Neuartiges System ermöglicht Forschern die Untersuchung von Bakterien in Minigeweben in einer Schale

Bakterien manipulieren, um Krankheitszustände intelligent zu erkennen und darauf zu reagieren, von Infektionen bis Krebs, ist zu einem vielversprechenden Schwerpunkt der synthetischen Biologie geworden. Schnelle Fortschritte bei gentechnischen Werkzeugen haben es Forschern ermöglicht, Zellen zu "programmieren", um verschiedene anspruchsvolle Aufgaben auszuführen. Zum Beispiel, Ein Netzwerk von Genen kann miteinander verbunden werden, um einen genetischen Schaltkreis zu bilden, in dem Zellen so konstruiert werden können, dass sie die Umwelt wahrnehmen und ihr Verhalten modulieren oder als Reaktion darauf Moleküle produzieren.

Neuere Forschungen haben ergeben, dass viele Bakterien Tumore in vivo selektiv besiedeln, Wissenschaftler auffordern, sie als programmierbare Fahrzeuge zu konstruieren, biologische "Roboter", mit anderen Worten, Krebstherapeutika zu verabreichen. Forscher entwickeln auch neue, "intelligente" Medikamente, indem Bakterien programmiert werden, um andere Krankheiten zu bekämpfen, wie Magen-Darm-Erkrankungen und Infektionen. Der Schlüssel zur Weiterentwicklung solcher "lebender Medikamente" liegt darin, die besten therapeutischen Kandidaten zu identifizieren.

Jedoch, während die gegenwärtigen Werkzeuge der synthetischen Biologie eine enorme Anzahl programmierter Zellen erzeugen können, Die Abhängigkeit der Forscher von Tierversuchen hat die Zahl der Therapien, die getestet werden können und wie schnell sie durchgeführt werden können, stark eingeschränkt. Eigentlich, die Fähigkeit, schnell neue Therapien für den Menschen zu entwickeln, übertrifft den Durchsatz von Tierversuchen bei weitem, einen großen Engpass für die klinische Übersetzung schaffen.

Forscher von Columbia Engineering berichten heute in PNAS, dass sie ein System entwickelt haben, das es ihnen ermöglicht, Dutzende bis Hunderte von programmierten Bakterien in Minigeweben in einer Schale zu untersuchen. Verkürzung der Studienzeit von Monaten auf Tage. Als Proof of Concept, Sie konzentrierten sich auf das Testen von programmierten Antitumorbakterien mit Mini-Tumoren, die als Tumorsphäroide bezeichnet werden. Die Geschwindigkeit und der hohe Durchsatz ihrer Technologie, die sie BSCC für "Bakteriensphäroid-Kokultur" nennen, " ermöglicht ein stabiles Bakterienwachstum in Tumorsphäroiden, was Langzeitstudien ermöglicht. Die Methode kann auch für andere Bakterienarten und Zelltypen verwendet werden. Das Team, angeführt von Tal Danino, Assistenzprofessor für Biomedizinische Technik, sagt, dass, nach ihrem Wissen, Diese Studie ist die erste, die Bakterientherapien in vitro schnell durchmustert und charakterisiert, und wird für viele Forscher auf diesem Gebiet ein nützliches Werkzeug sein.

„Wir sind sehr gespannt, wie effizient BSCC ist und glauben, dass es die technisch ausgereifte Bakterientherapie für den klinischen Einsatz wirklich beschleunigen wird. " sagt Danino. "Durch die Kombination von Automatisierungs- und Robotiktechnologie BSCC kann eine große Bibliothek von Therapien testen, um wirksame Behandlungen zu entdecken. Und weil BSCC so breit anwendbar ist, Wir können das System modifizieren, um menschliche Proben sowie andere Krankheiten zu testen. Zum Beispiel, es wird uns helfen, medizinische Behandlungen zu personalisieren, indem es den Krebs eines Patienten in einem Gericht erzeugt, und schnell die beste Therapie für die jeweilige Person zu identifizieren."

Die Forscher wussten, dass im Inneren eines Tumors viele Bakterien aufgrund des dort geschwächten Immunsystems wachsen können, Bakterien werden außerhalb des Tumors abgetötet, wo das körpereigene Immunsystem aktiv ist. Inspiriert von diesem Mechanismus, Sie suchten nach einem antibakteriellen Mittel, das die "tötende" Wirkung von Bakterien außerhalb der Sphäroide nachahmen kann.

Sie entwickelten ein Protokoll, um das Antibiotikum Gentamicin zu verwenden, um Bakterien in Sphäroiden zu züchten, die Tumoren im Körper ähneln. Mit BSCC, Sie testeten dann schnell eine breite Palette programmierter bakterieller Krebstherapien, die aus verschiedenen Bakterienarten bestanden, genetische Schaltkreise, und therapeutische Nutzlasten.

„Wir haben mehrzellige 3D-Sphäroide verwendet, weil sie die Zustände im menschlichen Körper rekapitulieren. wie Sauerstoff- und Nährstoffgradienten – diese können in einer herkömmlichen 2D-Monolayer-Zellkultur nicht hergestellt werden, “ sagt der Hauptautor der Zeitung, Tetsuhiro Harimoto, der Doktorand in Daninos Labor ist. "Zusätzlich, das 3D-Sphäroid bietet Bakterien in seinem Kern genügend Platz zum Leben, ähnlich wie Bakterien Tumore im Körper besiedeln, auch etwas, was wir in der 2D-Monolayer-Kultur nicht tun können. Plus, Es ist einfach, eine große Anzahl von 3D-Sphäroiden herzustellen und sie für das Hochdurchsatz-Screening anzupassen."

Das Team verwendete das Hochdurchsatzsystem des BSCC, um Pools programmierter Bakterien schnell zu charakterisieren und dann schnell den besten Kandidaten für den therapeutischen Einsatz einzugrenzen. Sie entdeckten eine wirksame Therapie für Dickdarmkrebs, mit einem neuartigen bakteriellen Toxin, Theta-Toxin, kombiniert mit einem optimalen genetischen Schaltkreis zur Wirkstoffabgabe in abgeschwächten Bakterien Salmonella Typhimurium. Sie fanden auch neue Kombinationen bakterieller Therapien, die die Wirksamkeit gegen Krebs noch weiter verbessern können.

Die Forscher verglichen ihre BSCC-Ergebnisse mit denen in Tiermodellen, und fanden ein ähnliches Verhalten von Bakterien in diesen Modellen. Sie entdeckten auch, dass ihr Spitzenkandidat, Theta-Toxin, wirksamer ist als Therapien, die in der Vergangenheit entwickelt wurden, demonstriert die Leistungsfähigkeit des Hochdurchsatz-Screenings von BSCC.

Während sich Daninos Gruppe in dieser Studie auf die Krebstherapie konzentrierte, Sie hoffen, BSCC erweitern zu können, um bakterienbasierte Therapeutika für verschiedene Krankheiten zu charakterisieren, einschließlich Magen-Darm-Erkrankungen und Infektionen. Ihr ultimatives Ziel ist es, diese neuen bakteriellen Therapien in Kliniken auf der ganzen Welt einzusetzen.​​

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