VÝŠE: Bakterie (růžová) zútulnění dělení kolorektálního karcinomu buněk (modré) v tomto false-barevné skenování electron mikrofotografie.
© SCIENCE PHOTO LIBRARY, STEVE GSCHMEISSNER
V roce 1966 film Fantastic Voyage, tým vědců se zmenšil, aby se vešly do malé ponorky, takže se mohou navigovat své kolegy cév a zbavit ho smrtící krevní sraženiny v jeho mozku. Tento klasický film je jednou z mnoha takových nápaditých biologických cest, které se v posledních několika desetiletích dostaly na velkou obrazovku. Ve stejné době, vědci pracují na tom, aby se podobné vize v realitu: tiny robots roaming lidské tělo rozpoznat a léčit onemocnění.
i když systémy s nanomotors a palubní výpočet pro autonomní navigaci zůstávají krmivo pro beletrii, výzkumníci navrhli a vytvořili velké množství mikro – a nano systémy pro diagnostické a terapeutické aplikace, zejména v souvislosti s rakovinou, které by mohly být považovány za rané prototypy nanorobotů. Od roku 1995 bylo americkým Úřadem pro potraviny a léčiva schváleno více než 50 nanofarmak, v podstatě jakési nanoměřítko obsahující lék. Pokud lék této třídy má jeden nebo více robotických vlastnosti, jako například snímání, palubní výpočet, navigace, nebo způsob, jak se moc sama, vědci mohou říkat nanorobot. Může to být nanovehicle, který nese lék, naviguje nebo přednostně agreguje v místě nádoru a otevírá se, aby uvolnil lék pouze po určitém spoušti. Prvním schváleným nanofarmakem byl doxil, lipozomální nanoshell nesoucí chemoterapeutický lék doxorubicin, který neselektivně zabíjí buňky a běžně se používá k léčbě řady rakovin. Intravenózně podávané nanoshelly se přednostně hromadí v nádorech díky netěsnému vaskulatuře a nedostatečné drenáži lymfatickým systémem. Tam nanočástice pomalu uvolňují lék v průběhu času. V tomto smyslu jsou základní formy nanorobotů již v klinickém použití.
přesná navigace do nádorových míst zůstává svatým grálem výzkumu a vývoje nanorobotů.
Vědci mohou manipulovat tvar, velikost a složení nanočástic ke zlepšení nádorové cílení, a novější systémy využívají strategií, které se specificky rozpoznat nádorové buňky. Přesto přesná navigace do nádorových míst zůstává svatým grálem výzkumu a vývoje nanorobotů. 2016 meta-analýza, posuzování efektivnosti nanodelivery vozidla testovány ve studiích na zvířatech v předchozích 10 letech se ukázalo, že medián je méně než 1% podané nanovehicles vlastně dosáhl nádoru, a že by to mohlo být jen nepatrně lepší s aktivní cílení mechanismy, jako jsou povrchové dekorace s specifických protilátek nebo peptidů, určených pro tumor-specifický receptor.
Jak můžeme tyto nanoboty lépe nasměrovat na místa nádorů? Bezdrátový přenos energie zůstává obrovskou výzvou a baterie ještě nejsou v měřítku nanometrů účinné. Vědci použili vnější síly, jako je například ultrazvuk nebo magnetická pole na podporu naváděcí nanomedicines do nádorové tkáně, ale dynamika tekutin oběhového systému práce proti nanoshuttles, jehož povrch-k-poměr objem je 1 miliarda krát, že z objektů v měřítku metrů. To způsobí, že povrch a přetáhněte síly, aby se více dominantní: do nanočástic, se to může zdát jako pohybující se med při navigaci vodné prostředí vaskulatury.
