yllä: bakteerit (vaaleanpunaiset) viihtyvät kolorektaalisyöpäsoluissa (siniset) tässä väärävärisessä pyyhkäisyelektronimikrografiassa.
© SCIENCE PHOTO LIBRARY, STEVE GSCHMEISSNER
vuoden 1966 elokuvassa Fantastic Voyage tutkijaryhmä kutistetaan mahtumaan pieneen sukellusveneeseen, jotta he voivat suunnistaa kollegansa verisuonistossa ja päästä eroon tappavasta veritulpasta hänen aivoissaan. Tämä klassikkoelokuva on yksi monista tällaisista mielikuvituksellisista biologisista matkoista, jotka ovat päässeet isolle valkokankaalle useiden vuosikymmenten aikana. Samaan aikaan tutkijat ovat pyrkineet toteuttamaan samanlaisen näyn: ihmisruumiissa vaeltavat pikkuruiset robotit, jotka havaitsevat ja hoitavat sairauksia.
vaikka järjestelmät, joissa on nanomoottorit ja autonominen navigointi, ovat edelleen fiktion rehua, tutkijat ovat suunnitelleet ja rakentaneet lukuisia mikro – ja nanomittaisia diagnostisia ja terapeuttisia sovelluksia, erityisesti syövän yhteydessä, joita voidaan pitää nanorobottien varhaisina prototyyppeinä. Vuodesta 1995 lähtien Yhdysvaltain elintarvike-ja lääkevirasto on hyväksynyt yli 50 nanofarmaseuttista laitetta, jotka ovat periaatteessa jonkinlaisia nanomittaisia laitteita, jotka sisältävät lääkkeen. Jos tämän luokan lääkkeellä on yksi tai useampia robottiominaisuuksia, kuten aistiminen, laivalla tapahtuva laskenta, navigointi tai tapa käyttää virtaa itse, tutkijat voivat kutsua sitä nanorobotiksi. Se voi olla nanohuilu, joka kuljettaa lääkettä, suunnistaa tai mieluiten aggregoituu kasvainkohdassa ja avautuu vapauttaakseen lääkkeen vain tietyllä liipaisimella. Ensimmäinen hyväksytty nanofarmaseuttinen aine oli doxil, solunsalpaajalääke doksorubisiinia sisältävä liposomaalinen nanoselli, joka ei-selektiivisesti tappaa soluja ja jota käytetään yleisesti useiden syöpien hoitoon. Suonensisäisesti annettavat nanoshellit kerääntyvät mieluiten kasvaimiin vuotavan verisuoniston ja imunestejärjestelmän puutteellisen salaojituksen ansiosta. Siellä nanohiukkaset vapauttavat lääkettä hitaasti ajan myötä. Siinä mielessä nanorobottien perusmuodot ovat jo kliinisessä käytössä.
tarkka suunnistus kasvainalueille on edelleen nanorobottien tutkimuksen ja kehittämisen Graalin malja.
tutkijat voivat manipuloida nanohiukkasten muotoa, kokoa ja koostumusta parantaakseen kasvaimen kohdistamista, ja uudemmissa järjestelmissä käytetään strategioita, jotka erityisesti tunnistavat syöpäsolut. Silti tarkka suunnistus kasvainalueille on edelleen Graalin malja nanorobottien tutkimus-ja kehitystyölle. Vuoden 2016 meta-analyysi, jossa arvioitiin eläinkokeissa testattujen nanotuottoajoneuvojen tehokkuutta edeltävien 10 vuoden aikana, paljasti, että alle 1 prosentin mediaani ruiskutetuista nanovehikkeleistä todella pääsi kasvainkohtaan ja että tätä voitaisiin parantaa vain marginaalisesti aktiivisilla kohdentamismekanismeilla, kuten pinnan koristelulla spesifisillä vasta-aineilla tai peptideillä kasvainspesifiseen reseptorisitoutumiseen.
