ovenfor: bakterier (lyserød) hyggeligt op til opdeling af kolorektale kræftceller (blå) i denne falske farvescanningselektronmikrograf.i 1966-filmen Fantastic Voyage er et team af forskere krympet for at passe ind i en lille ubåd, så de kan navigere i deres kollegas vaskulatur og befri ham for en dødelig blodprop i hans hjerne. Denne klassiske film er en af mange sådanne fantasifulde biologiske rejser, der har gjort det til storskærmen i løbet af de sidste årtier. Samtidig har forskere arbejdet på at gøre en lignende vision til virkelighed: små robotter, der strejfer rundt i menneskekroppen for at opdage og behandle sygdomme. selvom systemer med nanomotorer og indbygget beregning til autonom navigation forbliver foder til fiktion, har forskere designet og bygget en lang række mikro – og nanoskalasystemer til diagnostiske og terapeutiske anvendelser, især i forbindelse med kræft, der kunne betragtes som tidlige prototyper af nanoroboter. Siden 1995 er mere end 50 nanopharmaceuticals, dybest set en slags nanoskala enhed, der indeholder et lægemiddel, blevet godkendt af US Food and Drug Administration. Hvis et lægemiddel i denne klasse besidder en eller flere robotegenskaber, såsom sensing, beregning ombord, navigation eller en måde at drive sig selv på, kan forskere kalde det en nanorobot. Det kan være en nanovehicle, der bærer et lægemiddel, navigerer til eller fortrinsvis aggregerer på et tumorsted og åbner op for kun at frigive et lægemiddel ved en bestemt trigger. Det første godkendte nanofarmaceutiske middel var DOKSIL, en liposomal nanoshell, der bærer det kemoterapeutiske lægemiddel doksorubicin, som ikke selektivt dræber celler og ofte bruges til behandling af en række kræftformer. De intravenøst administrerede nanoshells akkumuleres fortrinsvis i tumorer takket være en utæt vaskulatur og utilstrækkelig dræning af lymfesystemet. Der frigiver nanopartiklerne langsomt stoffet over tid. I den forstand er grundlæggende former for nanoroboter allerede i klinisk brug.
præcis navigation til tumorsteder forbliver en hellig gral af nanorobot forskning og udvikling.
forskere kan manipulere formen, størrelsen og sammensætningen af nanopartikler for at forbedre tumormålretning, og nyere systemer anvender strategier, der specifikt genkender kræftceller. Alligevel forbliver præcis navigation til tumorsteder en hellig gral af nanorobot forskning og udvikling. En meta-analyse fra 2016, der vurderede effektiviteten af nanodeleveringskøretøjer testet i dyreforsøg i de foregående 10 år, afslørede, at en median på færre end 1 procent af de injicerede nanovehicles faktisk nåede tumorstedet, og at dette kun kunne forbedres marginalt med aktive målretningsmekanismer, såsom overfladedekoration med specifikke antistoffer eller peptider til tumorspecifik receptorbinding.
hvordan kan vi gøre disse nanobotter bedre til at styre sig til tumorsteder? Trådløs energitransmission er fortsat en enorm udfordring, og batterier er endnu ikke effektive i nanometerskalaen. Forskere har brugt eksterne kræfter som ultralyd eller magnetfelter til at fremme homing af nanomedicin til tumorvæv, men væskedynamikken i kredsløbssystemet virker mod nanoshuttles, hvis overflade-til-volumen-forhold er 1 milliard gange det for objekter på måleskalaen. Dette får overflade-og trækkræfter til at blive mere dominerende: til nanopartiklen kan det føles som at bevæge sig gennem honning, når man navigerer i det vandige miljø i vaskulaturen.
