O novo sistema permite que os pesquisadores estudem bactérias em minitecidos em um prato

Engenharia de bactérias para detectar e responder de forma inteligente aos estados de doença, de infecções a câncer, tornou-se um foco promissor da biologia sintética. Os rápidos avanços nas ferramentas de engenharia genética permitiram aos pesquisadores "programar" células para realizar várias tarefas sofisticadas. Por exemplo, uma rede de genes pode ser conectada para formar um circuito genético no qual as células podem ser projetadas para sentir o ambiente e modular seu comportamento ou produzir moléculas em resposta.

Uma pesquisa recente descobriu que muitas bactérias colonizam seletivamente tumores in vivo, levando os cientistas a projetá-los como veículos programáveis, em outras palavras, "robôs" biológicos para fornecer terapêuticas anticâncer. Os pesquisadores também estão desenvolvendo novos, medicamentos "inteligentes", programando bactérias para combater outras doenças, como doenças gastrointestinais e infecções. A chave para o avanço de tais "medicamentos vivos" é ser capaz de identificar os melhores candidatos terapêuticos.

Contudo, enquanto as ferramentas atuais de biologia sintética podem criar um número enorme de células programadas, a dependência dos pesquisadores de testes em animais limitou muito o número de terapias que podem ser testadas e a rapidez. Na verdade, a capacidade de criar rapidamente novas terapias para humanos supera em muito o rendimento dos testes em animais, criando um grande gargalo para a tradução clínica.

Pesquisadores da Columbia Engineering relatam hoje no PNAS que desenvolveram um sistema que os permite estudar dezenas a centenas de bactérias programadas em minitecidos em um prato, condensando o tempo de estudo de meses para dias. Como prova de conceito, eles se concentraram em testar bactérias antitumorais programadas usando minitumores chamados esferóides tumorais. A velocidade e o alto rendimento de sua tecnologia, que eles chamam de BSCC para "co-cultura de esferóides de bactérias, "permite o crescimento estável de bactérias dentro de esferóides tumorais, permitindo um estudo a longo prazo. O método também pode ser usado para outras espécies de bactérias e tipos de células. A equipe, liderado por Tal Danino, professor assistente de engenharia biomédica, diz que, ao conhecimento deles, este estudo é o primeiro a rastrear e caracterizar rapidamente terapias com bactérias in vitro e será uma ferramenta útil para muitos pesquisadores da área.

"Estamos muito animados com a eficiência do BSCC e achamos que realmente acelerará a terapia bacteriana projetada para uso clínico, "Danino diz." Ao combinar a tecnologia de automação e robótica, BSCC pode testar uma grande biblioteca de terapias para descobrir tratamentos eficazes. E porque BSCC é amplamente aplicável, podemos modificar o sistema para testar amostras humanas, bem como outras doenças. Por exemplo, isso nos ajudará a personalizar os tratamentos médicos, criando o câncer de um paciente em um prato, e identificar rapidamente a melhor terapia para o indivíduo específico. "

Os pesquisadores sabiam que, embora muitas bactérias possam crescer dentro de um tumor por causa da redução do sistema imunológico lá, as bactérias são mortas fora do tumor, onde o sistema imunológico do corpo está ativo. Inspirado por este mecanismo, eles procuraram por um agente antibacteriano que pode imitar o efeito de "matar" bactérias fora dos esferóides.

Eles desenvolveram um protocolo para usar o antibiótico gentamicina para cultivar bactérias dentro de esferóides semelhantes a tumores no corpo. Usando BSCC, eles então testaram rapidamente uma ampla gama de terapias bacterianas anticâncer programadas feitas de vários tipos de bactérias, circuitos genéticos, e cargas úteis terapêuticas.

"Usamos esferóides multicelulares 3D porque eles recapitulam as condições encontradas no corpo humano, como gradientes de oxigênio e nutrientes - isso não pode ser feito em uma cultura de células em monocamada 2D tradicional, "diz o autor principal do jornal, Tetsuhiro Harimoto, que é aluno de doutorado no laboratório de Danino. "Além disso, o esferóide 3D fornece às bactérias espaço suficiente para viver em seu núcleo, da mesma forma que as bactérias colonizam tumores no corpo, também algo que não podemos fazer na cultura de monocamada 2D. Mais, é simples fazer um grande número de esferóides 3D e adaptá-los para triagem de alto rendimento. "

A equipe usou o sistema de alto rendimento do BSCC para caracterizar rapidamente pools de bactérias programadas e, em seguida, restringir rapidamente o melhor candidato para uso terapêutico. Eles descobriram uma terapia potente para o câncer de cólon, usando uma nova toxina bacteriana, toxina teta, combinado com um circuito genético de entrega de droga ideal em bactérias atenuadas Salmonella Typhimurium. Eles também encontraram novas combinações de terapias bacterianas que podem melhorar ainda mais a eficácia anticâncer.

Os pesquisadores compararam seus resultados BSCC aos encontrados em modelos animais, e encontraram comportamento semelhante de bactérias nesses modelos. Eles também descobriram que seu principal candidato, toxina teta, é mais potente do que as terapias criadas no passado, demonstrando o poder da triagem de alto rendimento do BSCC.

Enquanto o grupo de Danino se concentrou na terapia do câncer neste estudo, eles esperam expandir o BSCC para caracterizar a terapêutica baseada em bactérias para várias doenças, incluindo doenças gastrointestinais e infecções. Seu objetivo final é usar essas novas terapias bacterianas em clínicas em todo o mundo.

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