powyżej: bakterie (różowe) mogą dzielić komórki raka jelita grubego (niebieskie) w tym fałszywie kolorowym skanującym mikroskopie elektronowym.
© SCIENCE PHOTO LIBRARY, STEVE GSCHMEISSNER
w filmie FANTASTYCZNA podróż z 1966 roku zespół naukowców zostaje zmniejszony, aby zmieścić się w maleńkiej łodzi podwodnej, aby mogli poruszać się po unaczynieniu swojego kolegi i pozbyć się śmiertelnego skrzepu krwi w mózgu. Ten klasyczny film jest jedną z wielu tak pomysłowych podróży biologicznych, które dotarły na duży ekran w ciągu ostatnich kilku dekad. Jednocześnie naukowcy pracują nad urzeczywistnieniem podobnej wizji: maleńkie roboty wędrują po ludzkim ciele, aby wykrywać i leczyć choroby.
chociaż systemy z nanomotorami i obliczeniami pokładowymi do autonomicznej nawigacji pozostają pożywką dla fikcji, naukowcy zaprojektowali i zbudowali wiele mikro – i nanoskali systemów do zastosowań diagnostycznych i terapeutycznych, zwłaszcza w kontekście raka, które można uznać za wczesne prototypy nanorobotów. Od 1995 roku ponad 50 nanofarmaceutyków, w zasadzie jakiś nanoskalowy przyrząd zawierający lek, zostało zatwierdzonych przez Amerykańską Agencję Żywności i Leków. Jeśli lek tej klasy posiada jedną lub więcej cech robotycznych, takich jak wykrywanie, obliczenia pokładowe, Nawigacja lub sposób na samo zasilanie, naukowcy mogą nazwać go nanorobotem. Może to być nanowłóknina, która przenosi lek, nawiguje do lub preferencyjnie agreguje w miejscu guza i otwiera się, aby uwolnić lek tylko po pewnym wyzwalaczu. Pierwszym zatwierdzonym nanofarmaceutykiem był DOXIL, liposomalny nanoshell zawierający chemioterapeutyczny lek doksorubicynę, który nieselektywnie zabija komórki i jest powszechnie stosowany w leczeniu szeregu nowotworów. Dożylnie podawane nanoszki preferencyjnie gromadzą się w guzach, dzięki nieszczelnej unaczynienia i nieodpowiedniego drenażu przez układ limfatyczny. Tam nanocząstki powoli uwalniają lek w czasie. W tym sensie podstawowe formy nanorobotów są już w użyciu klinicznym.
precyzyjna nawigacja do miejsc guza pozostaje Świętym Graalem badań i rozwoju nanorobotów.
naukowcy mogą manipulować kształtem, rozmiarem i składem nanocząstek w celu poprawy ukierunkowania na nowotwór, a nowsze systemy stosują strategie, które specjalnie rozpoznają komórki nowotworowe. Precyzyjna nawigacja do miejsc guza pozostaje Świętym Graalem badań i rozwoju nanorobotów. Metaanaliza z 2016 r. oceniająca skuteczność pojazdów nanodostawowych testowanych w badaniach na zwierzętach w poprzednich latach 10 wykazała, że mediana mniej niż 1 procent wstrzykniętych nanocząstek rzeczywiście dotarła do miejsca guza i że można to tylko nieznacznie poprawić dzięki aktywnym mechanizmom celującym, takim jak dekoracja powierzchni specyficznymi przeciwciałami lub peptydami do wiązania receptorów specyficznych dla guza.
Jak sprawić, by te nanoboty lepiej kierowały się do miejsc nowotworowych? Bezprzewodowa transmisja energii pozostaje ogromnym wyzwaniem, a Baterie nie są jeszcze wydajne w skali nanometrów. Naukowcy wykorzystali siły zewnętrzne, takie jak ultradźwięki lub pola magnetyczne, aby promować naprowadzanie nanoleków do tkanek nowotworowych, ale dynamika płynów w układzie krążenia działa przeciwko nanoszonkom, których stosunek powierzchni do objętości jest miliard razy większy niż obiektów w skali metrów. Powoduje to, że siły powierzchniowe i przeciągające stają się bardziej dominujące: do nanocząstki może czuć się jak przemieszczanie się przez miód podczas nawigacji w środowisku wodnym naczyń krwionośnych.
