OVENFOR: Bakterier (rosa) koselig opp til å dele kolorektale kreftceller (blå) i denne falske fargeskanningelektronmikrografen.
© SCIENCE PHOTO LIBRARY, STEVE GSCHMEISSNER
I 1966-filmen Fantastic Voyage, er et team av forskere krympet for å passe inn i en liten ubåt, slik at de kan navigere kollegaens vaskulatur og kvitte seg med en dødelig blodpropp i hjernen. Denne klassiske filmen er en av mange slike fantasifulle biologiske reiser som har gjort det til storskjermen de siste tiårene. Samtidig har forskere jobbet for å gjøre en lignende visjon til virkelighet: små roboter som roaming menneskekroppen for å oppdage og behandle sykdom. Selv om systemer med nanomotorer og ombord beregning for autonom navigasjon forbli mat for fiksjon, har forskere designet og bygget en rekke mikro – og nanoskala systemer for diagnostiske og terapeutiske anvendelser, spesielt i sammenheng med kreft, som kan betraktes som tidlige prototyper av nanoroboter. Siden 1995 har mer enn 50 nanofarmaka, i utgangspunktet en slags nanoskala-enhet som inneholder et stoff, blitt godkjent av US Food And Drug Administration. Hvis et stoff i denne klassen har en eller flere robotegenskaper, som sensing, ombord beregning, navigasjon eller en måte å drive seg selv, kan forskere kalle det en nanorobot. Det kan være et nanovehicle som bærer et stoff, navigerer til eller fortrinnsvis aggregater på et svulststed, og åpner opp for å frigjøre et stoff bare på en bestemt utløser. DEN første godkjente nanopharmaceutical VAR DOXIL, en liposomal nanoshell bærer kjemoterapeutiske stoffet doxorubicin, som nonselectively dreper celler og brukes ofte til å behandle en rekke kreftformer. De intravenøst administrerte nanoshellene akkumuleres fortrinnsvis i svulster, takket være en lekkende vaskulatur og utilstrekkelig drenering av lymfesystemet. Der frigjør nanopartiklene sakte stoffet over tid. I den forstand er grunnleggende former for nanoroboter allerede i klinisk bruk.
Presis navigering til svulststeder forblir en hellig gral av nanorobot forskning og utvikling.
Forskere kan manipulere form, størrelse og sammensetning av nanopartikler for å forbedre tumor målretting, og nyere systemer benytter strategier som spesifikt gjenkjenner kreftceller. Likevel forblir presis navigasjon til svulststeder en hellig gral av nanorobot forskning og utvikling. En 2016 meta-analyse som vurderer effektiviteten av nanodelivery kjøretøy testet i dyreforsøk i de foregående 10 årene viste at en median på færre enn 1 prosent av de injiserte nanovehiklene faktisk nådde tumorstedet, og at dette kun kunne forbedres marginalt med aktive målrettingsmekanismer, for eksempel overflatedekorasjon med spesifikke antistoffer eller peptider for tumorspesifikk reseptorbinding.
