上記：細菌（ピンク）は、この偽色走査電子顕微鏡写真で結腸直腸癌細胞（青）を分割するまで居心地の良い。
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1966年の映画”Fantastic Voyage”では、科学者のチームが小さな潜水艦に収まるように縮小され、同僚の血管系をナビゲートし、脳の致命的な血栓を取り除くことができます。 この古典的な映画は、過去数十年にわたって大画面にそれを作った多くのそのような想像力豊かな生物学的旅の一つです。 同時に、科学者たちは、同様のビジョンを現実にするために取り組んできました：病気を検出し、治療するために人体をローミング小さなロボット。
ナノモーターと自律航法のためのオンボード計算を持つシステムはフィクションのための飼料のままですが、研究者は、特に癌の文脈で、診断および治療 1995年以来、50以上のナノ医薬品、基本的に薬を組み込んだナノスケールのデバイスのいくつかの並べ替えは、米国食品医薬品局によって承認されています。 このクラスの薬物が、センシング、オンボード計算、ナビゲーション、またはそれ自体に電力を供給する方法などの一つ以上のロボット特性を有する場合、科学者はそれをナノロボットと呼ぶことができる。 これは、薬物を運び、腫瘍部位に移動するか、または優先的に凝集し、特定のトリガー時にのみ薬物を放出するために開放するナノビークルであり得る。 最初の承認されたnanopharmaceuticalはDOXIL、非選択的に細胞を殺し、癌の範囲を扱うために一般的である化学療法の薬剤のdoxorubicinを運ぶliposomal nanoshellでした。 静脈内投与されたナノシェルは、漏出性の血管系およびリンパ系による不十分な排液のおかげで、腫瘍に優先的に蓄積する。 そこでは、ナノ粒子は時間の経過とともにゆっくりと薬物を放出する。 その意味で、ナノロボットの基本的な形態はすでに臨床的に使用されています。
腫瘍部位への正確なナビゲーションは、nanorobotの研究開発の聖杯のままです。
科学者は、腫瘍標的を改善するためにナノ粒子の形状、サイズ、および組成を操作することができ、新しいシステムは、癌細胞を特 それでも、腫瘍部位への正確なナビゲーションは、nanorobotの研究開発の聖杯のままです。 過去10年間に動物実験で試験されたナノデリバリービヒクルの効率を評価する2016年のメタアナリシスでは、注入されたナノベヒクルの中央値が実際に腫瘍部位に到達したのは1パーセント未満であり、これは腫瘍特異的受容体結合のための特異的抗体またはペプチドによる表面装飾などの活性標的化メカニズムによってわずかに改善されるだけであることが明らかになった。
どのように我々は、腫瘍部位に自分自身を操縦する上で、これらのナノボットをより良くすることができますか？ 無線エネルギー伝送は依然として大きな課題であり、電池はナノメートルスケールではまだ効率的ではありません。 研究者は、超音波や磁場などの外力を使用してナノ医療の腫瘍組織へのホーミングを促進してきましたが、循環系の流体力学は、表面体積比がメートルの物体の10億倍であるナノシャトルに対して作用します。 これは表面と抗力がより支配的になる原因となります：ナノ粒子には、血管系の水性環境をナビゲートするときに蜂蜜を通って移動するように感じる しかし、それが頻繁にそうであるように、自然はちょうど解決策を持っているかもしれません：細菌。 微視的な生物は、繊毛や鞭毛をコルク栓抜きのように回転させる分子モーターによって駆動される流体を介して自律的に泳ぐ-この機能を模倣しようとする多くのナノロボットに影響を与えたこのスケールでの非常に効果的な推進機構。 研究者は、例えば、回転磁場によって前方に回転させることができる螺旋状の磁気スイマーを製造した。 しかし、細菌、特に癌の治療の文脈では、効率的な水泳のための単なるロールモデル以上のものです; いくつかは、実際には自分自身が治療的です。 さらに、微生物は、想定されるオンボード計算と同様に、生化学的手がかりを感知し、それに応じてその軌道を調整することができる。癌を治療するために細菌を使用するという考えは新しいものではありません。