ale jak to tak často dělá, příroda může mít jen řešení: bakterie. Mikroskopické organismy, plavat samostatně prostřednictvím tekutin, vedený molekulární motory, které spin jejich řasinky nebo bičíky v vývrtka-jako móda—velmi účinný pohonný mechanismus na této stupnici, která inspirovala mnoho nanoroboticists, které se snaží napodobit tuto funkci. Vědci vyrobili spirálové magnetické plavce, které lze například otáčet dopředu rotujícím magnetickým polem. Ale bakterie, zejména v souvislosti s léčbou rakoviny, jsou více než jen vzory pro efektivní plavání; někteří jsou vlastně sami terapeutičtí. Kromě toho mohou mikroby vnímat biochemické podněty a odpovídajícím způsobem upravit své trajektorie, podobně jako předpokládaný palubní výpočet.
myšlenka použití bakterií k léčbě rakoviny není nová. Jedna z prvních zpráv o bakterie jako terapii rakoviny pochází z imunoterapie pioneer William Coley, který na konci 19. století uznal, že někteří pacienti s rakovinou také trpí kožní infekce byly více pravděpodobné, aby se lépe. Začal vkládáním bakteriálních toxinů, tepelně inaktivovaných mikrobů, nebo dokonce živých kultur Streptococcus bakterií do jeho pacientů s inoperabilním kostí a měkkých tkání, rakoviny, což často vede k remise. Byl to odvážný přístup, vzhledem k riziku nekontrolovatelných infekcí z těchto bakteriálních formulací před rozšířenou dostupností antibiotik. Z velké části kvůli tomuto nebezpečí a příslibu vznikajících konceptů záření a chemoterapie se klinické použití bakterií jako terapeutických činidel pro rakovinu nevyvinulo. Dnes tato revoluční myšlenka zažívá renesanci.
díky konvergenci oborů od biologie a chemie k vědě o materiálech, strojírenství a informatice se otevírají nové cesty pro vývoj bakteriálních terapií rakoviny. Sadu nástrojů k dispozici díky snížení nákladů na sekvenování a syntézu DNA, spolu s syntetické-biologie přístupy pro vlastní genetické design bakteriální-jako chování, jsou dláždí cestu pro rozvíjející se oblasti mikro – a nanorobotics.
Historie Nanoengineering a Bakteriální Terapie
Navržen nanorobotů, kteří se mohou potulovat uvnitř těla k detekci a léčbě nádorů byly vize v polovině minulého století, a myšlenka na využití bakterií pro boj s rakovinou je ještě starší, než je. Vědci pochopili, že některé bakterie vrozeně mají některé vlastnosti nanorobotu: mohou autonomně hledat nádory a mají snadno toxické užitečné zatížení, které mohou zabíjet rakovinné buňky. Kombinace bakterií s klasickými přístupy v robotice a inženýrství pro externí řízení a vedení, výzkumní pracovníci mohou nyní být otočením jednou-fiktivní představa boj s rakovinou-nanorobot do reality—a robot je naživu.
Bakterie s anti-rakovina náklad
Bacillus Calmette-Guérin (BCG), o oslabené bakterie, obvykle se používá jako vakcinační kmen na tuberkulózu, byl repurposed za posledních několik desítek let k místní léčbě rakoviny močového měchýře. Koncept tohoto přístupu, podobný tomu, který předpokládá Coley, spočívá v tom, že podávání bakterií stimuluje imunitní systém pacienta k boji proti rakovině.
Ještě lepší, i když bez vědomí Coley, mnoho bakterií (i když, z neznámých důvodů, není BCG), mají také potenciál selektivně růst v solidní nádory močového měchýře i jinde; snížený imunitní dohled v nádor hypoxie a kyselém prostředí poskytuje anaerobní bakterie s bezpečné útočiště, aby rostly a vzkvétaly. Zatímco uvnitř nádorů, některé bakterie produkují toxiny a soutěží s rakovinnými buňkami o živiny. Nakonec akumulace bakterií v nádoru indukuje infiltraci imunitních buněk, která pak může vést k protirakovinovým reakcím. Přesto, navzdory tomu, že testované mnoho přirozeně se vyskytující a laboratorní-made bakteriálních kmenů na zvířecích modelech rakoviny, a mají provedeny testy na lidech testování bakterií k léčbě rakoviny, výzkumníci zjistili, malá účinnost za výhody, které i nadále být viděn u pacientů s karcinomem močového měchýře.