Hvordan kan vi gjøre disse nanobotene bedre til å styre seg til svulststeder? Trådløs energioverføring er fortsatt en stor utfordring, og batterier er ennå ikke effektive på nanometerskalaen. Forskere har brukt eksterne krefter som ultralyd eller magnetfelt for å fremme homing av nanomedisiner til svulstvev, men væskedynamikken i sirkulasjonssystemet virker mot nanoshuttles, hvis overflate-til-volumforhold er 1 milliard ganger det for objekter på skalaen av meter. Dette fører til at overflate-og dragkrefter blir mer dominerende: til nanopartikkelen kan det føles som å bevege seg gjennom honning når man navigerer i det vandige miljøet i vaskulaturen. Men som det så ofte gjør, kan naturen bare ha en løsning: bakterier. De mikroskopiske organismer svømmer autonomt gjennom væsker, drevet av molekylære motorer som spinner sin cilia eller flagella i en korketrekker-lignende mote—en svært effektiv fremdriftsmekanisme i denne skalaen som har inspirert mange nanoroboticists som prøver å etterligne denne funksjonaliteten. Forskere har produsert spiralformede, magnetiske svømmere som kan spinnes fremover av et roterende magnetfelt, for eksempel. Men bakterier, spesielt i forbindelse med behandling av kreft, er mer enn bare rollemodeller for effektiv svømming; noen er faktisk selv terapeutiske. I tillegg kan mikrober fornemme biokjemiske tegn og justere sine baner tilsvarende, i likhet med den planlagte beregningen om bord.Ideen om å bruke bakterier til å behandle kreft er ikke ny. En av de tidligste rapportene om bakterier som kreftbehandling kommer fra immunterapi pioner William Coley, som i slutten Av det 19. århundre innså at noen kreftpasienter også lider av hudinfeksjoner var mer sannsynlig å bli bedre. Han begynte å injisere bakterielle toksiner, varme-inaktiverte mikrober, eller til og med levende kulturer Av Streptokokker-bakterier i sine pasienter med inoperable bein-og bløtvevskrefter, noe som ofte fører til remisjoner. Det var en dristig tilnærming, gitt risikoen for ukontrollable infeksjoner fra disse bakterielle formuleringene før den utbredte tilgjengeligheten av antibiotika. I stor grad på grunn av den faren, og løftet om de naserende konseptene for stråling og kjemoterapi, gikk den kliniske bruken av bakterier som terapeutiske midler for kreft uutviklet. I dag har denne revolusjonerende ideen opplevd en renessanse.Takket være konvergensen av felt fra biologi og kjemi til materialvitenskap, ingeniørfag og datavitenskap, åpnes nye veier for utvikling av bakterielle terapier for kreft. De toolkits gjort tilgjengelig takket være reduserte kostnader for både sekvensering og syntese AV DNA, sammen med syntetisk-biologi tilnærminger for tilpasset genetisk design av bakteriell-lignende atferd, baner vei for de nye felt av mikro – og nanorobotics.
En Historie Med Nanoengineering og Bakteriell Terapi
Konstruerte nanoroboter som kan streife rundt i kroppen for å oppdage og behandle svulster har vært en visjon for det siste halve århundre, og ideen om å bruke bakterier til å bekjempe kreft er enda eldre enn det. Forskere har kommet for å forstå at noen bakterier medfødt har noen egenskaper av en nanorobot: de kan autonomt oppsøke svulster og ha lett giftige nyttelast som kan drepe kreftceller. Kombinere bakterier med klassiske tilnærminger i robotikk og engineering for ekstern kontroll og veiledning, kan forskere nå snu den en gang fiktive ideen om en kreftbekjempende nanorobot til virkelighet-og roboten er i live.
Bakterier med anti-kreft nyttelast
Bacillus Calmette-Guérin (BCG), en svekket bakterie som vanligvis brukes som en vaksinestamme for tuberkulose, har blitt repurposed de siste tiårene for å behandle blærekreft lokalt. Konseptet bak denne tilnærmingen, som ligner På Coley, er at administrasjonen av bakterier stimulerer pasientens immunsystem til å bekjempe kreften. Enda bedre, selv om det ikke Er Kjent For Coley, har Mange bakterier (av ukjente grunner, ikke BCG) også potensial til å selektivt vokse i faste svulster, i blæren og andre steder; redusert immunovervåkning i svulstens hypoksiske og sure miljø gir anaerobe bakterier et trygt fristed for å vokse og trives. Mens inne svulster, noen bakterier produserer giftstoffer og konkurrere med kreftceller for næringsstoffer. Til slutt induserer akkumuleringen av bakterier i svulsten immuncelleinfiltrasjon, som deretter kan føre til anti-kreftresponser. Likevel, til tross for å ha testet mange naturlig forekommende og laboratorieskapte bakteriestammer i dyremodeller av kreft, og etter å ha gjennomført menneskelige forsøk som testet bakterier for å behandle kreft, har forskere observert liten effekt utover fordelene som fortsatt ses hos blærekreftpasienter. som et resultat har feltet skiftet til genetisk ingeniørbakterier for å tjene som ferger for rekombinant nyttelast. Den selektive målrettingen og påfølgende vekst av bakterier i svulster, sammen med lokal levering av terapeutiske midler tilrettelagt av mikroberene selv, kan minimere sikkerhetsskader på friske celler som er vanlig med systemiske kreftbehandlinger. Flere grupper har utviklet bakterier for å produsere et bredt utvalg av last, inkludert anticancer toksiner, cytokiner og apoptose-induserende faktorer. Produksjonen av potensielt giftig terapeutisk last krever ytterligere kontroll over bakteriene, dersom de lander på steder de ikke burde. dermed beveger forskerne seg nå mot engineering neste generasjons bakterielle systemer for å fornemme en fysiologisk cue og reagere ved å produsere en terapeutisk på det lokale sykdomsstedet.