miten nämä nanobotit saadaan ohjautumaan paremmin kasvainkohtiin? Langaton energiansiirto on edelleen valtava haaste, eivätkä akut ole vielä nanometrin mittakaavassa tehokkaita. Tutkijat ovat käyttäneet ulkoisia voimia, kuten ultraääntä tai magneettikenttiä, edistääkseen nanomedioiden kotiuttamista kasvainkudoksiin, mutta verenkiertojärjestelmän nestedynamiikka toimii nanoshuttlesia vastaan, jonka pinta-tilavuussuhde on 1 miljardi kertaa suurempi kuin kappaleiden mitta-asteikolla. Tämä saa pinta-ja vetovoimat entistä hallitsevammiksi: nanohiukkaselle se saattaa tuntua siltä kuin se liikkuisi hunajan läpi navigoidessaan verisuoniston vesiympäristössä.
mutta kuten niin usein, luonnolla saattaa olla vain ratkaisu: bakteerit. Mikroskooppiset organismit uivat itsenäisesti nesteiden läpi, joita ohjaavat molekyylimoottorit, jotka pyörittävät värekarvoja tai flagellaa korkkiruuvimaisesti-erittäin tehokas työntövoima tässä mittakaavassa, joka on inspiroinut monia nanorobotikkoja, jotka yrittävät jäljitellä tätä toimintoa. Tutkijat ovat sepittäneet kierteisiä, magneettisia uimareita, joita voidaan pyörittää eteenpäin esimerkiksi pyörivän magneettikentän avulla. Mutta bakteerit, erityisesti syövän hoidossa, ovat enemmän kuin vain roolimalleja tehokkaaseen uimiseen; jotkut ovat itse asiassa terapeuttisia. Lisäksi mikrobit pystyvät aistimaan biokemiallisia vihjeitä ja säätämään liikeratojaan vastaavasti, samaan tapaan kuin junassa on suunniteltu.
ajatus bakteerien käyttämisestä syövän hoitoon ei ole Uusi. Yksi varhaisimmista raporteista bakteereista syöpähoitona tulee immunoterapian Pioneerilta William Coleylta, joka 1800-luvun lopulla tunnusti, että jotkut syöpäpotilaat, jotka kärsivät myös ihotulehduksista, paranivat todennäköisemmin. Hän alkoi ruiskuttaa bakteerimyrkkyjä, lämpö-inaktivoituja mikrobeja tai jopa eläviä Streptokokkibakteeriviljelmiä potilaisiinsa, joilla oli leikkaamattomia luu-ja pehmytkudossyöpiä, mikä johti usein leikkauksiin. Se oli rohkea lähestymistapa, kun otetaan huomioon näiden bakteerien aiheuttamien hallitsemattomien infektioiden riski ennen antibioottien laajaa saatavuutta. Suureksi osaksi tuon vaaran ja säteilyä ja kemoterapiaa koskevien orastavien käsitteiden lupauksen vuoksi bakteerien kliininen käyttö syövän terapeuttisina aineina jäi kehittymättä. Nykyään tämä vallankumouksellinen ajatus on kokenut renessanssin.
biologian ja kemian sekä materiaalitieteen, tekniikan ja tietojenkäsittelytieteen alojen lähentymisen ansiosta avautuu uusia väyliä syövän bakteerihoitojen kehittämiseen. Työkalupakit, jotka ovat saatavilla sekä sekvensoinnin että DNA: n synteesin vähentyneiden kustannusten ansiosta, sekä synteettisen biologian lähestymistavat bakteerien kaltaisten käyttäytymismallien geneettiseen suunnitteluun, tasoittavat tietä mikro-ja nanorobotiikan uusille aloille.
nanotekniikan ja Bakteerihoidon historia
kehon sisällä kasvainten havaitsemiseksi ja hoitamiseksi vaeltavat Nanorobotit ovat olleet visio jo puolen vuosisadan ajan, ja ajatus bakteerien käyttämisestä syöpää vastaan on sitäkin vanhempi. Tutkijat ovat tulleet ymmärtämään, että joillakin bakteereilla on luonnostaan joitakin nanorobotin piirteitä: ne voivat autonomisesti etsiä kasvaimia ja niillä on helposti myrkyllisiä hyötykuormia, jotka voivat tappaa syöpäsoluja. Yhdistämällä bakteerit klassisiin lähestymistapoihin robotiikassa ja tekniikassa ulkoisen valvonnan ja ohjauksen alalla tutkijat saattavat nyt muuttaa kerran kuvitteellisen ajatuksen syöpää vastaan taistelevasta nanorobotista todeksi-ja robotti on elossa.