v důsledku toho se pole přesunulo na geneticky inženýrské bakterie, které slouží jako trajekty pro rekombinantní užitečné zatížení. Selektivní zaměření a následný růst bakterií v nádoru, spolu s místní dodávka therapeutics usnadněno mikroby samy, mohl minimalizovat vedlejší poškození zdravých buněk, která je společná s systémové léčby rakoviny. Několik skupin vytvořilo bakterie tak, aby produkovaly širokou škálu nákladu, včetně protinádorových toxinů, cytokinů a faktorů vyvolávajících apoptózu. Výroba potenciálně toxické léčebné nákladu vyžaduje další kontrolu nad bakterie, v případě, že půda v místech, které by neměli. Tak, vědci se nyní pohybuje směrem engineering příští generace bakteriální systémy smysl fyziologický podnět a reagovat tím, že produkuje terapeutický na místní nemoc stránky.
Na podporu tohoto cíle, v posledních dvou desetiletích na poli syntetické biologie vyvinula repertoár genetické obvody pro kontrolu mikrobiální chování. Tyto obvody se skládají z pozitivní a negativní zpětnou vazbu, motivy pro modulaci dynamické buněčné funkce, působí jako přepínače, oscilátory, čítače, biosenzory, a rekordéry—nástroje, které vědci používají k návrhu rakovina-boj proti mikroby.
Jedním z příkladů genetické kontrolu nad rakovina-bojovat bakterie je synchronizován lysis obvodu vyvinut v roce 2016 Jeff Hasty je skupina na University of California, San Diego, ve spolupráci s Sangeeta Bhatia laboratoři na MIT, kde oba z nás udělal naše postgraduální vzdělávání. (T. D. byl spoluautorem této studie z roku 2016.) V tomto obvodu, bakterie lokalizaci nádorů a rostou do kritické hustoty, pak se synchronně prasknutí uvolnění terapeutické sloučeniny, které mikroby vyráběl. Tento přístup, který využívá přírodních bakteriálních quorum sensing, vylepšuje několik funkcí, dříve vyvinuté bakteriální terapie, z nichž většina constitutively vyrábět drogy, což znamená, že by mohl dělat a uvolnění terapeutika v nežádoucí oblasti těla. Protože bakterie dosáhnou kritické hustoty pouze v nádorech, samy se zničí a uvolní tam své terapeutické užitečné zatížení. To vede k prořezávání mikrobiální populace, což zabraňuje nekontrolovanému růstu bakterií v nádoru nebo jinde. V modelu myších metastáz kolorektálních jater tento systém vedl ke dvojnásobnému zvýšení přežití při spárování s chemoterapií ve srovnání s chemoterapií nebo bakteriemi samotnými.
několik skupin tento přístup dále rozvinulo. V roce 2019 například jeden z nás (T. D.), spolu s Columbia University mikrobiolog a imunolog Nicholas Arpaia a kolegové, vytvořil bakterie, které vyrábí molekuly známo, že blokují imunitní kontrolní body, jako CD47 nebo PD-L1, které obvykle dát brzdy na buňky imunitního systému, a tím snižují protinádorovou aktivitu. V důsledku blokování těchto cest u nádorů, bakterie byli schopni prime T-buňky a k usnadnění odbavení rakoviny u lymfomu myší model. Nejvíce překvapivě se neléčené nádory u léčených zvířat také zmenšily, což naznačuje, že lokální priming by mohl vyvolat vzdálenou a trvalou protinádorovou imunitu.
přístup použití bakterií jako léčby rakoviny začíná přitahovat pozornost biotechnologického průmyslu. Jedna společnost, BioMed Údolí Objevy, bylo testování injekce spóry Clostridium novyi-NT, obligátní anaerobe které mohou růst pouze v hypoxických podmínkách a je geneticky oslabené tak, že smrtící toxin není vyráběn v několika klinických studiích. U potkanů, psů a prvního lidského pacienta léčba ukázala „přesné, robustní a reprodukovatelné protinádorové odpovědi“ podle zprávy z roku 2014.