ale jak to często bywa, natura może mieć rozwiązanie: bakterie. Mikroskopijne organizmy pływają autonomicznie przez płyny, napędzane przez silniki molekularne, które wirują rzęskami lub wicią w sposób podobny do korkociągu – bardzo skuteczny mechanizm napędowy w tej skali, który zainspirował wielu nanorobotyków, którzy próbują naśladować tę funkcjonalność. Naukowcy stworzyli spiralne, magnetyczne pływaki, które mogą być obracane do przodu za pomocą obracającego się pola magnetycznego. Ale bakterie, zwłaszcza w kontekście leczenia raka, są czymś więcej niż tylko wzorem do naśladowania dla efektywnego pływania; niektóre są rzeczywiście same terapeutyczne. Ponadto drobnoustroje mogą wyczuwać sygnały biochemiczne i odpowiednio dostosowywać swoje trajektorie, podobnie jak przewidywane obliczenia pokładowe.
pomysł wykorzystania bakterii do leczenia raka nie jest nowy. Jeden z najwcześniejszych doniesień na temat bakterii jako terapii nowotworowej pochodzi od pioniera immunoterapii Williama Coleya, który pod koniec XIX wieku uznał, że niektórzy pacjenci z rakiem cierpiący również na infekcje skóry są bardziej narażeni na poprawę. Zaczął wstrzykiwać toksyny bakteryjne, inaktywowane Cieplnie drobnoustroje, a nawet żywe kultury bakterii Streptococcus swoim pacjentom z nieoperacyjnymi nowotworami kości i tkanek miękkich, często prowadząc do remisji. Było to śmiałe podejście, biorąc pod uwagę ryzyko niekontrolowanych infekcji z tych preparatów bakteryjnych przed powszechną dostępnością antybiotyków. Głównie z powodu tego niebezpieczeństwa i obietnicy rodzących się koncepcji radioterapii i chemioterapii, kliniczne zastosowanie bakterii jako środków terapeutycznych w leczeniu raka nie zostało rozwinięte. Dziś ta rewolucyjna idea przeżywa renesans.
dzięki zbieżności dziedzin od biologii i chemii po materiałoznawstwo, inżynierię i informatykę, otwierają się nowe możliwości rozwoju bakteryjnych terapii nowotworowych. Zestawy narzędzi udostępnione dzięki obniżonym kosztom zarówno sekwencjonowania, jak i syntezy DNA, wraz z metodami biologii syntetycznej do niestandardowego projektowania genetycznego zachowań przypominających bakterie, torują drogę dla rozwijających się dziedzin mikro-i nanorobotyki.
Historia Nanoinżynierii i terapii bakteryjnej
zaprojektowane nanoroboty, które mogą wędrować wewnątrz ciała w celu wykrywania i leczenia nowotworów, były wizją przez ostatnie pół wieku, a pomysł wykorzystania bakterii do walki z rakiem jest jeszcze starszy. Naukowcy zrozumieli, że niektóre bakterie z natury posiadają pewne cechy nanorobota: mogą samodzielnie wyszukiwać guzy i mieć łatwo toksyczne ładunki, które mogą zabijać komórki nowotworowe. Łącząc bakterie z klasycznymi podejściami w robotyce i inżynierii do zewnętrznej kontroli i naprowadzania, naukowcy mogą teraz przekształcać fikcyjną niegdyś ideę walczącego z rakiem nanorobota w rzeczywistość – a robot żyje.
bakterie z obciążeniami przeciwnowotworowymi
Bacillus Calmette-Guérin (BCG), atenuowana bakteria zwykle stosowana jako szczep szczepionkowy przeciwko gruźlicy, od kilku dziesięcioleci jest stosowana do miejscowego leczenia raka pęcherza moczowego. Koncepcja tego podejścia, podobna do postulowanej przez Coleya, polega na tym, że podawanie bakterii stymuluje układ odpornościowy pacjenta do walki z rakiem.