men som det så ofte gør, kan naturen bare have en løsning: bakterier. De mikroskopiske organismer svømmer autonomt gennem væsker, drevet af molekylære motorer, der spinder deres cilia eller flagella på en proptrækkerlignende måde-en meget effektiv fremdrivningsmekanisme i denne skala, der har inspireret mange nanorobotikere, der forsøger at efterligne denne funktionalitet. Forskere har fremstillet spiralformede, magnetiske svømmere, der kan spindes fremad af et roterende magnetfelt, for eksempel. Men bakterier, især i forbindelse med behandling af kræft, er mere end bare rollemodeller for effektiv svømning; nogle er faktisk selv terapeutiske. Derudover kan mikrober mærke biokemiske signaler og justere deres baner i overensstemmelse hermed, svarende til den forestillede indbyggede beregning.
ideen om at bruge bakterier til behandling af kræft er ikke ny. En af de tidligste rapporter om bakterier som kræftbehandling kommer fra immunterapipioneren Vilhelm Coley, der i slutningen af det 19.århundrede erkendte, at nogle kræftpatienter, der også lider af hudinfektioner, var mere tilbøjelige til at blive bedre. Han begyndte at injicere bakterielle toksiner, varmeinaktiverede mikrober eller endda levende kulturer af Streptococcus-bakterier i sine patienter med inoperabel knogle-og bløddelscancer, hvilket ofte førte til remissioner. Det var en dristig tilgang i betragtning af risikoen for ukontrollerbare infektioner fra disse bakterieformuleringer før den udbredte tilgængelighed af antibiotika. Stort set på grund af denne fare og løftet om de spirende begreber stråling og kemoterapi gik den kliniske anvendelse af bakterier som terapeutiske midler til kræft uudviklet. I dag har denne revolutionerende ide oplevet en renæssance.
takket være konvergensen af felter fra biologi og kemi til materialevidenskab, teknik og datalogi åbner nye veje til udvikling af bakterieterapier til kræft. Værktøjssæt, der stilles til rådighed takket være reducerede omkostninger ved både sekventering og syntese af DNA, sammen med syntetisk-biologi tilgange til brugerdefineret genetisk design af bakterielignende adfærd, baner vejen for de nye felter inden for mikro-og nanorobotik.
en historie med Nanoengineering og Bakterieterapi
konstruerede nanoroboter, der kan strejfe inde i kroppen for at opdage og behandle tumorer, har været en vision i det sidste halve århundrede, og ideen om at bruge bakterier til at bekæmpe kræft er endnu ældre end det. Forskere er kommet til at forstå, at nogle bakterier medfødt besidder nogle træk ved en nanorobot: de kan autonomt søge tumorer og har let giftige nyttelast, der kan dræbe kræftceller. Ved at kombinere bakterier med klassiske tilgange inden for robotik og teknik til ekstern kontrol og vejledning kan forskere nu gøre den engang fiktive ide om en kræftbekæmpende nanorobot til virkelighed-og roboten er i live.
bakterier med nyttelast mod kræft
Bacillus Calmette-gu Krisrin (BCG), en svækket bakterie, der typisk bruges som en vaccinestamme til tuberkulose, er blevet genoptaget i de sidste årtier til lokal behandling af blærekræft. Konceptet bag denne tilgang, svarende til den postuleret af Coley, er, at administrationen af bakterier stimulerer patientens immunsystem til at bekæmpe kræft.
endnu bedre, selvom det ikke er kendt for Coley, har mange bakterier (dog af ukendte årsager ikke BCG) også potentialet til selektivt at vokse inden for faste tumorer, i blæren og andre steder; reduceret immunovervågning i tumorens hypoksiske og sure miljø giver anaerobe bakterier et sikkert tilflugtssted for at vokse og trives. Mens der er inde i tumorer, producerer nogle bakterier toksiner og konkurrerer med kræftceller om næringsstoffer. I sidste ende inducerer akkumulering af bakterier i tumoren immuncelleinfiltration, som derefter kan føre til anticancerresponser. Stadig, på trods af at have testet mange naturligt forekommende og laboratoriefremstillede bakteriestammer i dyremodeller for kræft, og efter at have udført humane forsøg, der testede bakterier til behandling af kræft, forskere har observeret ringe effektivitet ud over de fordele, der fortsat ses hos blærekræftpatienter.