bakteereja, joilla on syövän hyötykuormia
Bacillus Calmette-Guérin (BCG), heikennettyä bakteeria, jota käytetään tyypillisesti tuberkuloosin rokotekantana, on viime vuosikymmeninä käytetty uudelleen virtsarakon syövän paikallishoitoon. Tämän lähestymistavan taustalla on coleyn olettaman kaltainen käsite, jonka mukaan bakteerien antaminen stimuloi potilaan immuunijärjestelmää taistelemaan syöpää vastaan.
vielä parempi, vaikka tietämättään Coley, monet bakteerit (vaikka, tuntemattomasta syystä, ei BCG) on myös mahdollisuus selektiivisesti kasvaa kiinteiden kasvainten, virtsarakon ja muualla; heikentynyt immuunivalvonta kasvaimen hypoksinen ja hapan ympäristö tarjoaa anaerobiset bakteerit turvasatama kasvaa ja menestyä. Kasvainten sisällä jotkin bakteerit tuottavat myrkkyjä ja kilpailevat syöpäsolujen kanssa ravintoaineista. Lopulta kertyminen bakteerien sisällä kasvain indusoi immuunisolujen infiltraatio, joka voi sitten johtaa syövän vasteita. Silti, vaikka testattu monia luonnossa esiintyviä ja laboratoriovalmisteisia bakteerikantoja eläinmalleissa syövän, ja suoritettuaan ihmiskokeita testaus bakteerit syövän hoitoon, tutkijat ovat havainneet vain vähän tehoa kuin hyödyt, jotka edelleen nähdään virtsarakon syövän potilailla.
tämän seurauksena kenttä on siirtynyt muuntogeenisiin bakteereihin rekombinanttien hyötykuormien lauttoina. Bakteerien valikoiva kohdentaminen ja myöhempi kasvu kasvaimissa, yhdessä mikrobien itsensä helpottamien hoitojen paikallisen toimittamisen kanssa, voisi minimoida terveiden solujen sivulliset vahingot, jotka ovat yhteisiä systeemisten syöpähoitojen kanssa. Useat ryhmät ovat muokanneet bakteereja tuottamaan monenlaisia lasteja, kuten syöpämyrkkyjä, sytokiineja ja apoptoosia aiheuttavia tekijöitä. Mahdollisesti myrkyllisen terapeuttisen lastin tuottaminen edellyttää bakteerien kontrollointia, jos ne laskeutuvat paikkoihin, joihin niiden ei pitäisi. niinpä tutkijat ovat nyt siirtymässä kohti seuraavan sukupolven bakteerijärjestelmien suunnittelua aistimaan fysiologisen vihjeen ja reagoimaan tuottamalla terapeuttista paikallisella tautipaikalla.
tämän tavoitteen saavuttamiseksi synteettisen biologian alalla on kahden viime vuosikymmenen aikana kehitetty geenipiirien repertuaari mikrobien käyttäytymisen hallitsemiseksi. Nämä piirit koostuvat positiivisia ja negatiivisia palautetta motiiveja moduloida dynaamisia solutoimintoja, toimii vipukytkimet, oskillaattorit, laskurit, biosensorit, ja tallentimet—työkaluja, että tutkijat ovat käyttäneet suunnitella syöpää torjuvia mikrobeja.
yksi esimerkki syöpää vastaan taistelevien bakteerien geneettisestä kontrollista on Jeff Hastyn ryhmän vuonna 2016 Kalifornian yliopistossa San Diegossa kehittämä synkronoitu lysis-piiri yhteistyössä Sangeeta Bhatian laboratorion kanssa MIT: ssä, jossa me molemmat teimme jatko-opintomme. (TD oli mukana tässä 2016 tutkimuksessa.) Tässä piirissä bakteerit paikantuvat kasvaimiin ja kasvavat kriittiseen tiheyteen, minkä jälkeen ne synkronisesti repeävät vapauttaakseen terapeuttisia yhdisteitä, joita mikrobit olivat tuottaneet. Tämä lähestymistapa, jossa hyödynnetään luonnollista bakteerien päätösvaltaisuuden tunnistamista, parantaa useita aiemmin kehitettyjen bakteerihoitojen ominaisuuksia, joista useimmat perustuslaillisesti tuottavat lääkkeitä, eli ne saattavat valmistaa ja vapauttaa terapeuttisia aineita kehon tahattomilla alueilla. Koska bakteerit saavuttavat kriittisen tiheyden vain kasvaimissa, ne tuhoavat itsensä ja vapauttavat terapeuttisen hyötykuormansa siellä. Tämä johtaa mikrobikannan karsimiseen, mikä estää bakteerien hallitsemattoman kasvun kasvaimessa tai muualla. Kolorektaalisessa maksan etäpesäkemallissa tämä järjestelmä johti kaksinkertaiseen eloonjäämisen lisääntymiseen solunsalpaajahoidon yhteydessä verrattuna pelkkään solunsalpaajahoitoon tai bakteereihin.