for å hjelpe til med dette målet har feltet syntetisk biologi i løpet av de siste to tiårene utviklet et repertoar av genetiske kretser for å kontrollere mikrobiell oppførsel. Disse kretsene består av positive og negative tilbakemeldingsmotiver for å modulere dynamiske cellulære funksjoner, som fungerer som vekslebrytere, oscillatorer, tellere, biosensorer og opptakere—verktøy som forskere har brukt til å designe kreftbekjempende mikrober. et eksempel på genetisk kontroll over kreftbekjempende bakterier er den synkroniserte lysisekretsen utviklet i 2016 av Jeff Hastys gruppe ved University Of California, San Diego, i samarbeid Med Sangeeta Bhatias laboratorium VED MIT, hvor vi begge gjorde vår videreutdanning. (Td var medforfatter på denne 2016-studien.) I denne kretsen lokaliserer bakterier seg til svulster og vokser til en kritisk tetthet, så synkront brudd for å frigjøre terapeutiske forbindelser som mikroberene hadde produsert. Denne tilnærmingen, som utnytter naturlig bakteriell quorum sensing, forbedrer flere funksjoner i tidligere utviklede bakterielle terapier, hvorav de fleste konstitutivt produserer stoffer, noe som betyr at de kan lage og frigjøre terapeutiske midler i utilsiktede områder av kroppen. Fordi bakterier bare når kritisk tetthet i svulster, vil de bare ødelegge seg selv og frigjøre sin terapeutiske nyttelast der. Dette fører til beskjæring av den mikrobielle populasjonen, og forhindrer ukontrollert vekst av bakterier i svulsten eller andre steder. I en kolorektal levermetastase musemodell resulterte dette systemet i en todelt økning i overlevelse når parret med kjemoterapi, sammenlignet med kjemoterapi eller bakterier alene.
Flere grupper har videreutviklet denne tilnærmingen. I 2019, for eksempel, en av oss (T. D.), sammen Med Columbia University mikrobiolog Og immunolog Nicholas Arpaia og kolleger, skapte bakterier som produserte molekyler kjent for å blokkere immunkontrollpunkter, SOM CD47 eller PD-L1, som vanligvis setter bremsene på immunceller og derved reduserer antitumoraktiviteten. Som et resultat av å blokkere disse veiene i svulster, var bakterier i stand til å prime T-celler og for å lette clearance av kreft i en lymfommusmodell. Mest overraskende, ubehandlede svulster i behandlede dyr krympet også, noe som tyder på at lokal priming kan utløse fjern og holdbar antitumorimmunitet.
