Ученые разрабатывают новую платформу, которая воссоздает рак, чтобы быстро определить лучшую бактериальную терапию
Инженерные бактерии для интеллектуального восприятия и реагирования на болезненные состояния, от инфекций до рака, стали перспективным направлением синтетической биологии. Быстрый прогресс в инструментах генной инженерии позволил 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 так, чтобы воспринимать окружающую среду и модулировать свое поведение или продуцировать молекулы в ответ.
Недавние исследования показали, что многие бактерии избирательно колонизируют опухоли in vivo, побуждая ученых создавать их в качестве программируемых носителей, иными словами, биологических «роботов» для доставки противоопухолевой терапии. 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 определения лучших терапевтических кандидатов.
Однако, несмотря на то, что современные инструменты синтетической биологии могут создавать огромное количество запрограммированных клеток, зависимость исследователей от испытаний на животных значительно ограничивает количество методов, которые можно тестировать, и насколько быстро. Фактически, способность быстро разрабатывать новые методы лечения для людей намного превосходит возможности тестирования на животных, создавая серьезное препятствие для клинического перевода.
Исследователи из Columbia Engineering докладывают сегодня в PNASчто они разработали систему, которая позволяет им изучать от десятков до сотен запрограммированных бактерий в мини-тканях в чашке, сокращая время обучения от 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», обеспечивает стабильный рост бактерий в сфероидах опухоли, что позволяет проводить длительные исследования. Способ также может быть использован для других видов бактерий и типов клеток. Команда под руководством Тала Данино, доцента кафедры биомедицинской инженерии, говорит, что, насколько им известно, это исследование является первым, которое быстро проведет скрининг и характеристику терапии бактериями in vitro, и будет полезным инструментом для многих исследователей в этой области.
«Мы очень рады тому, насколько эффективен BSCC, и думаем, что он действительно ускорит разработку бактериальной терапии для клинического применения» , — говорит Данино. «Комбинируя технологии автоматизации и робототехники, BSCC может протестировать большую библиотеку методов лечения для выявления эффективных методов лечения. А поскольку BSCC широко применяется, мы можем модифицировать систему для тестирования образцов человека, а также других заболеваний. Например, это поможет мы персонализируем лечение, создавая рак пациента в блюде, и быстро определяем лучшую 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 может имитировать эффект «уничтожения» бактерий вне сфероидов.
Они разработали протокол использования антибиотика гентамицина для выращивания бактерий внутри сфероидов, которые похожи на опухоли в организме. Используя BSCC, они затем быстро протестировали широкий спектр запрограммированных противораковых бактериальных методов лечения, сделанных из различных типов бактерий, генетических цепей и терапевтических нагрузок.
«Мы использовали трехмерные многоклеточные сфероиды, потому что они повторяют условия, обнаруживаемые в организме человека, такие как градиенты содержания кислорода и питательных веществ — это невозможно сделать в традиционной культуре двумерных однослойных клеток», — говорит ведущий автор газеты Тетсухиро Харимото, кто доктор философии студент в лаборатории Данино. «Кроме того, 3-D сфероид предоставляет бактериям достаточно места для жизни в его ядре, почти так же, как бактерии колонизируют опухоли в организме, что мы также не можем сделать в 2-D культуре монослоя. Плюс, просто сделать большое количество трехмерных сфероидов и адаптировать их для высокопроизводительного скрининга ».
Команда использовала высокопроизводительную систему BSCC, чтобы быстро охарактеризовать пулы запрограммированных бактерий, а затем быстро найти лучшего кандидата для терапевтического применения. Они обнаружили эффективную терапию рака толстой кишки с использованием нового бактериального токсина , тета-токсина, в сочетании с оптимальной генетической схемой доставки лекарств в аттенуированных бактериях Salmonella Typhimurium. Они также нашли 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 на этих моделях. Они также обнаружили, что их лучший кандидат, тета-токсин, более эффективен, чем методы лечения, созданные в прошлом, что демонстрирует мощь высокопроизводительного скрининга BSCC.
В то время как группа Данино сосредоточилась на лечении рака в этом исследовании, они надеются расширить BSCC, чтобы характеризовать основанные на бактериях средства для лечения различных заболеваний, включая желудочно-кишечные заболевания и инфекции. Их конечная цель — использовать эти новые бактериальные методы лечения в клиниках по всему миру.