useat ryhmät ovat kehittäneet tätä lähestymistapaa edelleen. Esimerkiksi vuonna 2019 yksi meistä (T. D.) yhdessä Columbian yliopiston mikrobiologi ja immunologi Nicholas Arpaian ja kollegoiden kanssa loivat bakteereja, jotka tuottivat molekyylejä, joiden tiedetään estävän immuunitarkastuspisteitä, kuten CD47: n tai PD-L1: n, jotka tavallisesti jarruttavat immuunisoluja ja siten vähentävät kasvaimen vastaista aktiivisuutta. Koska bakteerit estivät nämä kulkureitit kasvaimissa, ne pystyivät alustamaan T-soluja ja helpottamaan syövän poistumista lymfoomahiirimallissa. Mikä yllättävintä, hoitamattomat kasvaimet hoidetuissa eläimissä myös kutistuivat, mikä viittaa siihen, että paikallinen pohjustus voisi laukaista kaukaisen ja kestävän kasvainten vastaisen immuniteetin.
bakteerien käyttö syöpähoitona alkaa herättää bioteknisen teollisuuden huomiota. Eräs yritys, BioMed Valley Discoveries, on testannut useissa kliinisissä kokeissa Clostridium novyi-NT: n itiöitä.se on anaerobinen aine, joka voi kasvaa vain hypoksisissa olosuhteissa ja joka on geneettisesti heikennetty niin, ettei tappavaa toksiinia synny. Vuonna 2014 julkaistun raportin mukaan rotilla, koirilla ja ensimmäisellä ihmispotilaalla hoito osoitti ”tarkkaa, vankkaa ja toistettavissa olevaa kasvainten vastetta”.
toinen yritys, Synlogic, kehittää intratumoraalisesti injektoituja bakteereja, joiden tarkoituksena on tuottaa pistin (Interferonigeenien stimulaattori) agonisti ja toimia synnynnäisenä immuuniaktivaattorina. Kasvaimeen soluttautuneet antigeenia esittävät solut aistivat ja nielaisevat bakteerit, ja näissä immuunisoluissa ne aktivoivat PISTOREITTIÄ, mikä johtaa interferonin vapautumiseen ja kasvainspesifisiin T-soluvasteisiin. Faasin 1 kliininen tutkimus on käynnissä tämän hoidon arvioimiseksi tulenkestävien kiinteiden kasvainten hoitoon, ja suunnitellaan tutkimuksia käytettäväksi yhdessä checkpoint-inhibiittorin kanssa.
näiden ja muiden tutkimusten tulokset ohjaavat uusia innovaatioita turvallisuuteen ja tehokkuuteen suunnitelluissa bakteerisyöpähoidoissa. Esimerkiksi nämä tutkimukset valottavat paitsi terapeuttista tehoa, myös bakteerien kolonisaatiotasoja ja jakautumista potilaskasvaimissa, irtoamista tai kohteen ulkopuolista kolonisaatiota sekä geneettisten muutosten pysyvyyttä ajan mittaan—tekijöitä, joita on tutkittu vain yksityiskohtaisella tasolla hiirimalleissa. Kun proof-of-periaate on vahvistettu ihmisillä, siellä on suuri push määrittää optimaalinen bakteerikanta, hyötykuorma, piiri, ja asianmukaiset kliiniset asetukset, joissa käytetään tämäntyyppisiä hoitoja.
bakteerien rakentaminen syöpää vastaan
synteettiset biologit soveltavat geenitekniikan uusia strategioita koodatakseen bakteerien ominaisuuksia ja älypiirejä tehokkaamman in vivo-seurannan ja lääkejakelun aikaansaamiseksi. Samaan aikaan insinöörit kehittävät välineitä bakteerien ulkoiseen ohjaukseen ja ohjaukseen tavoitteena parantaa niiden kykyä löytää ja päästä käsiksi kasvaimiin. Tässä muutama esimerkki.