som et resultat er feltet skiftet til genetisk ingeniørbakterier for at tjene som færger til rekombinante nyttelast. Den selektive målretning og efterfølgende vækst af bakterier i tumorer sammen med lokal levering af terapeutiske midler, der lettes af mikroberne selv, kunne minimere den sikkerhedsskade på sunde celler, der er almindelig med systemiske kræftbehandlinger. Flere grupper har konstrueret bakterier til at producere en bred vifte af gods, herunder anticancertoksiner, cytokiner og apoptoseinducerende faktorer. Produktionen af potentielt toksisk terapeutisk last kræver yderligere kontrol over bakterierne, hvis de lander på steder, de ikke burde. således bevæger forskerne sig nu mod at konstruere næste generations bakteriesystemer for at mærke en fysiologisk cue og reagere ved at producere en terapeutisk på det lokale sygdomssted. for at hjælpe med dette mål har området syntetisk biologi i løbet af de sidste to årtier udviklet et repertoire af genetiske kredsløb til at kontrollere mikrobiel adfærd. Disse kredsløb består af positive og negative feedbackmotiver til at modulere dynamiske cellulære funktioner, der fungerer som Vippekontakter, oscillatorer, tællere, biosensorer og optagere—værktøjer, som forskere har brugt til at designe kræftbekæmpende mikrober.
et eksempel på genetisk kontrol over kræftbekæmpende bakterier er det synkroniserede lysis kredsløb udviklet i 2016 af Jeff Hastys gruppe ved University of California, San Diego, i samarbejde med Sangeeta Bhatias laboratorium på MIT, hvor vi begge gjorde vores postgraduate uddannelse. (T. D. var medforfatter på denne 2016-undersøgelse.) I dette kredsløb lokaliseres bakterier til tumorer og vokser til en kritisk tæthed og bryder derefter synkront for at frigive terapeutiske forbindelser, som mikroberne havde produceret. Denne tilgang, der drager fordel af naturlig bakteriel kvorum sensing, forbedrer flere funktioner i tidligere udviklede bakterieterapier, hvoraf de fleste konstitutivt producerer stoffer, hvilket betyder, at de kan fremstille og frigive terapierne i utilsigtede områder af kroppen. Fordi bakterier kun når kritisk tæthed inden for tumorer, vil de kun selvdestruere og frigive deres terapeutiske nyttelast der. Dette fører til beskæring af den mikrobielle population, hvilket forhindrer ukontrolleret vækst af bakterier i tumoren eller andre steder. I en kolorektal levermetastase musemodel resulterede dette system i en dobbelt stigning i overlevelse, når det blev parret med kemoterapi sammenlignet med kemoterapi eller bakterier alene.
flere grupper har videreudviklet denne tilgang. I 2019, for eksempel en af os (T. D.), sammen med Columbia University mikrobiolog og immunolog Nicholas Arpaia og kolleger, skabte bakterier, der producerede molekyler kendt for at blokere immunkontrolpunkter, såsom CD47 eller PD-L1, som normalt sætter bremserne på immunceller og derved mindsker antitumoraktivitet. Som et resultat af blokering af disse veje i tumorer var bakterier i stand til at prime T-celler og lette clearance af kræft i en lymfommusemodel. Mest overraskende faldt ubehandlede tumorer inden for behandlede dyr også, hvilket tyder på, at lokal priming kunne udløse fjern og holdbar antitumorimmunitet.
tilgangen til at bruge bakterier som kræftbehandling begynder at tiltrække biotekindustriens opmærksomhed. Et firma, BioMed Valley Discoveries, har testet injektioner af sporer af Clostridium novyi-NT, en obligatorisk anaerobe, der kun kan vokse under hypoksiske forhold og er genetisk svækket, så der ikke produceres et dødeligt toksin i flere kliniske forsøg. Hos rotter, hunde og den første humane patient viste behandlingen “præcise, robuste og reproducerbare antitumorresponser” ifølge en rapport fra 2014.
