sfida, i ricercatori hanno progettato una strategia di ingegneria genetica che ha permesso loro di controllare la colonizzazione e la rimozione della terapia del microbioma. In uno studio precedente, Phocaeicola vulgatus, un comune batterio intestinale, è stato modificato geneticamente per nutrirsi di porfiria, un nutriente presente nelle alghe, e per dipendere dalla sua presenza per esprimere geni essenziali per la propria sopravvivenza. 

"Abbiamo scelto il porfirano come candidato per la creazione di una nicchia esclusiva per i nostri batteri ingegnerizzati perché solo il 2% degli individui occidentali sembra ospitare un microbo nativo che utilizza il porfirano", hanno affermato i ricercatori. Questo crea una nicchia ecologica libera all'interno dell'intestino che i batteri ingegnerizzati possono occupare senza competere con i microbi nativi. 

Nello studio attuale, i batteri sono stati anche modificati geneticamente per includere un modulo a cinque geni progettato per scomporre l'ossalato, un composto che forma calcoli renali. Questa strategia è pensata per trattare l'iperossaluria enterica, una condizione che si presenta comunemente come effetto collaterale degli interventi di bypass gastrico e che provoca alti livelli di ossalato e calcoli renali ricorrenti. 

Nei topi e nei volontari umani sani, il trattamento ha mostrato un attecchimento riuscito, con livelli di batteri variabili in base alla quantità giornaliera di porfirano assunta dai partecipanti nella loro dieta. "Una singola dose del ceppo è stata sufficiente per la colonizzazione se al soggetto è stata fornita un'adeguata protezione gastrica ed, anche a dosi elevate di porfirano, il trattamento è risultato sicuro e ben tollerato", hanno riferito i ricercatori. Non sono stati segnalati effetti avversi gravi, né alterazioni evidenti nella diversità del microbiota nativo. 

Come previsto, la rimozione del porfirano dalla dieta ha portato all'eliminazione dei batteri ingegnerizzati nella maggior parte dei soggetti. Tuttavia, quattro dei 19 partecipanti che avevano inizialmente ottenuto l'attecchimento mostravano ancora livelli rilevabili di batteri dopo l'interruzione del trattamento. Il sequenziamento genomico ha rivelato che ciò era causato da mutazioni puntiformi o riarrangiamenti del genoma che consentivano ai geni essenziali di mantenere l'espressione indipendentemente dall'assunzione di porfirano. 

Nel braccio di Fase IIa dello studio, il trattamento è stato testato in soggetti con iperossaluria enterica a seguito di interventi di bypass gastrico. In questa popolazione, l'attecchimento è stato meno costante ed abbondante rispetto ai risultati osservati nei volontari sani, con conseguenti risultati di efficacia incoerenti. Mentre il trattamento ha ridotto i livelli di ossalato del 47% in un modello di ratto con iperossaluria enterica, negli esseri umani è stata osservata solo una tendenza statisticamente insignificante alla riduzione degli ossalati. 

Gli studi di sequenziamento hanno dimostrato che questi risultati erano dovuti principalmente al trasferimento genico orizzontale; in alcuni casi, i batteri ingegnerizzati hanno introdotto nuovi geni dai loro vicini che hanno sostituito il percorso dell'ossalato, mentre in altri, i batteri nativi della stessa famiglia hanno assorbito i geni per metabolizzare il porfirano e hanno iniziato a competere con il ceppo terapeutico. 

Nonostante i risultati contrastanti, il gruppo di ricerca ha evidenziato il potenziale iniziale mostrato da questo nuovo approccio per ottenere una colonizzazione intestinale stabile ed a lungo termine con la terapia del microbioma. Futuri studi su sistemi più robusti per il controllo della colonizzazione e l'eliminazione dei ceppi terapeutici contribuiranno allo sviluppo di trattamenti microbici più efficaci. Inoltre, saranno necessarie ulteriori ricerche per indagare le significative differenze osservate tra volontari sani e pazienti con iperossaluria enterica, che potrebbero essere correlate alle alterazioni del microambiente intestinale causate dalla malattia.

In studi futuri, il gruppo di ricerca sta valutando la possibilità di sostituire il porfirano con un nutriente sintetico nella speranza di creare una nicchia più esclusiva per la terapia ingegnerizzata e rendere il trattamento adatto alle popolazioni con un maggiore consumo di alghe nella loro dieta, come accade in molte regioni dell'Asia.