Bakteeripommit
Jeff Hasty Kalifornian yliopistosta, San Diegosta, yhteistyössä Sangeeta Bhatian mit: n (ja TD: n Bhatian laboratoriossa) kanssa, valmisti heikennetyn Salmonella enterica-bakteerikannan vapauttamaan synkronisesti syöpähoitoja, kun populaatio saavuttaa kriittisen tiheyden, mahdollistaen säännöllisen lääkejakelun hiirikasvaimia. Vaikutus perustuu quorum lysis, eli kun kriittinen bakteerien solutiheys on aistittavissa populaation, ne lyse ja vapauttaa lääkkeen, kun taas elossa bakteerit pitää proliferating kunnes kriittinen kynnys on saavutettu jälleen toistaa sykli.
koodatut nanorakenteet kuvantamista varten
Mihail Shapiro Kalifornian yliopistosta Berkeleystä ja kollegat koodasivat kaasutäytteiset nanorakenteet mikro-organismeihin, kuten bakteereihin ja arkaasiin. Nämä rakenteet, kun tuottamat mikrobit, toimivat varjoaineina ultraääni kuvantaminen, jonka avulla tutkijat voivat visualisoida missä ne menevät kehon kriittinen syövän diagnostiikka sekä seurata hoidon tilan avulla tutkijat visualisoida bakteerien kertyminen kasvaimissa ajan. Ryhmä osoitti äskettäin multiplexing tämän lähestymistavan koodaamalla erillinen toimittaja kussakin kaksi bakteeria, E. coli ja Salmonella, paikallistaa ja erottaa mikrobin suolet ja kasvaimet hiiriä.
magneettisesti avustettu navigointi
Sylvain Martel Polytechnique Montréalista kollegoineen liitti lääkettä sisältäviä nanoliposomeja MC-1-nimiseen magnetotaattiseen bakteerikantaan, joka pistettiin hiirillä kasvaimien läheisyyteen. Nämä bakteerit luonnollisesti biomineralisoivat magneettisia nanohiukkasia kalvojensa sisällä, jolloin tutkijat voivat käyttää magneettikenttiä ohjatakseen bakteerit kasvaimiin ja kasvaimiin, joissa ne voivat tuottaa terapeuttisia aineita tai toimia kuvantavina varjoaineina.
sädehtivä valo kasvaimissa
Di-Wei Zheng ja kollegat Wuhanin yliopistossa Kiinassa käyttivät valoa tehostamaan E. coli-bakteerin metabolista toimintaa kiinnittymällä bakteerien pintoihin puolijohteisiin nanomateriaaleihin, jotka valosäteilyssä tuottavat valosähkötroneja. Nämä käynnistivät reaktion bakteerien endogeenisten nitraattimolekyylien kanssa, mikä lisäsi sytotoksisen typpioksidin muodostumista ja eritystä 37-kertaiseksi. Hiirimallissa hoito vähensi kasvaimen kasvua 80 prosenttia.
bakteerien Kauko-ohjaus kasvaimiin
vaikka tutkijat onnistuvat tekniikan bakteerien kuljettamaan tai tuottamaan syöpälääkkeitä, alle 1 prosentti näistä mikrobeista saavuttaa kasvaimia itsestään. Koska useimpiin kasvaimiin ei pääse suoralla injektiolla, lääkärien on pystyttävä tehokkaasti navigoimaan bakteerihoitoja kasvainkohtiin, joissa mikrobien pitäisi luotettavasti ja hallittavasti vapauttaa koodaamiaan myrkyllisiä lääkkeitä.
tässä synteettinen biologia on saanut vaikutteita mikrorobotiikan periaatteista. Esimerkiksi E. coli-bakteereita voidaan muokata merten mikro-organismien geeneillä aistimaan ja hyödyntämään valoenergiaa. Vuonna 2018 Edinburghin yliopiston Jochen Arlt ja työtoverit osoittivat, että tällaisia liikkuvien kolibakteerien fotosynteettisiä kantoja voitiin ohjata alueellisesti kuvioiduilla valokentillä. Vastauksena valolle altistumiseen bakteerit siirtyivät tiettyihin paikkoihin; niiden sijainnin seuraaminen ilmoitti seuraavan valonsyötön ohjatakseen niitä eteenpäin ennalta määriteltyä polkua pitkin-prosessia, joka tunnetaan suljetun silmukan ohjauksena, joka on olennainen osa robotiikkaa.
