Forskere udvikler en ny platform, der genskaber kræft i et fad for hurtigt at bestemme den bedste bakterieterapi

Engineering bakterier til intelligent at fornemme og reagere på sygdomstilstande, fra infektioner til kræft, er blevet et lovende fokus for syntetisk biologi. Hurtige fremskridt inden for gentekniske værktøjer har gjort det muligt for forskere at "programmere" celler til at udføre forskellige sofistikerede opgaver. For eksempel, et netværk af gener kan forbindes til et genetisk kredsløb, hvor celler kan konstrueres til at fornemme miljøet og modulere deres adfærd eller producere molekyler som reaktion.

Nyere forskning har fundet ud af, at mange bakterier selektivt koloniserer tumorer in vivo, får forskere til at konstruere dem som programmerbare køretøjer, biologiske "robotter" med andre ord, at levere behandling mod kræft. Forskere udvikler også nye, "smart" medicin ved at programmere bakterier til at tackle andre sygdomme, såsom mave -tarmsygdom og infektioner. Nøglen til at fremme sådanne "levende lægemidler" er at kunne identificere de bedste terapeutiske kandidater.

Imidlertid, mens nuværende værktøjer til syntetisk biologi kan skabe et enormt antal programmerede celler, forskernes afhængighed af dyrebaserede forsøg har i høj grad begrænset antallet af behandlinger, der kan testes, og hvor hurtigt. Faktisk, evnen til hurtigt at konstruere nye terapier til mennesker overgår langt overførslen af ​​dyrebaserede test, skaber en stor flaskehals for klinisk oversættelse.

Forskere ved Columbia Engineering rapporterer i dag i PNAS at de har udviklet et system, der gør dem i stand til at studere titusindvis til hundredvis af programmerede bakterier i mini-væv i en skål, kondenserer studietiden fra måneder til dage. Som et bevis på konceptet, de fokuserede på at teste programmerede antitumorbakterier ved hjælp af minitumorer kaldet tumorsfæroider. Hastigheden og den høje gennemstrømning af deres teknologi, som de kalder BSCC for "co-culture of bacteric spheroids, "muliggør stabil vækst af bakterier inden for tumorsfæroider, hvilket muliggør langsigtet undersøgelse. Metoden kan også bruges til andre bakteriearter og celletyper. Teamet, ledet af Tal Danino, adjunkt i biomedicinsk teknik, siger, at til deres viden, denne undersøgelse er den første til hurtigt at screene og karakterisere bakterieterapier in vitro og vil være et nyttigt værktøj for mange forskere inden for området.

"Vi er meget begejstrede for, hvor effektiv BSCC er, og tror, ​​det virkelig vil fremskynde konstrueret bakteriel terapi til klinisk brug, "Siger Danino." Ved at kombinere automatisering og robotteknologi, BSCC kan teste et stort bibliotek af terapier for at opdage effektive behandlinger. Og fordi BSCC er så bredt anvendelig, vi kan ændre systemet for at teste menneskelige prøver såvel som andre sygdomme. For eksempel, det vil hjælpe os med at personliggøre medicinske behandlinger ved at oprette en patients kræft i et fad, og hurtigt identificere den bedste terapi til det specifikke individ. "

Forskerne vidste, at mens mange bakterier kan vokse inde i en tumor på grund af det reducerede immunsystem der, bakterier dræbes uden for tumoren, hvor kroppens immunsystem er aktivt. Inspireret af denne mekanisme, de søgte efter et antibakterielt middel, der kan efterligne bakteriernes "dræbende" effekt uden for sfæroiderne.

De udviklede en protokol for at bruge antibiotikumet gentamicin til at dyrke bakterier inde i sfæroider, der ligner tumorer i kroppen. Ved hjælp af BSCC, de testede derefter hurtigt en bred vifte af programmerede anticancer -bakterielle terapier fremstillet af forskellige typer bakterier, genetiske kredsløb, og terapeutisk nyttelast.

"Vi brugte 3-D multicellulære sfæroider, fordi de rekapitulerer tilstande, der findes i menneskekroppen, såsom ilt og næringsstofgradienter-disse kan ikke laves i en traditionel 2-D monolags cellekultur, "siger papirets hovedforfatter Tetsuhiro Harimoto, hvem er ph.d. studerende i Daninos laboratorium. "Ud over, 3-D spheroid giver bakterier nok plads til at leve i sin kerne, på nogenlunde samme måde som bakterier koloniserer tumorer i kroppen, også noget, vi ikke kan gøre i 2-D monolags kulturen. Plus, det er simpelt at lave et stort antal 3D-sfæroider og tilpasse dem til screening med høj gennemstrømning. "

Teamet brugte BSCC's system med høj kapacitet til hurtigt at karakterisere puljer af programmerede bakterier og derefter hurtigt indsnævre den bedste kandidat til terapeutisk brug. De opdagede en potent terapi mod tyktarmskræft, ved hjælp af et nyt bakterietoksin, theta toksin, kombineret med et optimalt genetisk kredsløb til levering af lægemidler i svækkede bakterier Salmonella Typhimurium. De fandt også nye kombinationer af bakteriebehandlinger, der kan forbedre kræfteffekten endnu mere.

Forskerne sammenlignede deres BSCC -resultater med dem, der findes i dyremodeller, og fandt lignende opførsel af bakterier i disse modeller. De opdagede også, at deres spidskandidat, theta toksin, er mere potent end terapier skabt tidligere, demonstrere kraften i BSCCs screening med høj gennemløb.

Mens Daninos gruppe fokuserede på kræftterapi i denne undersøgelse, de håber at udvide BSCC til at karakterisere bakteriebaseret terapi til forskellige sygdomme, herunder mave -tarmsygdom og infektioner. Deres ultimative mål er at bruge disse nye bakterielle terapier i klinikker rundt om i verden.