Ett nytt system gör det möjligt för forskare att studera bakterier i minivävnader i en maträtt

Tekniska bakterier för att intelligent känna och reagera på sjukdomstillstånd, från infektioner till cancer, har blivit ett lovande fokus för syntetisk biologi. Snabba framsteg inom gentekniska verktyg har gjort det möjligt för forskare att "programmera" celler för att utföra olika sofistikerade uppgifter. Till exempel, ett nätverk av gener kan kopplas samman för att bilda en genetisk krets där celler kan konstrueras för att känna av miljön och modulera deras beteende eller producera molekyler som svar.

Ny forskning har funnit att många bakterier selektivt koloniserar tumörer in vivo, uppmanar forskare att konstruera dem som programmerbara fordon, biologiska "robotar" med andra ord, att leverera läkemedel mot cancer. Forskare utvecklar också nya, "smarta" läkemedel genom att programmera bakterier för att hantera andra sjukdomar, såsom gastrointestinal sjukdom och infektioner. Nyckeln till att främja sådana "levande läkemedel" är att kunna identifiera de bästa terapeutiska kandidaterna.

Dock, medan nuvarande verktyg för syntetisk biologi kan skapa ett enormt antal programmerade celler, forskares beroende av djurbaserade tester har kraftigt begränsat antalet behandlingar som kan testas och hur snabbt. Faktiskt, förmågan att snabbt utveckla nya terapier för människor överträffar genomströmningen av djurbaserade tester, skapa en stor flaskhals för klinisk översättning.

Forskare vid Columbia Engineering rapporterar idag i PNAS att de har utvecklat ett system som gör det möjligt för dem att studera tiotals till hundratals programmerade bakterier i minivävnader i en maträtt, kondensera studietiden från månader till dagar. Som ett bevis på konceptet, de fokuserade på att testa programmerade antitumörbakterier med hjälp av minitumörer som kallas tumör sfäroider. Hastigheten och hög genomströmning av deras teknik, som de kallar BSCC för "samkultur av bakterier sfäroider, "möjliggör stabil tillväxt av bakterier inom tumör sfäroider vilket möjliggör långsiktig studie. Metoden kan också användas för andra bakteriearter och celltyper. Teamet, ledd av Tal Danino, biträdande professor i biomedicinsk teknik, säger att, till deras kunskap, denna studie är den första som snabbt screenar och karaktäriserar bakterieterapier in vitro och kommer att vara ett användbart verktyg för många forskare inom området.

"Vi är mycket glada över hur effektiv BSCC är och tror att det verkligen kommer att påskynda konstruerad bakteriell terapi för klinisk användning, "Säger Danino." Genom att kombinera automation och robotteknik, BSCC kan testa ett stort bibliotek med terapier för att upptäcka effektiva behandlingar. Och eftersom BSCC är så allmänt tillämplig, vi kan modifiera systemet för att testa mänskliga prover liksom andra sjukdomar. Till exempel, det hjälper oss att anpassa medicinska behandlingar genom att skapa en patients cancer i en maträtt, och snabbt identifiera den bästa behandlingen för den specifika individen. "

Forskarna visste att även om många bakterier kan växa inuti en tumör på grund av det minskade immunsystemet där, bakterier dödas utanför tumören där kroppens immunsystem är aktivt. Inspirerad av denna mekanism, de sökte efter ett antibakteriellt medel som kan efterlikna bakteriens "dödande" effekt utanför sfäroiderna.

De utvecklade ett protokoll för att använda antibiotikumet gentamicin för att odla bakterier inuti sfäroider som liknar tumörer i kroppen. Med BSCC, de testade sedan snabbt ett brett utbud av programmerade anticancer -bakterieterapier gjorda av olika typer av bakterier, genetiska kretsar, och terapeutiska nyttolaster.

"Vi använde multicellulära 3D -sfäroider eftersom de sammanfattar förhållanden som finns i människokroppen, såsom syre- och näringsgradienter-dessa kan inte tillverkas i en traditionell 2D-monoskikts cellkultur, "säger tidningens huvudförfattare Tetsuhiro Harimoto, som är doktorand i Daninos laboratorium. "Dessutom, 3D -sfäroiden ger bakterier tillräckligt med utrymme för att leva i sin kärna, på ungefär samma sätt som bakterier koloniserar tumörer i kroppen, också något vi inte kan göra i 2D -monoskiktskulturen. Plus, det är enkelt att göra ett stort antal 3D-sfäroider och anpassa dem för screening med hög genomströmning. "

Teamet använde BSCC:s system med hög genomströmning för att snabbt karakterisera pooler av programmerade bakterier och sedan för att snabbt begränsa den bästa kandidaten för terapeutisk användning. De upptäckte en potent behandling för tjocktarmscancer, använder ett nytt bakterietoxin, theta toxin, kombinerat med en optimal läkemedelsleverans genetisk krets i försvagade bakterier Salmonella Typhimurium. De hittade också nya kombinationer av bakteriebehandlingar som kan förbättra effektiviteten mot cancer ännu mer.

Forskarna jämförde sina BSCC -resultat med de som finns i djurmodeller, och hittade liknande beteende hos bakterier i dessa modeller. De upptäckte också att deras toppkandidat, theta toxin, är mer potent än terapier som skapats tidigare, visar kraften i BSCC:s screening med hög genomströmning.

Medan Daninos grupp fokuserade på cancerterapi i denna studie, de hoppas kunna utöka BSCC för att karakterisera bakteriebaserade läkemedel mot olika sjukdomar, inklusive gastrointestinala sjukdomar och infektioner. Deras yttersta mål är att använda dessa nya bakterieterapier på kliniker runt om i världen.

• Ny studie ger bättre förståelse för säkerheten vid avmaskningsprogram
• Ny studie finner att tidigare beskrivna skillnader mellan endoskopister inte är sanna