Недавние исследования показали, что многие бактерии селективно колонизируют опухоли in vivo, что побудило ученых создать из них программируемые средства передвижения, иными словами, биологические «роботы» для доставки противоопухолевых препаратов. Исследователи также разрабатывают новые, «умные» лекарства, программируя бактерии на борьбу с другими заболеваниями, такими как желудочно-кишечные заболевания и инфекции. Ключом к продвижению таких «живых лекарств» является способность определять лучших терапевтических кандидатов.
Однако, хотя современные инструменты синтетической биологии могут создавать огромное количество запрограммированных клеток, зависимость исследователей от испытаний на животных значительно ограничила количество методов лечения, которые можно протестировать, и скорость. Фактически, способность быстро разрабатывать новые методы лечения людей намного превышает производительность испытаний на животных, что создает серьезное препятствие для клинического перевода.
Исследователи из Columbia Engineering сообщают 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», позволяет стабильно расти бактериям внутри опухолевых сфероидов, обеспечивая долгосрочное изучение. Метод также может быть использован для других видов бактерий и типов клеток.
Команда, возглавляемая Талом Данино, доцентом кафедры биомедицинской инженерии, говорит, что, насколько им известно, это исследование является первым, в котором проводится быстрый скрининг и характеристика бактериальной терапии in vitro, и оно станет полезным инструментом для многих исследователей в этой области.
ВИДЕО: https: // youtu.be / fBMiMXqcvaU
«Мы очень взволнованы тем, насколько эффективен BSCC, и думаем, что он действительно ускорит разработку инженерной бактериальной терапии для клинического использования», – говорит Данино. "Комбинируя технологии автоматизации и робототехники, BSCC может протестировать большую библиотеку методов лечения, чтобы найти эффективные методы лечения.
А поскольку BSCC широко применяется, мы можем модифицировать систему для тестирования образцов человека, а также других заболеваний. Например, это поможет нам персонализировать лечение, создавая рак пациента в блюде, и быстро определить лучшую терапию для конкретного человека."
Исследователи знали, что, хотя многие бактерии могут расти внутри опухоли из-за ослабленной там иммунной системы, бактерии погибают за пределами опухоли, где иммунная система организма активна. Вдохновленные этим механизмом, они искали антибактериальное средство, которое имитировало бы эффект «уничтожения» бактерий за пределами сфероидов.
Они разработали протокол использования антибиотика гентамицина для выращивания бактерий внутри сфероидов, похожих на опухоли в организме.
Затем, используя BSCC, они быстро протестировали широкий спектр запрограммированных противоопухолевых бактериальных терапий, основанных на различных типах бактерий, генетических цепях и терапевтических нагрузках.
«Мы использовали трехмерные многоклеточные сфероиды, потому что они воспроизводят условия человеческого тела, такие как градиенты кислорода и питательных веществ – их невозможно получить в традиционной двумерной однослойной культуре клеток», – говорит ведущий автор статьи Тетсухиро Харимото, Аспирант в лаборатории Данино. «Кроме того, трехмерный сфероид предоставляет бактериям достаточно места для жизни в своем ядре, почти так же, как бактерии колонизируют опухоли в организме, что мы не можем сделать в двумерной монослойной культуре. Кроме того, легко создавать 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 использования.
Они открыли мощную терапию рака толстой кишки с использованием нового бактериального токсина, тета-токсина, в сочетании с оптимальной генетической схемой доставки лекарств в ослабленных бактериях Salmonella Typhimurium. Они также обнаружили новые комбинации бактериальных методов лечения, которые могут еще больше повысить противоопухолевую эффективность.
Исследователи сравнили свои результаты BSCC с результатами, полученными на моделях на животных, и обнаружили аналогичное поведение бактерий в этих моделях. Они также обнаружили, что их главный кандидат, тета-токсин, более эффективен, чем методы лечения, созданные в прошлом, демонстрируя мощь высокопроизводительного скрининга BSCC.
В то время как группа Данино сосредоточилась на терапии рака в этом исследовании, они надеются расширить BSCC, чтобы охарактеризовать лекарственные средства на основе бактерий для различных заболеваний, включая желудочно-кишечные заболевания и инфекции. Их конечная цель – использовать эти новые бактериальные методы лечения в клиниках по всему миру.