et andet firma, Synlogic, Udvikler intratumoralt injicerede bakterier designet til at producere en STING (STImulator af Interferongener) agonist og fungere som en medfødt immunaktivator. Bakterierne registreres og opsluges af antigenpræsenterende celler, der har infiltreret tumoren, og inden for disse immunceller aktiverer de STINGVEJEN, hvilket resulterer i interferonfrigivelse og tumorspecifikke t-celleresponser. Et klinisk fase 1-Forsøg er i gang for at evaluere denne terapi til behandling af ildfaste faste tumorer, og der er planlagt forsøg til brug i kombination med en kontrolpunkthæmmer.
resultaterne af disse og andre forsøg vil tjene til at guide yderligere innovationer inden for sikkerhed og effektivitet til konstruerede bakteriekræftterapier. For eksempel vil disse undersøgelser kaste lys ikke kun på terapeutisk effekt, men på bakteriekoloniseringsniveauer og fordeling i patienttumorer, kaste eller off-target kolonisering og stabilitet af genetiske modifikationer over tid—faktorer, der kun er blevet undersøgt på et detaljeret niveau i musemodeller. Når et principbevis er etableret hos mennesker, vil der være et stort skub for at bestemme den optimale bakteriestamme, nyttelast, kredsløb og passende kliniske indstillinger til at bruge disse typer terapier.
opbygning af bakterier til bekæmpelse af kræft
syntetiske biologer anvender nye strategier inden for genteknologi til at kode træk og smarte kredsløb i bakterier for mere effektiv in vivo overvågning og lægemiddelafgivelse. Samtidig udvikler ingeniører instrumenter til ekstern kontrol og vejledning af bakterier med det formål at forbedre deres evne til at finde og få adgang til tumorer. Her er et par eksempler.
bakterielle bomber
Jeff Hasty fra University of California, San Diego, i samarbejde med Sangeeta Bhatia fra MIT (og T. D. I Bhatias laboratorium), konstruerede en svækket Salmonella enterica-bakteriestamme til synkront frigivelse af kræftterapeutika, når befolkningen når en kritisk tæthed, hvilket muliggør periodisk lægemiddelafgivelse i musetumorer. Effekten er baseret på kvorumlyse, hvilket betyder, at når en kritisk bakteriecelletæthed registreres af befolkningen, lyser de og frigiver lægemidlet, mens overlevende bakterier fortsætter med at sprede sig, indtil den kritiske tærskel nås igen for at gentage cyklussen.
kodede nanostrukturer til billeddannelse
Mikhail Shapiro fra University of California, Berkeley og kolleger kodede gasfyldte nanostrukturer i mikroorganismer, herunder bakterier og arkæer. Disse strukturer, når de produceres af mikroberne, tjener som kontrastmidler til ultralydsafbildning, så forskere kan visualisere, hvor de går i kroppen—kritisk for kræftdiagnostik samt overvåge behandlingsstatus ved at give forskere mulighed for at visualisere bakterieakkumulering i tumorer over tid. Gruppen demonstrerede for nylig multipleksering af denne tilgang ved at kode en særskilt reporter i hver af to bakterier, E. coli og Salmonella, for at lokalisere og skelne mikroben i musens tarm og tumorer.
magnetisk assisteret navigation
Sylvain Martel fra Polytechnic Montr Purtal og kolleger vedhæftede lægemiddelholdige nanoliposomer på en magnetotatisk bakteriestamme kaldet MC-1, der blev injiceret i nærheden af tumorer hos mus. Disse bakterier biomineraliserer naturligt magnetiske nanopartikler inde i deres membraner, så forskerne kan bruge magnetfelter til at lede bakterierne til—og ind i—tumorer, hvor de kan levere terapeutiske midler eller tjene som billeddannende kontrastmidler.
