Новым помощником в борьбе с раком и другими заболеваниями кишечника могут стать генетически измененные бактерии, которые выделяют лекарства для опухолей или кишечника.
Теперь новое исследование, проведенное с использованием мышей, демонстрирует, как однажды врачи могли бы лучше регулировать эти терапевтические микробы, настроив их так, чтобы они реагировали на температуру. Например, если сконструированные бактерии вводили пациенту с заболеванием, врачи теоретически могли бы приказать бактериям высвобождать лекарство только в интересующее место и больше нигде в организме, используя ультразвук для мягкого нагрева ткани..
«Бактерии можно сконструировать так, чтобы они действовали как специальные агенты, борющиеся с болезнями в наших телах», - говорит Михаил Шапиро из Калифорнийского технологического института, доцент кафедры химического машиностроения и главный исследователь Heritage, чья общая цель исследований - создать новые способы как визуализации, так и контрольные клетки - бактериальные клетки и клетки человека - для лечебных целей. «Мы делаем рации для сотовых, чтобы мы могли и слушать, и разговаривать с ними».
Шапиро является главным исследователем статьи о новом исследовании, опубликованной 14 ноября в журнале Nature Chemical Biology. Ведущими авторами являются Дэн Пиранер и Мохамад Абеди, аспиранты лаборатории Шапиро.
Исследование также показывает, как эти искусственные бактерии, оказавшись в организме пациента, могут быть запрограммированы на прекращение введения терапевтического средства или на самоуничтожение, если температура пациента повышается из-за лихорадки. Лихорадка может сигнализировать о том, что терапия не работает, и поэтому в интересах пациента, чтобы бактерии прекратили свою активность.
В другом применении технологии исследователи продемонстрировали, как бактерии могут быть спроектированы так, чтобы уничтожать себя, как только они покидают тело пациента через дефекацию. Более низкая температура за пределами тела хозяина сигнализировала бы сконструированным бактериям активировать генетический выключатель, тем самым уменьшая опасения по поводу распространения генетически измененных микробов в окружающую среду.
«Мы можем использовать эти термопереключатели в бактериях для управления различными видами поведения», - говорит Шапиро.
Стратегия использования искусственных бактерий для борьбы с болезнями - часть растущей области, называемой микробной терапией, - показала некоторые перспективы на животных моделях и людях. Предыдущие исследования показали, что некоторые бактерии естественным образом проникают в места опухоли, потому что они предпочитают среду с низким содержанием кислорода. Исследования показали, что эти бактерии могут быть направлены на высвобождение лекарства на опухоль, такого как разрушающий опухоль препарат гемолизин. Другие исследования показали, что бактерии, введенные в кишечник, могут высвобождать молекулы для уменьшения воспаления. Но эти бактерии могут оказаться в других частях тела, а не только в интересующих местах.
Метод, разработанный в лаборатории Шапиро, решает эту проблему, предоставляя механизм, с помощью которого бактерии могут быть проинструктированы направлять лекарства только в определенное анатомическое место. Идея состоит в том, что генетически модифицированные бактерии активируют свою терапевтическую программу при определенной температуре, создаваемой с помощью ультразвуковых инструментов, которые мягко нагревают ткани с точностью до миллиметра. Теоретически врач может ввести генетически измененные бактерии больному раком, а затем, сфокусировав ультразвук на месте опухоли, заставить бактерии бороться с опухолью.
«Мы можем пространственно и временно контролировать активность бактерий», - говорит Абеди. «Мы можем общаться с ними и говорить им, когда и где что-то нужно сделать».
Чтобы создать терморегулируемые бактерии, команде сначала нужно было найти кандидатов на генетические переключатели, активность которых зависит от изменений температуры. В конечном итоге они определили двух кандидатов. Первый представляет собой белок бактерий сальмонеллы, а второй происходит от бактериального вируса, называемого бактериофагом. Оба белка связываются с ДНК, чтобы включать и выключать генетическую цепь в зависимости от температуры.
Затем ученые использовали технику белковой инженерии - «направленную эволюцию», впервые предложенную Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского технологического института - для эволюции белков в лаборатории и настройки температуры их переключения. Например, белок сальмонеллы изначально активировался при температуре от 42 до 44 градусов по Цельсию. Используя направленную эволюцию, ученые создали версии с температурой активации от 36 до 39 градусов по Цельсию. Когда эти генетические переключатели используются для контроля экспрессии терапевтических белков, они могут действовать как регуляторы температуры, включая или выключая терапию при заданной температуре.
«Когда мы думали о том, как заставить бактерии чувствовать температуру, мы посмотрели на природу и нашли несколько систем, в которых бактерии могут это делать», - говорит Пиранер. «Мы проверили производительность, нашли те, у которых были лучшие характеристики переключения. Оттуда мы пришли к выводу, что их можно настраивать и усиливать. Все началось с того, что дала нам природа, а инженерия довела нас до конца.."