I primi anchilostomi geneticamente modificati al mondo sono in grado di produrre e somministrare farmaci all'interno di un ospite vivente. / World-first GM hookworms can produce and deliver drugs within a living host

I primi anchilostomi geneticamente modificati al mondo sono in grado di produrre e somministrare farmaci all'interno di un ospite vivente. / World-first GM hookworms can produce and deliver drugs within a living host

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

Secondo una nuova ricerca, i parassiti geneticamente modificati potrebbero fungere da fabbriche di farmaci a lungo termine per gli organismi ospiti.

Gli anchilostomi, parassiti intestinali che infettano centinaia di milioni di persone nelle regioni tropicali con scarse risorse in tutto il mondo, si sono evoluti per sopravvivere all'interno dell'intestino umano per anni, secernendo molecole che consentono la coesistenza con i loro ospiti. Ora, i ricercatori della Washington University School of Medicine di St. Louis (WashU; MO, USA) hanno sfruttato questo meccanismo biologico a potenziale beneficio dell'uomo, modificando geneticamente un anchilostoma per produrre e rilasciare un farmaco all'interno di un ospite vivente.

In un nuovo studio, il gruppo ha riportato la prima modifica genetica di successo dell'anchilostoma umano. L'obiettivo era produrre un anticorpo in grado di neutralizzare la tetrodotossina, una neurotossina letale prodotta dal pesce palla e da altri animali marini. Dopo aver colonizzato un ospite animale con gli anchilostomi modificati, i parassiti hanno prodotto l'antitossina e l'hanno secreta nel flusso sanguigno, inattivando parzialmente la tossina.

I risultati dimostrano che questo approccio alla produzione ed alla distribuzione di farmaci potrebbe rappresentare una soluzione a lungo termine per numerose esigenze mediche, dalle patologie croniche che richiedono un trattamento farmacologico continuo all'esposizione a tossine in luoghi remoti privi di assistenza medica.

I risultati sono stati pubblicati il ​​3 giugno sulla rivista Nature Communications.

"L'anchilostoma ha impiegato milioni di anni per perfezionare le sue strategie di sopravvivenza a lungo termine all'interno di un ospite umano e per far fuoriuscire molecole dal suo corpo ed immetterle nel nostro", ha spiegato l'autrice senior Makedonka Mitreva, professoressa titolare della cattedra Gordon R. Miller presso la Divisione di Malattie Infettive del Dipartimento di Medicina John T. Milliken della WashU Medicine. "Ci siamo chiesti: e se potessimo aggiungere un'altra molecola alle circa 1.000 sostanze che il verme già secerne, qualcosa di terapeuticamente utile per le persone? Questo studio dimostra che non si tratta solo di un'ipotesi, ma che funziona davvero."

Un parassita che consegna

Gli anchilostomi sono già stati studiati come potenziali trattamenti per malattie infiammatorie intestinali come la colite ulcerosa, sulla base di evidenze che le molecole antinfiammatorie secrete dai vermi possono attenuare le risposte immunitarie che sono alla base di queste patologie. Il gruppo di Mitreva si è proposto di partire da queste basi, modificando geneticamente il verme affinché secernesse una sostanza terapeutica a scelta dei ricercatori, anziché affidarsi esclusivamente a ciò che il parassita produce naturalmente.

L'interesse per gli anchilostomi come piattaforma per la produzione e la somministrazione di farmaci a lungo termine deriva da una peculiarità della loro biologia. Quando una persona viene infettata con un numero controllato di larve di anchilostoma, che possono essere somministrate per via orale sotto forma di pillola o per via transdermica come una lozione, i vermi migrano nell'intestino tenue e vi si insediano, spesso per anni. Poiché non possono moltiplicarsi all'interno dell'ospite, il numero di vermi rimane fisso e l'infezione resta sotto controllo. Se mai fosse necessario debellare l'infezione, una singola dose di un farmaco antiparassitario orale elimina gli anchilostomi entro 24 ore.

Sebbene un'infezione naturale da anchilostoma possa causare solo lievi sintomi digestivi negli adulti sani, un'infezione cronica con un elevato numero di vermi può essere pericolosa per i bambini, le donne in gravidanza e gli individui malnutriti od altrimenti vulnerabili, portando ad anemia, ritardo nella crescita e nello sviluppo, complicazioni durante la gravidanza e, nei casi più gravi non trattati, problemi cardiaci o persino alla morte. Ciò sottolinea l'importanza di tenere l'infezione rigorosamente sotto controllo per scopi terapeutici, ha osservato Mitreva, cosa possibile grazie all'incapacità dei vermi di riprodursi senza trascorrere parte del loro ciclo vitale nel terreno.