tilnærmingen til å bruke bakterier som kreftbehandling begynner å tiltrekke seg bioteknologiindustriens oppmerksomhet. Ett selskap, BioMed Valley Discoveries, har testet injeksjoner av Sporer Av Clostridium novyi-NT, en obligatorisk anaerob som bare kan vokse i hypoksiske forhold og er genetisk dempet slik at et dødelig toksin ikke produseres i flere kliniske studier. Hos rotter, hunder og den første menneskelige pasienten viste behandlingen «presise, robuste og reproduserbare antitumorresponser», ifølge en rapport fra 2014.Et annet selskap, Synlogic, utvikler intratumoralt injiserte bakterier designet for å produsere EN STING (STImulator Av Interferongener) agonist og fungere som en medfødt immunaktivator. Bakteriene blir sensert og oppslukt av antigenpresenterende celler som har infiltrert svulsten, og i disse immuncellene aktiverer DE STINGVEIEN, noe som resulterer i interferonfrigivelse og tumorspesifikke t-celleresponser. En Fase 1 klinisk studie er i gang for å evaluere denne behandlingen for behandling av ildfaste faste svulster, og forsøk for bruk i kombinasjon med en kontrollpunktsinhibitor er planlagt. resultatene av disse og andre studier vil tjene til å veilede ytterligere innovasjoner i sikkerhet og effekt for konstruerte bakterielle kreftbehandlinger. For eksempel vil disse studiene kaste lys ikke bare på terapeutisk effekt, men på bakterielle koloniseringsnivåer og distribusjon i pasienttumorer, avstøpning eller off-target kolonisering og stabilitet av genetiske modifikasjoner over tid—faktorer som bare har blitt studert på et detaljert nivå i musemodeller. Når et bevis på prinsippet er etablert hos mennesker, vil det være et stort trykk for å bestemme optimal bakteriestamme, nyttelast, kretser og passende kliniske innstillinger for å bruke disse typer terapier.
Bygge Bakterier For Å Bekjempe Kreft
Syntetiske biologer søker nye strategier i genteknologi for å kode egenskaper og smarte kretser i bakterier for mer effektiv in vivo overvåking og levering av legemidler. Samtidig utvikler ingeniører instrumenter for ekstern kontroll og veiledning av bakterier med sikte på å øke deres evne til å finne og få tilgang til svulster. Her er noen eksempler.
Bakterielle bomber
Jeff Hasty fra University Of California, San Diego, i samarbeid Med Sangeeta Bhatia fra MIT (Og Td i Bhatias laboratorium), utviklet En svekket Salmonella enterica bakteriestamme for å synkront frigjøre kreftbehandling når befolkningen når en kritisk tetthet, slik at periodisk levering av legemidler i mus svulster. Effekten er basert på quorum lysis, noe som betyr at når en kritisk bakteriecelletetthet oppdages av befolkningen, lyser de og frigjør stoffet, mens overlevende bakterier fortsetter å spre seg til den kritiske terskelen er nådd igjen for å gjenta syklusen.
Kodet nanostrukturer for bildebehandling
Mikhail Shapiro Ved University Of California, Berkeley, og kolleger kodet gassfylte nanostrukturer i mikroorganismer, inkludert bakterier og archaea. Disse strukturene, når de produseres av mikrober, tjener som kontrastmidler for ultralydavbildning, slik at forskere kan visualisere hvor de går i kroppskritisk for kreftdiagnostikk, samt å overvåke behandlingsstatus ved å la forskere visualisere bakteriell akkumulering i svulster over tid. Gruppen viste nylig multiplexing av denne tilnærmingen ved å kode en tydelig reporter i hver av to bakterier, E. coli og Salmonella, for å lokalisere og skille mikroben i tarm og svulster hos mus.
Magnetisk assistert navigasjon
Sylvain Martel Av Polytechnique Montréal og kollegaer vedlagte legemiddelholdige nanoliposomer på en magnetotatisk bakteriestamme kalt MC-1 som ble injisert i nærheten av svulster hos mus. Disse bakteriene biomineraliserer naturlig magnetiske nanopartikler inne i membranene, slik at forskerne kan bruke magnetfelt for å lede bakteriene til—og inn i—svulster, hvor de kan levere terapi eller tjene som bildekontrastmidler.
Skinnende lys på svulster
Di-Wei Zheng Og kolleger Ved Wuhan University i Kina brukte lys for å forbedre metabolske aktiviteter Av E. coli ved å feste til bakteriens overflater halvleder nanomaterialer som under lysbestråling produserer fotoelektroner. Disse utløste en reaksjon med bakteriens endogene nitratmolekyler, og økte dannelsen og sekresjonen av en cytotoksisk form av nitrogenoksid med 37 ganger. I en musemodell førte behandlingen til en 80 prosent reduksjon i tumorvekst.