skinnende lys på tumorer
di-vei Jeng og kolleger ved Universitetet i Kina brugte lys til at forbedre de metaboliske aktiviteter af E. coli ved at binde til bakteriens overflader halvleder nanomaterialer, der under lysbestråling producerer fotoelektroner. Disse udløste en reaktion med bakteriens endogene nitratmolekyler, hvilket øgede dannelsen og sekretionen af en cytotoksisk form af salpetersyre med 37 gange. I en musemodel førte behandlingen til en 80 procent reduktion i tumorvækst.
fjernstyring af bakterier til tumorer
mens forskere lykkes med at konstruere bakterier til at bære eller producere anticancerforbindelser, vil færre end 1 procent af disse mikrober nå tumorer alene. Da de fleste tumorer ikke er tilgængelige ved direkte injektion, skal klinikere være i stand til effektivt at navigere bakterieterapier til tumorsteder, hvor mikroberne pålideligt og kontrollerbart skal frigive de giftige lægemidler, de koder for.
det er her syntetisk biologi er blevet påvirket af principperne for mikrorobotika. For eksempel E. coli-bakterier kan konstrueres med gener fra marine mikroorganismer til at føle og gøre brug af lysenergi. I 2018 viste University of Edinburghs Jochen Arlt og kolleger, at sådanne fotosyntetiske stammer af motile E. coli kunne styres gennem rumligt mønstrede lysfelter. Som reaktion på mønstre af lyseksponering flyttede bakterierne til bestemte steder; sporing af deres position informerede den næste lysindgang for at lede dem fremad langs en foruddefineret sti—en proces, der er kendt som closed loop control, en grundlæggende del af robotik.
nye genetiske værktøjssæt baner vejen for de nye områder af mikro – og nanorobotika.
i samme år brugte han lys til lokalt at udløse en 37 gange stigning i bakteriens cytotoksinproduktion ved at binde til bakteriens membraner nanomaterialer, der ved lyseksponering frigiver fotoelektroner, der fremmer toksinets syntese. I en musemodel af brystkræft blev disse anaerobe bakterier fundet at akkumulere i tumorens hypoksiske mikromiljø, og den efterfølgende lysforstærkede cytotoksinproduktion resulterede i omkring 80 procent hæmning af tumorvækst. Dette er et eksempel på, hvordan integrationen af syntetisk materiale i levende bakterier kan tillade fjernbetjening af visse handlinger eller funktionalitet, en anden funktion lånt fra klassisk robotik.mens optisk udløst navigation og kontrol har et enormt potentiale, hæmmer lysets begrænsede evne til at trænge ind i væv tilgangen. En mere udbredt form for ekstern energi er ultralyd. Det har længe haft applikationer inden for medicinsk diagnostik og overvågning. For nylig, gasfyldte mikrobobler, på grund af deres stærke og tydelige akustiske respons, bruges til at forbedre kontrasten på ultralydsbilleder af væv, og specielle former for højdrevet, fokuseret ultralyd er blevet anvendt i terapi for at øge transporten af medikamentfyldte nanobobler ved at bruge de akustiske trykbølger som ekstern energi til at skubbe dem dybt ind i tumorvæv. Denne tilgang opnåede særligt lovende resultater i glioblastom, fordi blod-hjerne-barrieren er særlig vanskelig at overvinde for lægemidler. For et par år siden brugte forskere ultralyd til at spore terapeutiske bakterier in vivo. Mikhail Shapiro og kolleger hos Caltech gensplejsede bakterier til at udtrykke, hvad de kaldte acoustic reporter genes (ARG), som koder for komponenterne i hule strukturer kaldet gasvesikler, der spreder ultralydsbølger, hvilket genererer et ekko, der gjorde det muligt for dem at opdage bakteriens placering dybt inde i levende mus.
andre almindelige kilder til ekstern energi, der kan anvendes sikkert og eksternt i menneskekroppen, er magnetfelter. Mens magnetiske resonansbilleddannelsessystemer er blevet brugt klinisk i årtier, er udviklingen af systemer til magnetisk vejledning og kontrol stadig ret ny. Indtil videre har forskere anvendt tilgangen til at guide magnetiske katetre til højpræcisionskirurgi. Det mest kendte eksempel er NIOBE-systemet fra St. Louis–baseret Stereotakse til behandling af hjertearytmier. En magnetisk kateterspids styres nøjagtigt langs unormalt hjertevæv, hvor elektriske impulser opvarmer eller afkøler enheden for at ablate misfiring celler.