L'anticorpo selezionato per questo studio di fattibilità neutralizza la tetrodotossina, una tossina paralizzante e potenzialmente letale per la quale non esiste un antidoto. La ricerca è stata finanziata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (VA, USA), un'agenzia governativa statunitense, con l'obiettivo di trovare soluzioni alle minacce biologiche e chimiche che incombono sui soldati dislocati in località remote.

Il progetto presentava notevoli ostacoli tecnici: gli strumenti di modifica genetica efficaci in altri organismi non erano stati adattati agli anchilostomi e nessuno era mai riuscito ad ottenere una modifica genetica stabile in questa specie.

Per adattare gli anchilostomi all'uso terapeutico, Mitreva ed il suo gruppo si sono avvalsi di oltre vent'anni di ricerca genomica sugli anchilostomi condotta presso WashU Medicine. Questa mole di dati ha permesso loro di comprendere la biologia dell'organismo dal livello cellulare a quello genetico, consentendo di individuare un sito idoneo nel genoma in cui inserire il nuovo gene contenente le istruzioni per la produzione della nuova antitossina. Un aspetto cruciale era garantire che l'inserimento non interferisse con l'attività dei geni circostanti e che inducesse il verme a secernere l'antitossina nell'ospite.

L'esperimento ha avuto successo: il sangue prelevato da criceti infetti dagli anchilostomi geneticamente modificati di Mitreva ha neutralizzato parzialmente la tetrodotossina, mentre il sangue di animali infetti da vermi non modificati non ha mostrato alcuna capacità neutralizzante.

Dalla dimostrazione di fattibilità ad una piattaforma più ampia

Mitreva ha osservato che il livello di neutralizzazione raggiunto in questo studio iniziale, sebbene significativo, rappresenta probabilmente solo una frazione di ciò che la piattaforma potrà effettivamente offrire.

Diversi componenti di quello che lei definisce un "telaio configurabile" sono ancora in fase di ottimizzazione per aumentare la quantità di proteina terapeutica prodotta e secreta. Poiché il verme risiede nell'intestino ed una parte sostanziale di ciò che secerne rimane lì, anziché entrare nel flusso sanguigno, i ricercatori prevedono che le concentrazioni di molecole terapeutiche nell'intestino possano essere sostanzialmente più elevate rispetto a quelle rilevate in circolo in questo studio, rendendo la piattaforma adatta per terapie mirate all'intestino.

"Quello che abbiamo dimostrato qui è che il concetto funziona dall'inizio alla fine: si può inserire un gene, il verme produce la proteina, la proteina viene espulsa dal verme ed è funzionalmente attiva nell'ospite", ha affermato Mitreva. "Partendo da questo presupposto, possiamo ottimizzare la piattaforma e valutare attentamente quali malattie potrebbero trarre maggior beneficio da un sistema di somministrazione continuo, mirato e di lunga durata. Si tratta di una piattaforma di biofabbrica farmaceutica di tipo fondamentalmente diverso, e riteniamo che apra possibilità molto difficili da raggiungere con qualsiasi altra piattaforma."

Le malattie infiammatorie intestinali, tra cui il morbo di Crohn e la colite ulcerosa, e le allergie alimentari sono tra le patologie che Mitreva considera ottime candidate per futuri sviluppi. Anche le malattie che richiedono concentrazioni terapeutiche basse ma costanti, dove l'aderenza a iniezioni od infusioni ripetute rappresenta un ostacolo, potrebbero essere particolarmente adatte a questa piattaforma.

Gli studi futuri dovranno condurre rigorose valutazioni di sicurezza prima dell'utilizzo sull'uomo. Mitreva ha osservato che, man mano che la piattaforma si evolve, si stanno prendendo in considerazione strategie di biocontenimento, come la modifica genetica dei vermi in modo che non siano in grado di produrre uova, al fine di proteggere gli ospiti ed i loro ambienti.

ENGLISH

Bioengineered parasites could serve as long-term drug factories for hosts, new research suggests.

Hookworms, intestinal parasites that infect hundreds of millions of people in under-resourced tropical regions around the globe, have evolved to survive inside the human gut for years, secreting molecules that enable co-existence with their hosts. Now, researchers at Washington University School of Medicine in St. Louis (WashU; MO, USA) have harnessed that biological mechanism for potential human benefit, engineering a hookworm to produce and deliver a drug within a living host.

In a new study, the team reports the first successful genetic modification of the human hookworm. It was designed to produce an antibody that neutralizes tetrodotoxin, a deadly neurotoxin produced by pufferfish and other marine animals. After colonizing an animal host with the modified hookworms, the parasites produced the antitoxin and secreted it into the bloodstream, partially inactivating the toxin.

The findings demonstrate that this drug production and delivery approach could be a long-term solution to any number of medical needs, from chronic conditions requiring continuous drug treatment to exposure to toxins in remote locations without medical care available.

The findings were published June 3 in Nature Communications.