Uudet geenityökalut tasoittavat tietä kehittyville mikro – ja nanorobotiikan aloille.
samana vuonna Xian-Zheng Zhang ja kollegat Wuhanin yliopistossa Kiinassa käynnistivät valon avulla paikallisesti bakteerien sytotoksiinin tuotannon 37-kertaistumisen kiinnittämällä bakteerien kalvoihin nanomateriaaleja, jotka valolle altistuessaan vapauttavat toksiinin synteesiä edistäviä valoelektroneja. Hiiren rintasyöpämallissa näiden anaerobisten bakteerien havaittiin kertyvän kasvainten hypoksiseen mikroympäristöön, ja sitä seurannut valon tehostama sytotoksiinituotanto johti noin 80 prosentin estoon kasvaimen kasvulle. Tämä on esimerkki siitä, miten synteettisen materiaalin integrointi eläviin bakteereihin mahdollistaa tiettyjen toimintojen tai toimintojen etäohjauksen, toinen klassisesta robotiikasta lainattu ominaisuus.
optisesti laukaistavassa suunnistuksessa ja ohjauksessa on valtava potentiaali, mutta valon rajallinen kyky tunkeutua kudokseen vaikeuttaa lähestymistä. Laajemmin käytetty ulkoisen energian muoto on ultraääni. Sillä on jo pitkään ollut sovelluksia lääketieteellisessä diagnostiikassa ja seurannassa. Viime aikoina kaasutäytteisiä mikrokuplia, johtuen niiden voimakkaasta ja erillisestä akustisesta vasteesta, käytetään parantamaan kontrastia kudosten ultraäänikuvissa, ja erityisiä korkean tehon, keskittyneen ultraäänen muotoja on sovellettu hoidossa tehostamaan huumeiden täytettyjen nanokuplien kuljetusta käyttämällä akustisia paineaaltoja ulkoisena energiana työntämään ne syvälle kasvainkudoksiin. Tällä lähestymistavalla saavutettiin erityisen lupaavia tuloksia glioblastoomassa, koska veri-aivoeste on erityisen vaikea päihdeongelmille. Pari vuotta sitten tutkijat jäljittivät terapeuttisia bakteereja ultraäänellä in vivo. Mikhail Shapiro ja kollegat Caltechissä geenimanipuloivat bakteerit ilmaisemaan niin sanottuja acoustic reporter genes (ARG) – geenejä, jotka koodaavat onttojen rakenteiden osia, joita kutsutaan kaasurakkuloiksi, jotka hajottavat ultraääniaaltoja tuottaen kaiun, jonka avulla he pystyivät havaitsemaan bakteerien sijainnin syvällä elävien hiirien sisällä.
muita yleisiä ulkoisen energian lähteitä, joita voidaan turvallisesti ja etänä käyttää ihmiskehossa, ovat magneettikentät. Vaikka magneettikuvausjärjestelmiä on käytetty kliinisesti jo vuosikymmeniä, magneettisen ohjauksen ja ohjauksen järjestelmien kehittäminen on vielä melko uutta. Tähän mennessä tutkijat ovat soveltaneet lähestymistapaa ohjatakseen magneettikatetreja erittäin tarkkaan kirurgiaan. Tunnetuin esimerkki on St. Louisissa toimiva Stereotaksien Niobe–järjestelmä sydämen rytmihäiriöiden hoitoon. Magneettikatetrin kärki ohjataan tarkasti epänormaalia sydänkudosta pitkin, jossa sähköpulssit kuumentavat tai viilentävät laitetta misfiring-solujen ablaattaamiseksi.