jeszcze lepiej, choć bez wiedzy Coley ’ a, wiele bakterii (choć z nieznanych powodów nie BCG) ma również potencjał selektywnego wzrostu w guzach litych, w pęcherzu moczowym i gdzie indziej; zmniejszona Kontrola immunologiczna w niedotlenieniu i kwaśnym środowisku guza zapewnia bakteriom beztlenowym bezpieczną przystań do wzrostu i rozwoju. Podczas gdy wewnątrz guzów, niektóre bakterie produkują toksyny i konkurują z komórkami nowotworowymi o składniki odżywcze. Ostatecznie, nagromadzenie bakterii w obrębie guza indukuje infiltrację komórek odpornościowych, co może następnie prowadzić do odpowiedzi przeciwnowotworowych. Mimo to, pomimo przetestowania wielu naturalnie występujących i wykonanych laboratoryjnie szczepów bakterii w zwierzęcych modelach raka i przeprowadzenia badań na ludziach testujących bakterie w leczeniu raka, naukowcy zaobserwowali niewielką skuteczność poza korzyściami, które nadal obserwuje się u pacjentów z rakiem pęcherza moczowego.
w rezultacie, pole przesunęło się na bakterie inżynierii genetycznej, aby służyć jako promy dla rekombinowanych ładunków. Selektywne ukierunkowanie i późniejszy wzrost bakterii w guzach, wraz z miejscowym dostarczaniem środków terapeutycznych ułatwionych przez same drobnoustroje, może zminimalizować uboczne uszkodzenie zdrowych komórek, które jest wspólne z ogólnoustrojowymi terapiami nowotworowymi. Kilka grup zaprojektowało bakterie do produkcji szerokiej gamy ładunków, w tym toksyn przeciwnowotworowych, cytokin i czynników indukujących apoptozę. Produkcja potencjalnie toksycznych ładunków terapeutycznych wymaga dalszej kontroli nad bakteriami, w przypadku gdy lądują one w miejscach, w których nie powinny. tak więc naukowcy zmierzają teraz w kierunku inżynierii systemów bakteryjnych nowej generacji, aby wyczuć sygnał fizjologiczny i zareagować, wytwarzając terapię w lokalnym miejscu choroby.
aby pomóc w tym celu, w ciągu ostatnich dwóch dekad w dziedzinie biologii syntetycznej opracowano repertuar obwodów genetycznych do kontroli zachowań drobnoustrojów. Obwody te składają się z motywów dodatniego i ujemnego sprzężenia zwrotnego, aby modulować dynamiczne funkcje komórkowe, działając jako przełączniki, oscylatory, liczniki, biosensory i rejestratory—narzędzia, które naukowcy wykorzystali do projektowania zwalczających raka drobnoustrojów.
jednym z przykładów kontroli genetycznej nad bakteriami walczącymi z rakiem jest zsynchronizowany Obwód lizy opracowany w 2016 roku przez grupę Jeffa Hasty ’ ego z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego we współpracy z laboratorium Sangeety Bhatia w MIT, gdzie oboje odbyliśmy nasze szkolenie podyplomowe. (T. D. był współautorem tego badania z 2016 roku.) W tym obwodzie bakterie lokalizują się w guzach i rosną do gęstości krytycznej, a następnie synchronicznie pękają, aby uwolnić związki terapeutyczne, które wytwarzały mikroby. Takie podejście, które wykorzystuje naturalne bakteryjne wykrywanie kworum, poprawia kilka cech wcześniej opracowanych terapii bakteryjnych, z których większość konstytutywnie produkuje leki, co oznacza, że mogą wytwarzać i uwalniać leki w niezamierzonych obszarach ciała. Ponieważ bakterie osiągają tylko gęstość krytyczną w guzach, ulegają samozniszczeniu i uwalniają tam swój ładunek terapeutyczny. Prowadzi to do przycinania populacji drobnoustrojów, zapobiegając niekontrolowanemu wzrostowi bakterii w guzie lub w innym miejscu. W mysim modelu przerzutów do wątroby jelita grubego system ten powodował dwukrotne zwiększenie przeżywalności w połączeniu z chemioterapią w porównaniu z chemioterapią lub samymi bakteriami.
kilka grup rozwinęło to podejście. Na przykład w 2019 roku jeden z nas (T. D.), wraz z mikrobiologiem i immunologiem Uniwersytetu Columbia Nicholasem Arpaią i współpracownikami, stworzyli bakterie, które wytwarzały cząsteczki blokujące punkty kontrolne immunologiczne, takie jak CD47 lub PD-L1, które zwykle hamują komórki odpornościowe, a tym samym zmniejszają aktywność przeciwnowotworową. W wyniku blokowania tych szlaków w nowotworach, bakterie były w stanie przygotować komórki T i ułatwić usuwanie raka w mysim modelu chłoniaka. Co zaskakujące, nieleczone guzy u leczonych zwierząt również skurczyły się, co sugeruje, że miejscowe gruntowanie może wywołać odległą i trwałą odporność przeciwnowotworową.