癌治療としての細菌に関する最も初期の報告の1つは、免疫療法の先駆者であるWilliam Coleyから来ており、19世紀後半に皮膚感染症に罹患している癌患者 彼は、手術不能な骨および軟部組織癌を有する患者に、細菌毒素、熱不活性化微生物、または連鎖球菌細菌の生きた培養物さえも注入し始め、しばしば寛解 これは、抗生物質の広範な利用可能性の前に、これらの細菌製剤から制御不能な感染症のリスクを考えると、大胆なアプローチでした。 主にその危険性と、放射線と化学療法の初期の概念の約束のために、癌の治療薬としての細菌の臨床的使用は未開発になった。 今日、この革命的なアイデアはルネッサンスを経験しています。
生物学と化学から材料科学、工学、コンピュータ科学への分野の収束のおかげで、癌のための細菌療法の開発のための新しい道が開かれています。 このツールキットは、DNAのシーケンシングと合成の両方のコストの削減のおかげで、細菌のような行動のカスタム遺伝的設計のための合成生物学のアプロー
ナノ工学と細菌療法の歴史
腫瘍を検出し、治療するために体内を歩き回ることができる設計されたナノロボットは、過去半世紀のビジョ 研究者は、いくつかの細菌が本質的にnanorobotのいくつかの特性を持っていることを理解するようになった：彼らは自律的に腫瘍を探し出すことができ、癌細胞を殺すことができる容易に毒性のペイロードを持つことができます。 細菌とロボット工学の古典的なアプローチを外部の制御と指導のために組み合わせることで、研究者は今、癌と戦うnanorobotのかつての架空のアイデアを現実
抗がんペイロードを持つ細菌
結核のワクチン株として一般的に使用される弱毒化細菌であるBacillus Calmette-Guérin（BCG）は、ここ数十年、膀胱癌を局所的に治療するために再利用されている。 Coleyによって仮定されるそれに類似したこのアプローチの後ろの概念は細菌の管理が癌を撃退するように患者の免疫組織を刺激することである。
さらに良いことに、Coleyに知られていないものの、多くの細菌（bcgではなく、未知の理由で）は、固形腫瘍内、膀胱および他の場所で選択的に成長する可能性 腫瘍の内部では、いくつかの細菌は毒素を産生し、栄養素のために癌細胞と競合します。 最終的には、腫瘍内の細菌の蓄積は、免疫細胞浸潤を誘導し、次いで抗癌応答をもたらし得る。 まだ、癌の動物モデルの多くの自然発生し、実験室作られた細菌の緊張をテストし、癌を扱うために細菌をテストする人間の試験を行なったにもかか
その結果、フィールドは組換えペイロードのフェリーとして機能するために遺伝子工学細菌にシフトしています。 腫瘍内の細菌の選択的標的化およびその後の増殖は、微生物自体によって促進される治療薬の局所送達とともに、全身癌治療に共通する健康な細胞への副次的損傷を最小限に抑えることができる。 複数のグループは抗癌性の毒素、cytokinesおよびapoptosis誘導の要因を含むいろいろ貨物を、作り出すために細菌を設計しました。 潜在的に有毒な治療用貨物の生産は、細菌がすべきではない場所に着陸した場合に備えて、細菌をさらに制御する必要があります。したがって、研究者は現在、生理学的手がかりを感知し、局所疾患部位で治療薬を生産することによって応答するために、次世代の細菌システムを設計することに向かって動いています。
この目標を支援するために、合成生物学の分野は、微生物の行動を制御するための遺伝的回路のレパートリーを開発しました。 これらの回路は、トグルスイッチ、発振器、カウンタ、バイオセンサー、およびレコーダー—研究者が癌と戦う微生物を設計するために使用しているツールとして機