Další společnosti, Synlogic, vyvíjí intratumorally injekčně bakterie navržen tak, aby produkovat STING (Stimulátor Interferonu Geny) agonista a působí jako vrozený imunitní aktivátor. Bakterie jsou snímány a pohlcen antigen-prezentující buňky, které pronikly do nádoru, a v rámci těchto imunitních buněk aktivují ŽIHADLO dráhy, což vede k uvolnění interferonu a tumor-specifické T buněčné odpovědi. Probíhá klinická studie fáze 1 k vyhodnocení této terapie pro léčbu refrakterních solidních nádorů a jsou plánovány studie pro použití v kombinaci s inhibitorem kontrolního bodu.
výsledky těchto a dalších studií poslouží jako vodítko pro další inovace v oblasti bezpečnosti a účinnosti při léčbě bakteriálního karcinomu. Například, tyto studie vrhají světlo nejen na terapeutickou účinnost, ale na bakteriální kolonizace úrovně a distribuce v pacientovi nádory, ubývání nebo off-target kolonizace a stabilita genetické změny v průběhu času—faktory, které mají studován pouze na detailní úrovni v myších modelech. Jakmile je u lidí zaveden důkaz principu, bude velký tlak na stanovení optimálního bakteriálního kmene, užitečného zatížení, obvodů a vhodných klinických nastavení, ve kterých se tyto typy terapií používají.
budování bakterií v boji proti rakovině
Syntetičtí biologové aplikují nové strategie v genetickém inženýrství pro kódování vlastností a inteligentních obvodů v bakteriích pro efektivnější monitorování in vivo a podávání léků. Současně inženýři vyvíjejí nástroje pro vnější kontrolu a vedení bakterií s cílem zvýšit jejich schopnost najít a přistupovat k nádorům. Zde je několik příkladů.
Bakteriální bomby
Jeff Hasty z University of California, San Diego, ve spolupráci s Sangeeta Bhatia z MIT (a T. D. v Bhatia laboratoř), inženýrství atenuovaného Salmonella enterica bakteriální kmen, aby synchronně vydání cancer therapeutics, kdy populace dosáhne kritické hustoty, umožňuje pravidelné dodávky drog v myších nádorů. Účinek je založen na kvora rozpadu, což znamená, když rozhodující bakterie hustota buněk je snímán obyvatelstva, které lyse a uvolňování léčiva, zatímco přežívající bakterie se dál množí až do kritické hranice je dosaženo znovu opakovat cyklus.
Kódované nanostruktur pro zobrazování
Michail Shapiro z Univerzity of California, Berkeley, a jeho kolegové kódované plný plyn nanostruktury v mikroorganismů, včetně bakterií a archaea. Tyto struktury, když produkován mikroby, sloužit jako kontrastní látky pro ultrazvuk imaging, který umožňuje výzkumní pracovníci k vizualizaci, kde jdou v těle—zásadní pro diagnostiky rakoviny, jakož i pro sledování léčby, stav tím, že vědci představit bakteriální akumulace v nádoru v průběhu času. Skupina nedávno prokázala, multiplexování tohoto přístupu pomocí kódování odlišné reportér v každé ze dvou bakterií, E. coli a Salmonella, lokalizovat a rozlišit mikrobů ve střevech a nádorů myší.
Magneticky asistované navigace
Sylvain Martel z Polytechnique Montréal a kolegy připojené lék obsahující nanoliposomes na magnetotatic bakteriální kmen zvaný MC-1, který byl aplikován v těsné blízkosti nádorů v myších. Tyto bakterie přirozeně biomineralize magnetických nanočástic uvnitř membrány, který umožňuje výzkumní pracovníci k použití magnetického pole průvodce bakterie—do—nádory, kde mohou přinést therapeutics, nebo slouží jako zobrazovací kontrastní látky.
Zářící světlo na nádory
Di-Wei Zheng a jeho kolegové na Wuhan University v Číně používá světlo pro zvýšení metabolické aktivity bakterie E. coli připojením na bakterie je povrchů polovodičových nanomateriálů, že v rámci světelného záření produkují elektronů. Ty vyvolaly reakci s endogenními molekulami dusičnanů bakterií, čímž se 37krát zvýšila tvorba a sekrece cytotoxické formy oxidu dusnatého. V myším modelu vedla léčba k 80% snížení růstu nádoru.
