Создание бактерий для разумного восприятия и реагирования на болезненные состояния, от инфекций до рака, стало многообещающим направлением синтетической биологии. Быстрое развитие инструментов генной инженерии позволило исследователям «программировать» клетки для выполнения различных сложных задач. Например, сеть генов может быть соединена вместе, чтобы сформировать генетическую цепь, в которой клетки могут быть сконструированы таким образом, чтобы ощущать окружающую среду и модулировать свое поведение или производить молекулы в ответ..
Недавнее исследование показало, что многие бактерии избирательно колонизируют опухоли in vivo, что побудило ученых создать из них программируемые транспортные средства, биологические «роботы», другими словами, для доставки противоопухолевых препаратов. Исследователи также разрабатывают новые «умные» лекарства, программируя бактерии для борьбы с другими заболеваниями, такими как желудочно-кишечные заболевания и инфекции. Ключом к продвижению таких «живых лекарств» является возможность определить лучшие терапевтические кандидаты.
Однако, в то время как современные инструменты синтетической биологии могут создавать огромное количество запрограммированных клеток, зависимость исследователей от испытаний на животных значительно ограничивает количество методов лечения, которые можно протестировать, и их скорость. Фактически, способность быстро разрабатывать новые методы лечения для людей намного превосходит возможности тестирования на животных, что создает серьезное препятствие для клинического применения.
Исследователи из Columbia Engineering сообщили сегодня в PNAS, что они разработали систему, которая позволяет им изучать от десятков до сотен запрограммированных бактерий в мини-тканях в чашке, сокращая время исследования с месяцев до дней. В качестве доказательства концепции они сосредоточились на тестировании запрограммированных противоопухолевых бактерий с использованием мини-опухолей, называемых опухолевыми сфероидами. Скорость и высокая производительность их технологии, которую они называют BSCC для «совместного культивирования сфероидов бактерий», обеспечивают стабильный рост бактерий внутри сфероидов опухоли, что позволяет проводить долгосрочные исследования. Метод также может быть использован для других видов бактерий и типов клеток. Команда, возглавляемая Талом Данино, доцентом биомедицинской инженерии, говорит, что, насколько им известно, это исследование является первым, в котором быстро проверяются и охарактеризовываются бактериальные методы лечения in vitro, и оно станет полезным инструментом для многих исследователей в этой области.
ВИДЕО:
«Мы очень рады тому, насколько эффективен BSCC, и думаем, что он действительно ускорит разработку инженерной бактериальной терапии для клинического использования», - говорит Данино. «Сочетая технологии автоматизации и робототехники, BSCC может протестировать большую библиотеку методов лечения, чтобы найти эффективные методы лечения. А поскольку BSCC настолько широко применима, мы можем модифицировать систему для тестирования образцов человека, а также других заболеваний. Например, это поможет нам персонализировать лечение, создав рак пациента в тарелке, и быстро определить наилучшую терапию для конкретного человека».
Исследователи знали, что хотя многие бактерии могут расти внутри опухоли из-за ослабленной там иммунной системы, бактерии погибают вне опухоли, где активна иммунная система организма. Вдохновленные этим механизмом, они искали антибактериальный агент, который мог бы имитировать эффект «убийства» бактерий вне сфероидов.
Они разработали протокол использования антибиотика гентамицина для выращивания бактерий внутри сфероидов, похожих на опухоли в организме. Затем с помощью BSCC они быстро протестировали широкий спектр запрограммированной противораковой бактериальной терапии, основанной на различных типах бактерий, генетических схемах и терапевтических нагрузках.
«Мы использовали трехмерные многоклеточные сфероиды, потому что они воспроизводят условия человеческого тела, такие как градиенты кислорода и питательных веществ - их нельзя создать в традиционной двумерной монослойной клеточной культуре», - говорит ведущий автор статьи Тецухиро Харимото., аспирант лаборатории Данино.«Кроме того, трехмерный сфероид предоставляет бактериям достаточно места для жизни в своем ядре, во многом так же, как бактерии колонизируют опухоли в организме, чего мы не можем сделать в двумерной монослойной культуре. Кроме того, это просто сделать. большое количество 3D-сфероидов и адаптировать их для высокопроизводительного скрининга."
Команда использовала высокопроизводительную систему BSCC, чтобы быстро охарактеризовать пулы запрограммированных бактерий, а затем быстро сузить круг наиболее подходящих кандидатов для терапевтического использования. Они открыли мощную терапию рака толстой кишки с использованием нового бактериального токсина, тета-токсина, в сочетании с оптимальной генетической цепью доставки лекарств в ослабленных бактериях Salmonella Typhimurium. Они также обнаружили новые комбинации бактериальной терапии, которые могут еще больше повысить противораковую эффективность.
Исследователи сравнили свои результаты BSCC с результатами, полученными на животных моделях, и обнаружили сходное поведение бактерий в этих моделях. Они также обнаружили, что их главный кандидат, тета-токсин, более эффективен, чем методы лечения, созданные в прошлом, что демонстрирует эффективность высокопроизводительного скрининга BSCC.
В то время как группа Данино сосредоточилась на терапии рака в этом исследовании, они надеются расширить BSCC, чтобы охарактеризовать основанные на бактериях терапевтические средства для различных заболеваний, включая желудочно-кишечные заболевания и инфекции. Их конечная цель - использовать эти новые бактериальные методы лечения в клиниках по всему миру.