癌と戦う細菌に対する遺伝的制御の一例は、2016年にカリフォルニア大学サンディエゴ校のJeff HastyのグループがMITのSangeeta Bhatiaの研究室と共同で開発したsynchronized lysis circuitで （T.D.はこの2016年の研究の共著者でした。）この回路では、細菌は腫瘍に局在化し、臨界密度まで成長し、次いで同期的に破裂して微生物が産生していた治療化合物を放出する。 自然な細菌のクォーラムセンシングを利用するこのアプローチは、以前に開発された細菌療法のいくつかの特徴を改善し、そのほとんどは構成的に薬を産生し、体の意図しない領域で治療薬を製造して放出する可能性があることを意味する。 細菌は腫瘍内で臨界密度に達するだけなので、それらは自己破壊し、そこで治療ペイロードを放出するだけです。 これは、微生物集団の剪定をもたらし、腫瘍または他の場所における細菌の制御されない増殖を防止する。 大腸肝metastasisマウスモデルでは、このシステムは、化学療法または細菌単独と比較して、化学療法とペアになったときの生存率の二重の増加をもたらした。
いくつかのグループがこのアプローチをさらに開発しました。 2019年には、例えば、私たちの一人（T.D.）、コロンビア大学の微生物学者および免疫学者Nicholas Arpaiaらと一緒に、CD47やPD-L1などの免疫チェックポイントをブロックすることが知られている分子を産生する細菌を作成し、通常は免疫細胞にブレーキをかけ、それによって抗腫瘍活性を低下させる。 腫瘍におけるこれらの経路を遮断した結果、細菌は、リンパ腫マウスモデルにおいて、ｔ細胞をプライミングし、癌のクリアランスを促進することができた。 最も驚くべきことに、治療された動物内の未処理の腫瘍も縮小し、局所プライミングが遠隔で耐久性のある抗腫瘍免疫を引き起こす可能性があることを示唆している。
癌治療として細菌を使用するアプローチは、バイオテクノロジー業界の注目を集め始めています。 ある会社、BioMed Valley Discoveriesは、いくつかの臨床試験で、低酸素状態でのみ成長することができ、致命的な毒素が産生されないように遺伝的に弱毒化された偏性嫌気性菌であるClostridium novyi-NTの胞子の注射を試験しています。 ラット、イヌ、および最初のヒト患者では、2014年の報告書によると、治療は「正確で堅牢で再現性のある抗腫瘍応答」を示した。
別の会社、Synlogicは、刺し傷（インターフェロン遺伝子の刺激剤）アゴニストを生成し、自然免疫活性化剤として機能するように設計された腫瘍内注入細菌を開 細菌は、腫瘍に浸潤した抗原提示細胞によって感知され、飲み込まれ、それらの免疫細胞内では、インターフェロン放出および腫瘍特異的T細胞応答を 難治性固形腫瘍に対するこの治療法を評価するための第1相臨床試験が進行中であり、チェックポイント阻害剤と組み合わせて使用する試験が計画されている。
これらの試験および他の試験の結果は、人工細菌癌治療の安全性および有効性のさらなる革新を導くのに役立つであろう。
例えば、これらの研究は、治療効果だけでなく、細菌のコロニー形成レベルと患者の腫瘍における分布、脱落またはオフターゲット植民地化、および時間の経過に伴う遺伝的改変の安定性に光を当てるだろう-マウスモデルの詳細なレベルでのみ研究されている要因。 原理証明がヒトに確立されると、これらのタイプの治療法を使用するための最適な細菌株、ペイロード、回路、および適切な臨床設定を決定するための大
癌と戦うために細菌を構築する
合成生物学者は、より効果的なin vivoモニタリングと薬物送達のために、細菌の形質とスマート回路をエンコードするための遺伝子工学における新しい戦略を適用しています。 同時に、エンジニアは腫瘍を見つけ、アクセスする彼らの機能を高めることを目標とする細菌の外部制御そして指導のための器械を開発しています。 ここに少数の例はある。
細菌爆弾
カリフォルニア大学サンディエゴ校のJeff Hastyは、MITのSangeeta Bhatia（およびBhatiaの研究室のT.D.）と共同で、集団が臨界密度に達したときに弱毒化されたsalmonella enterica細菌株を同期的に癌治療薬を放出するように設計し、マウス腫瘍における定期的な薬物送達を可能にした。 この効果は、クォーラム溶解に基づいており、重要な細菌細胞密度が集団によって感知されると、それらは薬物を溶解して放出し、生存している細菌は