“The hookworm has spent millions of years perfecting how to assure long-term survival inside a human host and how to get molecules out of its body and into ours,” explained senior author Makedonka Mitreva, the Gordon R. Miller Professor in the John T. Milliken Department of Medicine’s Division of Infectious Diseases at WashU Medicine. “We asked: What if we could add one more molecule to the roughly 1,000 things the worm already secretes, something therapeutically useful to people? This study shows that’s not just a concept. It works.”

A parasite that delivers

Hookworms have already been studied as treatments for inflammatory bowel diseases such as ulcerative colitis, based on evidence that the anti-inflammatory molecules the worms secrete can dampen the immune responses that drive those conditions. Mitreva’s team set out to build on that foundation by engineering the worm to secrete a therapeutic of the researchers’ choosing, rather than relying solely on what the parasite produces naturally.

The appeal of hookworms as a long-term drug production and delivery platform stems from a quirk of their biology. When a person is infected with a controlled number of hookworm larvae, which can be administered orally as a pill or through the skin like a lotion, the worms migrate to the small intestine and take up residence, often for years. Because they cannot multiply inside the host, the number of worms stays fixed, and the infection remains controlled. If the infection ever needs to be cleared, a single dose of an oral anti-parasitic drug eliminates the hookworms within 24 hours.

Although natural hookworm infection may cause only mild digestive symptoms in healthy adults, chronic infection with a large number of hookworms can be dangerous for children, pregnant people and malnourished or otherwise vulnerable individuals, leading to anemia, poor growth and development, pregnancy complications and, in extreme untreated cases, heart problems or death. This underscores the importance of keeping the infection strictly controlled for therapeutic use, Mitreva noted, which is possible because of the worms’ inability to reproduce without spending part of their life cycle in soil.

The antibody selected for this proof-of-concept study neutralizes tetrodotoxin, a paralyzing and potentially lethal toxin with no antidote. The work was funded by the US government’s Defense Advanced Research Projects Agency (VA, USA), with an eye toward finding solutions to biological and chemical threats to soldiers in remote locations.

The project presented significant technical hurdles: gene-editing tools that work in other organisms had not been adapted for hookworms, and no one had previously achieved stable genetic modification in the species.

To adapt hookworms for therapeutic use, Mitreva and her team drew on more than two decades of hookworm genomics research conducted at WashU Medicine. This depth of data helped them understand the organism’s biology from the cellular to the genetic level, allowing them to locate a viable site in the genome to insert the new gene carrying instructions for making the new antitoxin. Critically, they had to ensure the insertion wouldn’t disrupt surrounding gene activity and would prompt the worm to secrete the antitoxin out into the host.

The effort was successful: Blood collected from hamsters infected with Mitreva’s genetically modified hookworms partially neutralized tetrodotoxin, whereas blood from animals infected with unmodified worms had no neutralizing capability.

From proof-of-concept to broader platform

Mitreva noted that the level of neutralization achieved in this initial study, while significant, likely represents only a fraction of what the platform can ultimately deliver.

Several components of what she calls a “configurable chassis” are still being optimized to increase the amount of therapeutic protein produced and secreted. Because the worm resides in the gut and a substantial portion of what it secretes remains there, rather than entering the bloodstream, the researchers expect that concentrations of therapeutic molecules in the intestine may be substantially higher than what was detected in circulation in this study, making the platform suitable for gut-directed therapies.

“What we demonstrated here is that the concept works end to end – you can insert a gene, the worm produces the protein, the protein gets out of the worm, and it is functionally active in the host,” Mitreva said. “From that starting point, we can optimize the platform and think carefully about which diseases stand to benefit most from a delivery system that is continuous, targeted and long-lasting. That’s a fundamentally different kind of pharmaceutical biofactory platform, and we think it opens possibilities that are very hard to achieve with any other platform.”

Gut inflammatory diseases, including Crohn’s disease and ulcerative colitis, and food allergies are among the conditions Mitreva sees as strong candidates for future development. Diseases requiring small but sustained therapeutic concentrations, where compliance with repeated injections or infusions is a barrier, may also be well-suited to the platform.

Future studies will need to conduct rigorous safety evaluations before human use. Mitreva noted that biocontainment strategies, such as engineering the worms to be unable to produce eggs, are under consideration to protect hosts and their environments as the platform advances.

Da:

https://www.biotechniques.com/bioengineering-biophysics/world-first-gm-hookworms-can-produce-and-deliver-drugs-within-a-living-host/?utm_campaign=BioTechniques%20-%20Daily%20NL&utm_medium=email&_hsenc=p2ANqtz--E-grgU_sy8iR9OqR7EPSMoer4tu9_2dC5NqCejieunLBja0O8NWduvKyYp4JNl3cLIfMByIrfoEzmAe8smLbHOgOh32G4gzixEDl4Ds-2WAlh49Y&_hsmi=424486480&utm_content=424485239&utm_source=hs_email