samankaltaisten magneettisten instrumenttien käyttöä bakteerien ohjaamiseen syöpähoidon yhteydessä ovat ehdottaneet ryhmät, jotka työskentelevät magnetotaattisten bakteerien kanssa—meren mikrobit, jotka luontaisesti syntetisoivat rautaoksidinanohiukkasten nauhoja käärittyinä lipidikuoreen. Tämä ominaisuus on kehittynyt auttamaan niitä suunnistamaan vedessä aistimalla maan magneettikentän, ja nämä kielet toimivat kompassineuloina niiden yksisoluisten kehojen sisällä. Sen löysi ensimmäisenä Richard Blakemore Massachusettsin Woods Hole Oceanographic Institutiosta 1970-luvulla. Noin 40 vuotta myöhemmin Sylvain Martel Polytechnique Montréalin Nanorobotiikan laboratoriosta ja kollegat yhdistivät nämä magnetotaktiset bakteerit DOXILIIN, liposomiin käärittyyn solunsalpaajaan, joka ansaitsi ensimmäisen hyväksytyn nanomääketieteen tittelin. Martelin ryhmä hyödynsi myös sitä, että anaerobiset bakteerit pyrkivät kotiuttamaan kasvaimia vähähappiselle ympäristölleen, ja yhdisti luonnollisen kotiutusmekanismin ulkoiseen ohjaavaan magneettikenttään, mikä osoittaa lisääntynyttä kertymistä ja hoidon tunkeutumista hiiren kasvaimiin. Toisessa tuoreessa tutkimuksessa yksi meistä (S. S.), mit: n ja ETH Zürichin tutkijoiden kanssa, osoitti kudosmalleissa sirulla, että pyörivien magneettikenttien soveltaminen voisi ajaa tällaisten magnetotaktisten bakteerien parvet toimimaan pieninä potkureina, luoden voimakkaita virtoja, jotka työntävät toverillisia nanomääkkeitä verisuonista ja syvemmälle kudoksiin.
vaikka tällaisten magnetotaktisten lajien käyttö ihmiskehossa saattaa tapahtua vuosikymmeniä myöhemmin, magnetosensaation koodaaminen muihin, kliinisesti transloituviin tai jo testattuihin bakteerikantoihin saattaa olla lähiaikoina saavutettavissa oleva tavoite. Useat proteiinit, jotka osallistuvat monimutkaiseen biomineralisaatioprosessiin, joka muodostaa magneettisia yhdisteitä magneto-tactic-bakteereissa, on tunnistettu, ja aiemmin tänä vuonna julkaistussa ennakkoprintissä tutkijat kertoivat E. coli-bakteerin kehittäneen magnetiittihiukkasia ja kontrolloivan niitä ulkoisilla magneettikentillä.
toinen keino tehdä ei-magneettisista bakteereista ohjattavia magneettikenttien avulla on yksinkertaisesti liittää niihin magneettisia materiaaleja. Tutkijat ovat ottaneet yhden tai jopa useita bakteerikantoja ja sitoneet ne magneettisiin mikro – tai nanohiukkasiin. Kun nämä magneettiset hiukkaset altistuvat ulkoiselle magneettikentälle, ne suuntautuvat kentän mukana, samoin bakteerit, jotka sitten kulkevat siihen suuntaan. Vuonna 2017 Metin Sitti ja kollegat Max Planck Institute for Intelligent Systems-instituutissa Stuttgartissa Saksassa kiinnittivät E. coli-bakteereita solunsalpaajadoksorubisiinin kerroksista ja pienistä magneettisista nanopartikkeleista valmistettuihin mikropartikkeleihin. Käyttämällä syöpäsoluja vadissa tutkijat osoittivat, että he voisivat etäohjata näitä lääkkeitä kuljettavia bakteeribotteja magneeteilla parantaakseen kasvainsolujen kohdentamista verrattuna siihen, että soluihin lisättäisiin vain lääkkeellisesti täytettyjä mikropartikkeleita.
riippumatta siitä, miten, geenimuunnellut bakteerit, joille ulkoiset energialähteet antavat laukaisimia, ohjausta ja ohjausta, ovat kiehtova uusi suunta tällä alalla. Synteettisen biologian, koneenrakennuksen ja robotiikan lähentymisen ruokkimina nämä uudet lähestymistavat saattavat tuoda meidät askeleen lähemmäksi mielikuvituksellista visiota pikkuruisista roboteista, jotka etsivät ja tuhoavat monia syöpätyyppejä.
Simone Schuerle on apulaisprofessori ETH Zürichissä ja yliopiston translationaalisen Lääketieteen instituutin jäsen. Tal Danino on apulaisprofessori Columbian yliopistossa ja Herbert Irving Comprehensive Cancer Centerin ja Data Science Instituten jäsen.