ENGLISH

Researchers from Novome Biotechnologies and Stanford University have reported encouraging clinical data from a novel approach to achieve stable gut colonization with a microbiome therapy for kidney stones. While their findings, published in Science, show promise to overcome a major challenge for microbial therapeutics, they also highlight efficacy and biosafety limitations that still need to be addressed in this emerging field. 

Therapeutic approaches targeting the gut microbiome have been rapidly garnering attention in medical research due to the important role that the human microbiome plays across a myriad of physiological processes. However, many approaches to precision microbiome therapeutics have failed in clinical trials due to difficulties achieving long-term engraftment within the native gut flora. 

“Despite showing efficacy in animals and a good safety profile in humans, these therapeutics have struggled to show clinical efficacy,” stated the researchers. “A colonizing strategy may enable therapeutic concentrations high enough to drive the activity necessary for efficacy.”

To overcome this long-standing challenge, the researchers designed a genetic engineering strategy that allowed them to control the colonization and removal of the microbiome therapy. In a previous study, Phocaeicola vulgatus, a common gut bacterium, was engineered to feed on porphyran, a nutrient found in seaweed, and to depend on its presence to express genes essential for their survival. 

“We chose porphyran as a candidate for creating an exclusive niche for our engineered bacteria because only 2% of Western individuals appear to harbor a native porphyran-utilizing microbe,” stated the researchers. This provides an unoccupied ecological niche within the gut that the engineered bacteria can occupy without competing with native microbes. 

In the current study, the bacteria were also engineered to include a five-gene module designed to break down oxalate, a compound that forms kidney stones. This strategy is intended to treat enteric hyperoxaluria, a condition that commonly arises as a side-effect of gastric bypass operations that results in high oxalate levels and recurring kidney stones. 

In mice and healthy human volunteers, the treatment showed successful engraftment, with levels of bacteria varying according to the daily amount of porphyran taken by participants in their diet. “A single dose of the strain was sufficient for colonization if the subject was provided proper gastric protection, and even at high doses of porphyran, the treatment was safe and well tolerated,” reported the researchers. No serious adverse effects reported, as well as no discernible changes in the diversity of the native microbiota. 

As expected, removing porphyran from the diet resulted in the elimination of the engineered bacteria in most of the subjects. However, four out of 19 participants who originally achieved engraftment still showed detectable levels of the bacteria after stopping the treatment. Genomic sequencing revealed that this was caused by either point mutations or genome rearrangements that allowed the essential genes to maintain expression independently of porphyran intake. 

In the Phase IIa arm of the study, the treatment was tested in individuals with enteric hyperoxaluria following gastric bypass operations. In this population, engraftment was less consistent and abundant compared to the results seen in healthy volunteers, resulting in inconsistent efficacy results. While the treatment reduced oxalate levels by 47% in a rat model of enteric hyperoxaluria, only a statistically insignificant trend towards oxalate reduction was observed in humans. 

Sequencing studies showed that these results were mainly due to horizontal gene transfer; in some cases, the engineered bacteria introduced new genes from their neighbors that replaced the oxalate pathway, while in others, native bacteria of the same family took up the genes to metabolize porphyran and started competing with the therapeutic strain. 

Despite mixed results, the research team highlighted the early potential shown by this novel approach to achieve stable, long-term gut colonization with microbiome therapy. Future work into more robust systems to control colonization and elimination of therapeutic strains will help the development of more effective microbial treatments. Additionally, further research will be needed to investigate the significant differences observed between healthy volunteers and patients with enteric hyperoxaluria, which may be related to alterations in the gut microenvironment caused by the disease.

In future studies, the research team is considering replacing porphyran with a synthetic nutrient in hopes to create a more exclusive niche for the engineered therapy and make the treatment suitable for populations with higher seaweed consumption in their diet, which is the case across many regions of Asia.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/translational-research/engineered-microbiome-therapy-improves-gut-colonization-in-clinical-trials/?_hsenc=p2ANqtz-_IaiQU-eKusjHjfe3ReCBYheIdGB-YPyF3igPOmnCnNDZLc5W-Emiyf97V4KCWbBTAq8GJYzSHyLdX7NlQrKWOhQna1c8f0CoroKoDJIZKT4e8v5Q&_hsmi=371927573