Fjernkontroll guiding av bakterier til svulster
mens forskere lykkes i engineering bakterier å bære eller produsere kreft forbindelser, vil færre enn 1 prosent av disse mikrobene nå svulster på egen hånd. Siden de fleste svulster ikke er tilgjengelige ved direkte injeksjon, må klinikere effektivt kunne navigere bakterielle terapier til svulststeder, hvor mikroberene på en pålitelig og kontrollerbar måte frigjør de giftige stoffene de koder for. dette er hvor syntetisk biologi har blitt påvirket av prinsippene for mikrorobotics. For Eksempel, E. coli-bakterier kan konstrueres med gener fra marine mikroorganismer for å fornemme og gjøre bruk av lysenergi. I 2018 viste Universitetet I Edinburghs Jochen Arlt og kollegaer at slike fotosyntetiske stammer Av motile E. coli kunne styres gjennom romlig mønstrede lysfelt. Som svar på mønstre av lyseksponering flyttet bakteriene til bestemte steder; sporing av posisjonen informerte neste lysinngang for å lede dem fremover langs en forhåndsdefinert bane – en prosess som er kjent som lukket sløyfekontroll, en grunnleggende del av robotteknologi.
Nye genetiske verktøy baner vei for de nye feltene mikro-og nanorobotikk.
I samme år brukte Xian-Zheng Zhang og kolleger ved Wuhan University i Kina lys til å lokalt utløse en 37-ganger økning i bakteriell cytotoksinproduksjon ved å feste til bakteriens membraner nanomaterialer som ved lyseksponering frigjør fotoelektroner som fremmer toksins syntese. I en musemodell av brystkreft ble disse anaerobe bakteriene funnet å akkumulere i svulstens hypoksiske mikromiljø, og den etterfølgende lysforsterkede cytotoksinproduksjonen resulterte i rundt 80 prosent inhibering av tumorvekst. Dette er et eksempel på hvordan integrering av syntetisk materiale i levende bakterier kan tillate fjernkontroll av bestemte handlinger eller funksjonalitet, en annen funksjon lånt fra klassisk robotteknologi.mens optisk utløst navigasjon og kontroll har enormt potensial, hindrer lysets begrensede evne til å trenge inn i vev tilnærmingen. En mer utbredt form for ekstern energi er ultralyd. Det har lenge hatt applikasjoner innen medisinsk diagnostikk og overvåking. Mer nylig er gassfylte mikrobobler, på grunn av deres sterke og tydelige akustiske respons, brukt til å forbedre kontrasten på ultralydbilder av vev, og spesielle former for kraftige, fokuserte ultralyd har blitt brukt i terapi for å øke transporten av legemiddelfylte nanobobler ved å bruke de akustiske trykkbølgene som ekstern energi for å presse dem dypt inn i svulstvev. Denne tilnærmingen oppnådde spesielt lovende resultater i glioblastom, fordi blod-hjernebarrieren er spesielt vanskelig å overvinne for narkotika. For noen år siden brukte forskere ultralyd til å spore terapeutiske bakterier in vivo. Mikhail Shapiro og kolleger Ved Caltech genetisk konstruerte bakterier for å uttrykke det de kalte acoustic reporter genes (ARG), som koder for komponentene i hule strukturer kalt gassvesikler som sprer ultralydbølger, og genererer et ekko som gjorde det mulig for dem å oppdage bakteriens plassering dypt inne i levende mus.Andre vanlige kilder til ekstern energi som kan brukes trygt og eksternt i menneskekroppen er magnetfelt. Mens magnetisk resonans imaging systemer har blitt brukt klinisk i flere tiår, utvikling av systemer for magnetisk veiledning og kontroll er fortsatt ganske ny. Hittil har forskere brukt tilnærmingen til å veilede magnetiske katetre for høy presisjonskirurgi. DET mest kjente eksempelet ER NIOBE-systemet Fra St. Louis-baserte Stereotaksier for behandling av hjertearytmier. En magnetisk kateterspiss styres nøyaktig langs unormalt