Dálkové ovládání vodící bakterií na nádory
Zatímco vědci se daří ve strojírenství bakterie se přenáší, nebo výrobu protirakovinné látky, méně než 1 procento z těch mikrobů dosáhne nádory na jejich vlastní. Protože většina nádorů nejsou přístupné přímým vstřikováním, lékaři musí být schopen efektivně orientovat bakteriální terapie nádorových místech, kde mikroby, které by spolehlivě a řízené uvolňování toxických drog, které kódují.
zde byla syntetická biologie ovlivněna principy mikrorobotik. Například E. bakterie coli mohou být konstruovány pomocí genů z mořských mikroorganismů, aby cítily a využívaly světelnou energii. V roce 2018 Jochen Arlt a spolupracovníci univerzity v Edinburghu ukázali, že takové fotosyntetické kmeny pohyblivých E. coli by mohly být vedeny prostorově vzorovanými světelnými poli. V reakci na vzory, světla, expozice, bakterie přesunuty do určitých míst; sledování jejich polohy informován, další lehký vstup, aby je vedl kupředu po předem definovanou cestu—proces, který je známý jako řízení v uzavřené smyčce, základní součástí robotiky.
nové genetické sady připravují cestu pro vznikající pole mikro-a nanorobotik.
Ve stejném roce, Xian-Zheng Zhang a jeho kolegové na Wuhan University v Číně používá světlo lokálně vyvolat 37-násobnému zvýšení bakteriální cytotoxin produkce spojená s bakterií membrány nanomateriály, na světlo, vystavení, vydání foto-elektrony, které podporují toxin je syntéza. V myším modelu rakoviny prsu, tyto anaerobní bakterie byli nalezeny, jak se hromadí v hypoxické mikroprostředí nádoru, a následné světla-posílen cytotoxin výroby vyústil v asi 80 procent inhibice růstu nádoru. Toto je příklad, jak integrace ze syntetického materiálu do živých bakterií může umožnit vzdálené ovládání z určité činnosti nebo funkce, další funkce si půjčil od klasické robotiky.
zatímco opticky spuštěná navigace a ovládání má obrovský potenciál, omezená schopnost světla proniknout do tkáně brání přístupu. Široce používanou formou vnější energie je ultrazvuk. Již dlouho má aplikace v lékařské diagnostice a monitorování. Více nedávno, plněné plynem mikrobublin, vzhledem k jejich silné a zřetelné akustické odezvy, jsou používány pro zvýšení kontrastu na ultrazvukové obrazy tkání, a zvláštní formy vysoce výkonný, soustředěný ultrazvuk byly použity v terapii k posílení dopravy plných drog, nanobublinek pomocí akustické tlakové vlny jako vnější energie, aby se zasadila je hluboko do nádorových tkání. Tento přístup dosáhl zvláště slibných výsledků u glioblastomu, protože hematoencefalická bariéra je pro léky obzvláště obtížně překonatelná. Před několika lety vědci použili ultrazvuk ke sledování terapeutických bakterií in vivo. Michail Shapiro a jeho kolegové na Caltechu geneticky modifikované bakterie vyjádřit to, co oni nazývají akustické reportér geny (ARG), které kódují komponenty duté struktury zvané plynové vezikuly, že rozptyl ultrazvukových vln, vytváří ozvěnu, která jim umožnila detekci bakterií umístění hluboko uvnitř živých myší.
dalšími běžnými zdroji vnější energie, které lze bezpečně a vzdáleně aplikovat v lidském těle, jsou magnetická pole. Zatímco zobrazovací systémy magnetické rezonance se klinicky používají po celá desetiletí, vývoj systémů pro magnetické navádění a řízení je stále poměrně nový. Dosud vědci aplikovali přístup k vedení magnetických katétrů pro vysoce přesnou chirurgii. Nejznámějším příkladem je systém NIOBE od společnosti St.Louis pro léčbu srdečních arytmií. Magnetické špičky katétru je přesně řízena spolu abnormální srdeční tkáně, kde jsou elektrické impulsy vytápění nebo chlazení zařízení k ablaci vynechání buňky.