イメージングのためのエンコードされたナノ構造
カリフォルニア大学バークレー校のMikhail Shapiroと同僚は、細菌や古細菌を含む微生物にガス これらの構造は、微生物によって産生されると、超音波イメージングのための造影剤として機能し、研究者は体内のどこに行くかを視覚化することが グループは最近、マウスの腸と腫瘍内の微生物を局在化し、区別するために、二つの細菌、大腸菌とサルモネラ菌のそれぞれに異なるレポーターをコードするこ
磁気アシストナビゲーション
Polytechnique MontréalのSylvain Martelたちは、マウスの腫瘍に近接して注射されたMC-1と呼ばれる磁気細菌株に薬物含有ナノリポソームを添付した。 これらの細菌は膜の中の磁気nanoparticlesを自然にbiomineralize、研究者が治療薬を渡すか、またはイメージ投射造影剤として役立つことができる腫瘍にそしてに細菌を導く
腫瘍に輝く光
中国の武漢大学のDi-Wei Zhengらは、光照射下で光電子を生成する細菌の表面半導体ナノ材料に付着することによ これらは、細菌の内因性硝酸塩分子との反応を引き起こし、細胞傷害性形態の一酸化窒素の形成および分泌を37倍増加させた。 マウスモデルでは、処置は腫瘍の成長の80パーセントの減少をもたらしました。
細菌の腫瘍への遠隔制御ガイド
研究者は抗癌化合物を運ぶか、または生産するために細菌を工学に成功しているが、それらの微生物の1％未満が自分で腫瘍に到達する。 ほとんどの腫瘍は直接注射ではアクセスできないため、臨床医は細菌療法を腫瘍部位に効果的にナビゲートできる必要があります。 これは、合成生物学がマイクロロボティクスの原理の影響を受けてきた場所です。
例えば、E. 大腸菌は、光エネルギーを感知して利用するために、海洋微生物の遺伝子を操作することができます。 2018年、エディンバラ大学のJochen Arltらは、運動性大腸菌のこのような光合成株が空間的にパターン化された光場を介して導かれることを示した。 その位置を追跡すると、次の光入力に通知され、事前に定義された経路に沿って前方に誘導されます。
新しい遺伝的ツールキットは、マイクロおよびナノロボティクスの新興分野への道を開いています。
同じ年に、中国の武漢大学のXian-Zheng Zhangらは、光に曝されると毒素の合成を促進する光電子を放出する細菌の膜ナノ材料に付着することによ 乳癌のマウスモデルでは、これらの嫌気性細菌は、腫瘍の低酸素微小環境に蓄積することが判明し、その後の光ブースト細胞毒素産生は、腫瘍増殖の約80％ これは、生きた細菌への合成材料の統合が、古典的なロボット工学から借りた別の特徴である特定の行動や機能の遠隔制御を可能にする方法の一例
光学的に誘発されたナビゲーションと制御は大きな可能性を秘めていますが、光が組織に浸透する能力は限られています。 より広く使用されている形態の外部エネルギーは超音波である。 それは長い間、医療診断と監視に応用されてきました。 最近では、ガス充填マイクロバブルは、その強力かつ明確な音響応答のために、組織の超音波画像上のコントラストを高めるために使用され、ハイパワー、集束超音波の特別な形態は、腫瘍組織に深くそれらをプッシュする外部エネルギーとして音圧波を使用することにより、薬物充填ナノバブルの輸送を後押しするために治療に適用されています。 このアプローチは、血液脳関門が薬物のために克服することが特に困難であるため、神経膠芽腫において特に有望な結果を達成した。 数年前、研究者は超音波を使用してin vivoで治療用細菌を追跡しました。 今回、CaltechのMikhail Shapiroたちは、超音波を散乱させるガス小胞と呼ばれる中空構造の構成要素をコードするacoustic reporter genes(ARG)を発現させるために細菌を遺伝子操作し、生きているマウスの奥深くにある細菌の位置を検出できるようにエコーを生成した。
