Engineering bacteriën om intelligent te voelen en te reageren op ziektetoestanden, van infecties tot kanker, is uitgegroeid tot een veelbelovende focus van synthetische biologie. Snelle vooruitgang in genetische manipulatietools hebben onderzoekers in staat gesteld om cellen te "programmeren" om verschillende geavanceerde taken uit te voeren. Bijvoorbeeld, een netwerk van genen kan aan elkaar worden gekoppeld om een ​​genetisch circuit te vormen waarin cellen kunnen worden gemanipuleerd om de omgeving waar te nemen en hun gedrag te moduleren of als reactie daarop moleculen te produceren.

Recent onderzoek heeft uitgewezen dat veel bacteriën tumoren selectief in vivo koloniseren, wetenschappers ertoe aanzetten om ze te ontwerpen als programmeerbare voertuigen, biologische "robots" met andere woorden, om geneesmiddelen tegen kanker te leveren. Onderzoekers ontwikkelen ook nieuwe, "slimme" medicijnen door bacteriën te programmeren om andere ziekten aan te pakken, zoals gastro-intestinale aandoeningen en infecties. De sleutel tot het bevorderen van dergelijke "levende medicijnen" is het kunnen identificeren van de beste therapeutische kandidaten.

Echter, terwijl de huidige synthetische biologietools een enorm aantal geprogrammeerde cellen kunnen creëren, De afhankelijkheid van onderzoekers van dierproeven heeft het aantal therapieën dat kan worden getest en hoe snel, sterk beperkt. In feite, het vermogen om snel nieuwe therapieën voor mensen te ontwikkelen, overtreft ver de doorvoer van dierproeven, het creëren van een belangrijk knelpunt voor klinische vertaling.

Onderzoekers van Columbia Engineering rapporteren vandaag in: PNAS dat ze een systeem hebben ontwikkeld waarmee ze tientallen tot honderden geprogrammeerde bacteriën kunnen bestuderen in miniweefsels in een schaaltje, de studietijd verkorten van maanden tot dagen. Als proof-of-concept, ze concentreerden zich op het testen van geprogrammeerde antitumorbacteriën met behulp van minitumoren die tumorsferoïden worden genoemd. De snelheid en hoge doorvoer van hun technologie, die ze BSCC noemen voor "bacteriën sferoïden co-cultuur, " zorgt voor een stabiele groei van bacteriën in tumorsferoïden, waardoor langdurig onderzoek mogelijk is. De methode kan ook worden gebruikt voor andere bacteriesoorten en celtypen. Het team, onder leiding van Tal Danino, universitair docent biomedische technologie, zegt dat, naar hun weten, deze studie is de eerste die snel bacterietherapieën in vitro screent en karakteriseert en zal een nuttig hulpmiddel zijn voor veel onderzoekers in het veld.

"We zijn erg enthousiast over hoe efficiënt BSCC is en denken dat het de gemanipuleerde bacteriële therapie voor klinisch gebruik echt zal versnellen, " zegt Danino. "Door automatisering en robottechnologie te combineren, BSCC kan een grote bibliotheek met therapieën testen om effectieve behandelingen te ontdekken. En omdat BSCC zo breed toepasbaar is, we kunnen het systeem aanpassen om menselijke monsters en andere ziekten te testen. Bijvoorbeeld, het zal ons helpen medische behandelingen te personaliseren door de kanker van een patiënt in een gerecht te creëren, en snel de beste therapie voor het specifieke individu identificeren."

De onderzoekers wisten dat hoewel veel bacteriën in een tumor kunnen groeien vanwege het verminderde immuunsysteem daar, bacteriën worden gedood buiten de tumor waar het immuunsysteem van het lichaam actief is. Geïnspireerd door dit mechanisme, ze zochten naar een antibacterieel middel dat het "dodende" effect van bacteriën buiten de sferoïden kan nabootsen.

Ze ontwikkelden een protocol om het antibioticum gentamicine te gebruiken om bacteriën te laten groeien in sferoïden die lijken op tumoren in het lichaam. Met behulp van BSCC, ze testten vervolgens snel een breed scala aan geprogrammeerde antikankerbacteriële therapieën gemaakt van verschillende soorten bacteriën, genetische circuits, en therapeutische ladingen.

"We gebruikten 3-D meercellige sferoïden omdat ze de omstandigheden in het menselijk lichaam recapituleren, zoals zuurstof- en voedingsgradiënten - deze kunnen niet worden gemaakt in een traditionele 2-D monolaag celcultuur, ", zegt hoofdauteur van het artikel, Tetsuhiro Harimoto, wie is een Ph.D. student in Danino's lab. "In aanvulling, de 3D-sferoïde geeft bacteriën voldoende ruimte om in de kern te leven, op vrijwel dezelfde manier dat bacteriën tumoren in het lichaam koloniseren, ook iets wat we niet kunnen doen in de 2-D monolaagcultuur. Plus, het is eenvoudig om grote aantallen 3D-sferoïden te maken en deze aan te passen voor screening met hoge doorvoer."

Het team gebruikte het high-throughput-systeem van de BSCC om snel pools van geprogrammeerde bacteriën te karakteriseren en vervolgens snel de beste kandidaat voor therapeutisch gebruik te bepalen. Ze ontdekten een krachtige therapie voor darmkanker, met behulp van een nieuw bacterieel toxine, theta toxine, gecombineerd met een optimaal genetisch circuit voor medicijnafgifte in verzwakte bacteriën Salmonella Typhimurium. Ze vonden ook nieuwe combinaties van bacteriële therapieën die de werkzaamheid tegen kanker nog meer kunnen verbeteren.

De onderzoekers vergeleken hun BSCC-resultaten met die in diermodellen, en vond vergelijkbaar gedrag van bacteriën in die modellen. Ze ontdekten ook dat hun topkandidaat, theta toxine, is krachtiger dan therapieën die in het verleden zijn gemaakt, demonstreert de kracht van BSCC's high-throughput screening.

Terwijl Danino's groep zich in deze studie concentreerde op kankertherapie, ze hopen BSCC uit te breiden om op bacteriën gebaseerde therapieën voor verschillende ziekten te karakteriseren, waaronder gastro-intestinale aandoeningen en infecties. Hun uiteindelijke doel is om deze nieuwe bacteriële therapieën in klinieken over de hele wereld te gebruiken.