použití podobné magnetické přístroje, průvodce bakterie v rámci léčby rakoviny navrhla skupin, které pracují s magnetotatic bakterie—mořské mikroorganismy, které se přirozeně syntetizovat řetězce nanočástic oxidů železa zabalené v lipidové pláště. Tato vlastnost se vyvinula, aby jim pomohla orientovat se ve vodě pomocí detekce magnetického pole Země, se tyto řetězce pracuje jako kompas jehly uvnitř jejich těla jednobuněčné. Toto bylo poprvé objeveno v roce 1970 Richardem Blakemorem z Oceánografické instituce Woods Hole v Massachusetts. Zhruba o 40 let později, Sylvain Martel z Polytechnique Montréal je NanoRobotics Laboratorní a kolegové spolu tyto magnetotactic bakterie DOXIL, liposom-zabalené chemoterapeutických, že získal titul poprvé schválen nanomedicína. Martel je skupina, využil skutečnosti, že anaerobní bakterie mají tendenci se domů nádorů pro jejich low-kyslíku prostředí a spolu, že přírodní naváděcí mechanismus s externí režie magnetické pole, které prokazují zvýšené hromadění a pronikání terapie v myších nádorů. V další nedávné studii jeden z nás (s. s .), s výzkumníci na MIT a ETH Curych, ukázal v tkáňové modely na čipu, že použití rotující magnetické pole může řídit davy jako magnetotactic bakterie působit jako malá vrtule, vytváří silné toky, aby se zasadila společník nanomedicines z krevních cév a hlouběji do tkání.
Při použití těchto magnetotactic druhů uvnitř lidského těla může dojít desítek let v budoucnosti, kódování magnetosensation v jiných, více klinicky překlad, nebo již testované bakteriální kmeny by mohly být dosažitelný cíl se v blízké perspektivě. Několik proteinů zapojených v areálu biomineralization proces, který tvoří magnetické sloučeniny v magneto-taktika bakterie byly identifikovány, a to v pracovní zveřejněné na začátku tohoto roku, výzkumníci hlášeny engineering E. coli formě částic magnetitu a jejich řízení pomocí vnějších magnetických polích.
Další cesta k tomu, non-magnetické bakterie kontrolovatelné magnetické pole, je jednoduše připojit magnetické materiály. Vědci vzali jeden nebo dokonce více bakteriálních kmenů a vázali je na magnetické mikro-nebo nanočástice. Při vystavení vnějšímu magnetickému poli se tyto magnetické částice orientují s polem, stejně jako bakterie, které se pak budou pohybovat tímto směrem. V roce 2017, Metin Sitti a kolegy z Ústavu Maxe Plancka pro Inteligentní Systémy, Stuttgart, Německo, připojené bakterie E. coli, pro mikročástice z vrstev chemoterapeutika doxorubicinu a malých magnetických nanočástic. Pomocí rakovinné buňky v misce, vědci ukázali, že by mohli na dálku ovládat tyto drogy nesoucí bakteriální roboty s magnety na zlepšení cílení nádorových buněk ve srovnání s jen přidáním léku-nabitá mikročástice do buněk.
bez ohledu na to, jak jsou geneticky upravené bakterie zmocněné vnějšími zdroji energie, které poskytují spouštěče, kontrolu a vedení, fascinujícím novým směrem v této oblasti. Poháněný konvergence syntetické biologie, strojírenství a robotiku, tyto nové přístupy by jen nám přinese jeden krok blíže k fantastické vize malé roboty, které vyhledávají a ničí mnohé typy rakoviny.
Simone Schuerle je odbornou asistentkou na ETH v Curychu a členkou univerzitního institutu pro translační medicínu. Tal Danino je odborným asistentem na Columbia University a členem Herbert Irving Comprehensive Cancer Center a Data Science Institute.