Новая система позволяет исследователям изучать бактерии внутри миниатюрных тканей на тарелке.

Разработка бактерий, которые будут разумно распознавать болезненные состояния и реагировать на них, от инфекций до рака, стал многообещающим направлением синтетической биологии. Быстрый прогресс в области инструментов 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 чувствовать окружающую среду и модулировать свое поведение или производить молекулы в ответ.

Недавние исследования показали, что многие бактерии селективно колонизируют опухоли in vivo, побуждая ученых создавать их как программируемые средства передвижения, иными словами, биологические «роботы», для доставки противоопухолевых препаратов. Исследователи также разрабатывают новые, «умные» лекарства, программирующие бактерии на борьбу с другими заболеваниями, такие как желудочно-кишечные заболевания и инфекции. Ключом к продвижению таких «живых лекарств» является способность определять лучших терапевтических кандидатов.

Тем не мение, в то время как современные инструменты синтетической биологии могут создать огромное количество запрограммированных клеток, зависимость исследователей от тестирования на животных сильно ограничила количество методов лечения, которые могут быть протестированы, и их скорость. По факту, способность быстро разрабатывать новые методы лечения людей намного превышает производительность испытаний на животных, создавая 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 учебы 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, которые они называют BSCC для "совместного культивирования сфероидов бактерий, «обеспечивает стабильный рост бактерий внутри опухолевых сфероидов, что позволяет проводить долгосрочные исследования. Этот метод также можно использовать для других видов бактерий и типов клеток. Команда, во главе с Талом Данино, доцент кафедры биомедицинской инженерии, Говорит, что, насколько им известно, Это первое исследование, в котором быстро проводится скрининг и характеристика методов лечения бактериями in vitro, и оно станет полезным инструментом для многих исследователей в этой области.

«Мы очень взволнованы тем, насколько эффективен BSCC, и думаем, что он действительно ускорит разработку инженерной бактериальной терапии для клинического использования, - говорит Данино. - Объединив технологии автоматизации и робототехники, BSCC может протестировать большую библиотеку методов лечения, чтобы найти эффективные методы лечения. И поскольку BSCC настолько широко применим, мы можем модифицировать систему для тестирования человеческих образцов, 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 убиваются за пределами опухоли, где активна иммунная система организма. Вдохновленный этим механизмом, они искали антибактериальный агент, который может имитировать «убивающий» эффект бактерий за пределами сфероидов.

Они разработали протокол использования антибиотика гентамицина для выращивания бактерий внутри сфероидов, похожих на опухоли в организме. Используя BSCC, затем они быстро протестировали широкий спектр запрограммированных противоопухолевых бактериальных терапий, основанных на различных типах бактерий, генетические схемы, и терапевтические нагрузки.

«Мы использовали трехмерные многоклеточные сфероиды, потому что они воспроизводят состояния человеческого тела, такие как градиенты кислорода и питательных веществ - их невозможно получить в традиционной двумерной монослойной культуре клеток, "говорит ведущий автор газеты Тецухиро Харимото, кто аспирант в лаборатории Данино. "Кроме того, трехмерный сфероид предоставляет бактериям достаточно места для жизни в его ядре, почти так же, как бактерии колонизируют опухоли в организме, также то, что мы не можем сделать в двумерной монослойной культуре. 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 использования. Они открыли мощную терапию рака толстой кишки, используя новый бактериальный токсин, тета-токсин, в сочетании с оптимальной генетической схемой доставки лекарств в аттенуированных 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 животных моделях. и обнаружил аналогичное поведение бактерий в этих моделях. Они также обнаружили, что их главный кандидат, тета-токсин, более эффективен, чем методы лечения, созданные в прошлом, демонстрируя возможности высокопроизводительного скрининга BSCC.

В то время как группа Данино в этом исследовании сосредоточилась на терапии рака, они надеются расширить BSCC, чтобы охарактеризовать терапию 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.

• Новое исследование позволяет лучше понять безопасность программ дегельминтизации.
• Новое исследование показало, что ранее описанные различия между эндоскопистами не соответствуют действител…