podejście do wykorzystania bakterii jako terapii nowotworowej zaczyna przyciągać uwagę przemysłu biotechnologicznego. Jedna z firm, BioMed Valley Discoveries, testuje zastrzyki zarodników Clostridium novyi-NT, obligatoryjnego beztlenowca, który może rosnąć tylko w warunkach niedotlenienia i jest genetycznie atenuowany, aby nie wytwarzać śmiertelnej toksyny, w kilku badaniach klinicznych. U szczurów, psów i pierwszego pacjenta ludzkiego leczenie wykazało „precyzyjne, solidne i powtarzalne odpowiedzi przeciwnowotworowe”, zgodnie z raportem z 2014 roku.
inna firma, Synlogic, opracowuje bakterie wstrzykiwane donatumoralnie, mające na celu wytwarzanie agonisty Żądła (stymulatora genów interferonu) i działanie jako wrodzony aktywator immunologiczny. Bakterie są wykrywane i pochłaniane przez komórki prezentujące antygen, które przeniknęły do guza, a w obrębie tych komórek odpornościowych aktywują szlak użądlenia, powodując uwalnianie interferonu i odpowiedź komórek T specyficzną dla guza. Trwa badanie kliniczne fazy 1 w celu oceny tej terapii w leczeniu opornych guzów litych i planuje się próby stosowania w połączeniu z inhibitorem punktu kontrolnego.
wyniki tych i innych badań posłużą do prowadzenia dalszych innowacji w zakresie bezpieczeństwa i skuteczności inżynierii bakteryjnych terapii nowotworowych. Na przykład, badania te rzucą światło nie tylko na skuteczność terapeutyczną, ale na poziom kolonizacji bakteryjnej i dystrybucji w guzach pacjentów, zrzucanie lub poza cel kolonizacji i stabilności modyfikacji genetycznych w czasie-czynniki, które zostały zbadane tylko na poziomie szczegółowym w modelach myszy. Po udowodnieniu zasady u ludzi, będzie duży nacisk na określenie optymalnego szczepu bakterii, ładunku, obwodów i odpowiednich ustawień klinicznych, w których można korzystać z tych rodzajów terapii.
budowanie bakterii do walki z rakiem
biolodzy Syntetyczni stosują nowe strategie w inżynierii genetycznej do kodowania cech i inteligentnych obwodów w bakteriach w celu skuteczniejszego monitorowania in vivo i dostarczania leków. W tym samym czasie inżynierowie opracowują instrumenty do zewnętrznej kontroli i prowadzenia bakterii w celu zwiększenia ich zdolności do znajdowania i dostępu do guzów. Oto kilka przykładów.
bomby bakteryjne
Jeff Hasty z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, we współpracy z Sangeetą Bhatią z MIT (i td w laboratorium Bhatii), zaprojektował atenuowany szczep bakterii Salmonella enterica, aby synchronicznie uwalniać leki przeciwnowotworowe, gdy populacja osiągnie krytyczną gęstość, umożliwiając okresowe dostarczanie leków u myszy. guzy. Efekt opiera się na lizie kworum, co oznacza, że gdy populacja wyczuwa krytyczną gęstość komórek bakterii, lizują i uwalniają lek, podczas gdy żyjące bakterie rozmnażają się, dopóki krytyczny próg nie zostanie ponownie osiągnięty, aby powtórzyć cykl.
zakodowane nanostruktury do obrazowania
Mikhail Shapiro z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i współpracownicy zakodowali wypełnione gazem nanostruktury w mikroorganizmach, w tym bakteriach i archeonach. Struktury te, gdy produkowane przez drobnoustroje, służą jako środki kontrastowe do obrazowania ultradźwiękowego, pozwalając badaczom wizualizować, gdzie idą w organizmie-krytyczne dla diagnostyki raka, a także monitorować stan leczenia, umożliwiając badaczom wizualizację akumulacji bakterii w guzach w czasie. Grupa niedawno wykazała multipleksowanie tego podejścia poprzez kodowanie odrębnego reportera w każdej z dwóch bakterii, E. coli i salmonelli, w celu zlokalizowania i odróżnienia drobnoustrojów w jelitach i guzach myszy.
