Nový systém umožňuje výskumníkom študovať baktérie v minitkanivách v miske

Inžinierstvo baktérií, ktoré inteligentne vnímajú chorobné stavy a reagujú na ne, od infekcií po rakovinu, sa stala sľubným zameraním syntetickej biológie. Rýchly pokrok v nástrojoch genetického inžinierstva umožnil výskumníkom „naprogramovať“ bunky na vykonávanie rôznych sofistikovaných úloh. Napríklad, sieť génov môže byť prepojená dohromady, aby vytvorila genetický obvod, v ktorom môžu byť bunky navrhnuté tak, aby vnímali prostredie a modulovali svoje správanie alebo produkovali molekuly v reakcii.

Nedávny výskum zistil, že mnohé baktérie selektívne kolonizujú nádory in vivo, prinútiť vedcov, aby ich skonštruovali ako programovateľné vozidlá, biologickými „robotmi“, inými slovami, dodávať protirakovinové liečivá. Vedci tiež vyvíjajú nové, „múdre“ lieky programovaním baktérií na boj proti iným chorobám, ako sú gastrointestinálne choroby a infekcie. Kľúčom k pokroku v týchto „živých liekoch“ je schopnosť identifikovať najlepších terapeutických kandidátov.

Avšak, zatiaľ čo súčasné nástroje syntetickej biológie môžu vytvoriť obrovské množstvo naprogramovaných buniek, Závislosť výskumných pracovníkov na testovaní na zvieratách výrazne obmedzila počet terapií, ktoré je možné testovať a ako rýchlo. V skutočnosti, schopnosť rýchlo navrhnúť nové terapie pre ľudí ďaleko prevyšuje priepustnosť testovania na zvieratách, vytvorenie významného úzkeho miesta pre klinický preklad.

Vedci z Columbia Engineering dnes v PNAS uviedli, že vyvinuli systém, ktorý im umožňuje študovať desiatky až stovky naprogramovaných baktérií v minitkanivách v miske, kondenzovanie času štúdia z mesiacov na dni. Ako dôkaz koncepcie, zamerali sa na testovanie naprogramovaných protinádorových baktérií pomocou mini-nádorov nazývaných nádorové sféroidy. Rýchlosť a vysoká priepustnosť ich technológie, ktoré nazývajú BSCC pre „kultiváciu bakteriálnych sféroidov“ "umožňuje stabilný rast baktérií v nádorových sféroidoch, čo umožňuje dlhodobé štúdium. Metódu je možné použiť aj pre iné druhy baktérií a typy buniek. Tím, pod vedením Tal Danina, odborný asistent biomedicínskeho inžinierstva, hovorí že, podľa ich vedomia, táto štúdia je prvou, ktorá rýchlo preveruje a charakterizuje bakteriálnu terapiu in vitro a bude užitočným nástrojom pre mnohých výskumníkov v tejto oblasti.

„Sme veľmi nadšení z toho, ako účinný je BSCC, a myslíme si, že skutočne urýchli inžiniersku bakteriálnu terapiu na klinické použitie, „Hovorí Danino.“ Kombináciou technológie automatizácie a robotiky BSCC môže testovať veľkú knižnicu terapií, aby objavila účinné liečby. A pretože BSCC je tak široko použiteľný, môžeme modifikovať systém tak, aby testoval vzorky ľudí, ako aj iné choroby. Napríklad, pomôže nám to prispôsobiť liečebné postupy vytvorením rakoviny pacienta v miske, a rýchlo identifikovať najlepšiu terapiu pre konkrétneho jednotlivca. “

Vedci vedeli, že zatiaľ čo mnoho baktérií môže rásť vo vnútri nádoru kvôli zníženému imunitnému systému, baktérie sú usmrtené mimo nádor, kde je aktívny imunitný systém tela. Inšpirovaný týmto mechanizmom, hľadali antibakteriálne činidlo, ktoré môže napodobňovať účinok „zabíjania“ baktérií mimo sféroidov.

Vyvinuli protokol na použitie antibiotika gentamycínu na rast baktérií vo sféroidoch, ktoré sú podobné nádorom v tele. Pomocou BSCC, potom rýchlo testovali širokú škálu programovaných protirakovinových bakteriálnych terapií vyrobených z rôznych typov baktérií, genetické okruhy, a terapeutické užitočné zaťaženie.

„Použili sme 3D mnohobunkové sféroidy, pretože rekapitulujú podmienky nachádzajúce sa v ľudskom tele, ako sú gradienty kyslíka a živín-tieto nie je možné vyrobiť v tradičnej 2D jednovrstvovej bunkovej kultúre, “hovorí hlavný autor článku Tetsuhiro Harimoto, ktorý je doktorandom v Daninovom laboratóriu. "Navyše, 3D sféroid poskytuje baktériám dostatok priestoru na život v ich jadre, rovnakým spôsobom, akým baktérie kolonizujú nádory v tele, tiež niečo, čo nemôžeme urobiť v kultúre 2D jednovrstvových materiálov. Plus, je jednoduché vyrobiť veľké množstvo 3D sféroidov a prispôsobiť ich na vysokovýkonný skríning. “

Tím použil vysokovýkonný systém BSCC na rýchlu charakterizáciu zásob programovaných baktérií a potom na rýchle zúženie najlepšieho kandidáta na terapeutické použitie. Objavili silnú terapiu rakoviny hrubého čreva, s použitím nového bakteriálneho toxínu, theta toxín, v kombinácii s optimálnym genetickým obvodom dodávania liečiva v oslabených baktériách Salmonella Typhimurium. Našli tiež nové kombinácie bakteriálnych terapií, ktoré môžu ešte viac zlepšiť protirakovinovú účinnosť.

Vedci porovnali svoje výsledky BSCC s výsledkami zistenými na zvieracích modeloch, a v týchto modeloch zistil podobné správanie baktérií. Tiež zistili, že ich top kandidát, theta toxín, je účinnejší ako terapie vytvorené v minulosti, demonštruje silu vysokovýkonného skríningu BSCC.

Zatiaľ čo sa Danino skupina v tejto štúdii zamerala na liečbu rakoviny, dúfajú, že rozšíria BSCC s cieľom charakterizovať terapeutiká založené na baktériách pre rôzne choroby, vrátane gastrointestinálnych chorôb a infekcií. Ich konečným cieľom je použiť tieto nové bakteriálne terapie na klinikách po celom svete.

• Nová štúdia poskytuje lepšie pochopenie bezpečnosti programov odčervovania
• Nová štúdia zistila, že skôr popísané rozdiely medzi endoskopistami nie sú pravdivé