人体に安全かつ遠隔的に適用できる他の一般的な外部エネルギー源は磁場です。 磁気共鳴画像システムは何十年も臨床的に使用されてきましたが、磁気誘導および制御のためのシステムの開発はまだかなり新しいものです。 これまでのところ、研究者は高精度の外科のための磁気カテーテルを導くためにアプローチを適用しました。 最も有名な例は心臓不整脈の処置のためのセントルイスベースのStereotaxisからのNIOBEシステムである。 磁気カテーテルの先端は電気脈拍がmisfiring細胞をablateするために装置を熱するか、または冷却する異常な中心のティッシュに沿って正確に操縦されます。
癌治療の文脈で細菌を導くための同様の磁気計装の使用は、脂質殻に包まれた酸化鉄ナノ粒子の文字列を自然に合成する海洋微生物である磁 この特性は、地球の磁場を感知することによって水中を移動するのを助けるために進化し、これらの弦は単細胞体の中でコンパス針として働いてい これは1970年代にマサチューセッツ州のウッズホール海洋研究所のリチャード-ブレイクモアによって最初に発見された。 およそ40年後、Polytechnique MontréalのNanoRobotics LaboratoryのSylvain Martelらは、これらの磁気刺激性細菌をリポソームで包んだ化学療法薬であるDOXILに結合し、最初に承認されたナノ医学の称号を得た。 Martelのグループも、嫌気性細菌が低酸素環境のために腫瘍に生息する傾向があるという事実を利用し、その自然ホーミング機構を外部指向磁場と結合し、マウ 別の最近の研究では、私たちの一人（S.S.）、MITとEthチューリッヒの研究者と、回転磁場を適用すると、小さなプロペラとして機能するように、このような磁気帯電細菌の群れを駆動することができ、血管から、より深い組織に仲間のナノ医療をプッシュするための強力な流れを作成することをチップ上の組織モデルで示した。
人体内でのこのような磁気作用種の使用は、将来的に数十年発生する可能性がありますが、他の、より臨床的に翻訳可能な、または既に試験された 磁気戦術細菌中の磁性化合物を形成する複雑なバイオミネラリゼーション過程に関与するタンパク質のいくつかが同定されており、今年初めに出版されたプレプリントでは、研究者らは大腸菌を工学的にマグネタイト粒子を形成し、外部磁場によってそれらを制御することを報告した。
非磁性細菌を磁場によって制御可能にするもう1つのルートは、単に磁性材料をそれらに付着させることで 研究者は、1つまたは複数の細菌株を採取し、それらを磁気マイクロまたはナノ粒子に結合させた。 外部磁場にさらされると、これらの磁性粒子は磁場と向きを変え、細菌もその方向に移動します。 2017年、ドイツのシュトゥットガルトにあるMax Planck Institute for Intelligent SystemsのMetin Sittiたちは、化学療法薬のドキソルビシンと小さな磁性ナノ粒子の層でできた微粒子に大腸菌を付着させた。 研究者らは、皿の中の癌細胞を使用して、これらの薬物を運ぶ細菌ボットを磁石で遠隔制御して、薬物を装填した微粒子を細胞に添加するだけで比較して、腫瘍細胞の標的化を改善できることを示した。
どんなに、トリガー、制御、およびガイダンスを提供する外部エネルギー源によって権限を与えられた遺伝子操作された細菌は、この分野で魅力的な新 合成生物学、機械工学、ロボット工学の融合に支えられて、これらの新しいアプローチは、多くの癌タイプを探して破壊する小さなロボットの幻想的なビ
Simone SchuerleはEth Zurichの助教授であり、大学の翻訳医学研究所のメンバーです。 Tal Daninoはコロンビア大学の助教授であり、Herbert Irving Comprehensive Cancer CenterおよびData Science Instituteのメンバーです。