hjertevev, hvor elektriske pulser varme eller avkjøler enheten for å ablere misfiring celler. bruken av lignende magnetisk instrumentering for å veilede bakterier i sammenheng med kreftterapi har blitt foreslått av grupper som arbeider med magnetotatiske bakterier—marine mikrober som naturlig syntetiserer strenger av jernoksid nanopartikler innpakket i et lipidskall. Denne egenskapen har utviklet seg for å hjelpe dem med å navigere i vannet ved å føle Jordens magnetfelt, med disse strengene som fungerer som kompassnåler inne i deres encellede kropper. Dette ble først oppdaget på 1970-tallet Av Richard Blakemore Fra Woods Hole Oceanographic Institution I Massachusetts. Omtrent 40 år senere koblet Sylvain Martel Fra Polytechnique Montréals NanoRobotics Laboratory og kolleger disse magnetotaktiske bakteriene til DOXIL, den liposom-innpakket kjemoterapeutisk som tjente tittelen på den første godkjente nanomedisinen. Martel gruppe, også, tok fordel av det faktum at anaerobe bakterier har en tendens til hjem til svulster for deres lav-oksygen miljø, og koblet den naturlige homing mekanisme med en ekstern dirigere magnetfelt, viser økt akkumulering og penetrasjon av terapi i mus svulster. I en annen nylig studie, en av Oss (Ss), med forskere VED MIT Og Eth Zurich, viste i vevsmodeller på en brikke at bruk av roterende magnetfelt kunne drive sværmer av slike magnetotaktiske bakterier til å fungere som små propeller, og skape sterke strømmer for å presse følgesvenn nanomedisiner ut av blodkar og dypere inn i vev.mens bruken av slike magnetotaktiske arter inne i menneskekroppen kan forekomme tiår i fremtiden, kan koding av magnetosensasjon i andre, mer klinisk oversettbare eller allerede testede bakteriestammer være et oppnåelig mål på kort sikt. Flere av proteinene som er involvert i den komplekse biomineraliseringsprosessen som danner de magnetiske forbindelsene i magneto-taktikkbakterier, er identifisert, og i et preprint publisert tidligere i år rapporterte forskere engineering E. coli for å danne magnetittpartikler og kontrollere dem ved eksterne magnetfelt.
En annen vei til å gjøre ikke-magnetiske bakterier kontrollerbare av magnetiske felt er å ganske enkelt feste magnetiske materialer til dem. Forskere har tatt en eller flere bakteriestammer og bundet dem til magnetiske mikro-eller nanopartikler. Når de blir utsatt for et eksternt magnetfelt, vil disse magnetiske partiklene orientere seg med feltet, og det vil også bakteriene, som da vil bevege seg i den retningen. I 2017 festet Metin Sitti og kolleger Ved Max Planck Institute For Intelligent Systems I Stuttgart, Tyskland, e. coli-bakterier til mikropartikler laget av lag av kjemoterapeutisk doxorubicin og små magnetiske nanopartikler. Ved hjelp av kreftceller i en tallerken viste forskerne at de kunne fjernstyre disse stoffbærende bakterielle botsene med magneter for å forbedre tumorcellens målretting sammenlignet med bare å legge til stoffbelastede mikropartikler til cellene.uansett hvordan, genmodifiserte bakterier bemyndiget av eksterne energikilder som gir utløsere, kontroll og veiledning, er en fascinerende ny retning på dette feltet. Drevet av konvergensen av syntetisk biologi, maskinteknikk og robotteknologi, kan disse nye tilnærmingene bare bringe oss et skritt nærmere den fantastiske visjonen om små roboter som søker og ødelegger mange krefttyper. Simone Schuerle er assisterende professor VED Eth Zurich og medlem av universitetets Institutt for Translasjonsmedisin. Tal Danino er assisterende professor Ved Columbia University og medlem Av Herbert Irving Comprehensive Cancer Center og Data Science Institute.