brugen af lignende magnetisk instrumentering til at styre bakterier i forbindelse med kræftbehandling er blevet foreslået af grupper, der arbejder med magnetotatiske bakterier—marine mikrober, der naturligt syntetiserer strenge af jernnanopartikler indpakket i en lipidskal. Denne egenskab har udviklet sig til at hjælpe dem med at navigere i vandet ved at føle jordens magnetfelt, med disse strenge, der fungerer som kompasnåle inde i deres encellede kroppe. Dette blev først opdaget i 1970 ‘ erne af Richard Blakemore fra Skovhul Oceanografisk Institution i Massachusetts. Cirka 40 år senere koblede Sylvain Martel fra Polytechnic Montr Primal ‘ s Nanorobotics Laboratory og kolleger disse magnetotaktiske bakterier til DOKSIL, den liposomindpakket kemoterapeutik, der fik titlen som den første godkendte nanomedicin. Martels gruppe udnyttede også det faktum, at anaerobe bakterier har tendens til at være hjemsted for tumorer for deres iltfattige miljø og koblede den naturlige homingmekanisme med et eksternt styrende magnetfelt, hvilket viser øget ophobning og penetration af terapien i musetumorer. I en anden nylig undersøgelse, en af os (S. S.i vævsmodeller på en chip, at anvendelse af roterende magnetfelter kunne drive sværme af sådanne magnetotaktiske bakterier til at fungere som små propeller, hvilket skaber stærke strømme for at skubbe ledsagende nanomedicin ud af blodkar og dybere ind i væv.
mens brugen af sådanne magnetotaktiske arter inde i menneskekroppen kan forekomme årtier i fremtiden, kan kodning af magnetosensation i andre, mere klinisk oversættelige eller allerede testede bakteriestammer være et opnåeligt mål på kort sigt. Flere af de proteiner, der er involveret i den komplekse biomineraliseringsproces, der danner de magnetiske forbindelser i magnetotaktiske bakterier, er blevet identificeret, og i et preprint, der blev offentliggjort tidligere i år, rapporterede forskere, at E. coli dannede magnetitpartikler og kontrollerede dem ved hjælp af eksterne magnetfelter.en anden vej til at gøre ikke-magnetiske bakterier kontrollerbare af magnetfelter er simpelthen at vedhæfte magnetiske materialer til dem. Forskere har taget en eller endda flere bakteriestammer og bundet dem til magnetiske mikro – eller nanopartikler. Når de udsættes for et eksternt magnetfelt, vil disse magnetiske partikler orientere sig med feltet, og det samme vil bakterierne, som derefter bevæger sig i den retning. I 2017 tilsluttede Metin Sitti og kolleger ved Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, Tyskland, E. coli-bakterier til mikropartikler lavet af lag af kemoterapeutisk doksorubicin og små magnetiske nanopartikler. Ved hjælp af kræftceller i en skål viste forskerne, at de kunne fjernstyre disse lægemiddelbærende bakterielle bots med magneter for at forbedre tumorcellemålretning sammenlignet med blot at tilføje lægemiddelbelastede mikropartikler til cellerne.uanset hvordan er genetisk manipulerede bakterier, der er bemyndiget af eksterne energikilder, der giver udløsere, kontrol og vejledning, en fascinerende ny retning på dette område. Drevet af konvergensen mellem syntetisk biologi, maskinteknik og robotik, kan disse nye tilgange bare bringe os et skridt tættere på den fantastiske vision af små robotter, der søger og ødelægger mange kræftformer. Simone Schuerle er adjunkt og medlem af Institut for translationel medicin. Tal Danino er adjunkt ved Columbia University og medlem af Herbert Irving Comprehensive Cancer Center og Data Science Institute.