Nawigacja wspomagana magnetycznie
Sylvain Martel z Polytechnique Montréal i współpracownicy dołączali nanoliposomy zawierające lek do magnetotatycznego szczepu bakteryjnego o nazwie MC-1, który został wstrzyknięty w pobliżu guzów u myszy. Bakterie te naturalnie biomineralizują nanocząstki magnetyczne wewnątrz membran, umożliwiając naukowcom wykorzystanie pól magnetycznych do kierowania bakterii do I do guzów, gdzie mogą dostarczać środki terapeutyczne lub służyć jako środki kontrastowe do obrazowania.
Świecące światło na guzy
Di-Wei Zheng i współpracownicy z Uniwersytetu Wuhan W Chinach wykorzystali światło do zwiększenia aktywności metabolicznej E. coli poprzez dołączenie do powierzchni bakterii nanomateriałów półprzewodnikowych, które pod napromieniowaniem światłem wytwarzają fotoelektrony. Wywołały one reakcję z endogennymi cząsteczkami azotanów bakterii, zwiększając 37-krotnie tworzenie i wydzielanie cytotoksycznej postaci tlenku azotu. W modelu mysim leczenie doprowadziło do 80-procentowego zmniejszenia wzrostu guza.
Zdalne sterowanie prowadzeniem bakterii do guzów
podczas gdy badaczom udaje się zaprojektować bakterie do przenoszenia lub produkcji związków przeciwnowotworowych, mniej niż 1 procent tych drobnoustrojów dotrze do guzów na własną rękę. Ponieważ większość guzów nie jest dostępna przez bezpośrednie wstrzyknięcie, klinicyści muszą być w stanie skutecznie poruszać się po terapiach bakteryjnych do miejsc nowotworowych, gdzie drobnoustroje powinny niezawodnie i sterowalnie uwalniać toksyczne leki, które kodują.
to tu na biologię syntetyczną wpłynęły Zasady mikrorobotyki. Na przykład E. bakterie coli mogą być zaprojektowane z genów z mikroorganizmów morskich, aby sens i wykorzystanie energii świetlnej. W 2018 roku Jochen Arlt i współpracownicy z Uniwersytetu Edynburskiego pokazali, że takie fotosyntetyczne szczepy ruchliwej E. coli mogą być prowadzone przez przestrzennie wzorzyste pola świetlne. W odpowiedzi na Schematy ekspozycji na światło, bakterie przemieszczały się w określone miejsca; śledzenie ich pozycji informowało o kolejnym wejściu światła, aby poprowadzić je naprzód po wcześniej zdefiniowanej ścieżce—procesie znanym jako kontrola w pętli zamkniętej, fundamentalna część robotyki.
nowe zestawy narzędzi genetycznych torują drogę dla rozwijających się dziedzin mikro – i nanorobotyki.
w tym samym roku Xian-Zheng Zhang i jego współpracownicy z Uniwersytetu Wuhan W Chinach użyli światła do lokalnego wywołania 37-krotnego wzrostu produkcji cytotoksyn bakteryjnych poprzez przyłączenie do membran bakterii nanomateriałów, które po ekspozycji na światło uwalniają fotowolteny, które promują syntezę toksyny. W mysim modelu raka piersi stwierdzono, że te bakterie beztlenowe gromadzą się w mikrośrodowisku niedotlenienia guzów, a późniejsza, wzmocniona światłem produkcja cytotoksyn powodowała około 80% zahamowanie wzrostu guza. Jest to przykład na to, jak integracja materiału syntetycznego z żywymi bakteriami może umożliwić zdalne sterowanie pewnymi działaniami lub funkcjonalnością, inną cechą zapożyczoną z klasycznej robotyki.
podczas gdy optycznie wyzwalana nawigacja i kontrola mają ogromny potencjał, ograniczona zdolność światła do penetracji tkanki utrudnia podejście. Powszechnie stosowaną formą energii zewnętrznej są ultradźwięki. Od dawna ma zastosowanie w diagnostyce medycznej i monitorowaniu. Ostatnio mikropęcherzyki wypełnione gazem, ze względu na ich silną i wyraźną reakcję akustyczną, są stosowane w celu zwiększenia kontrastu na obrazach ultradźwiękowych tkanek, a specjalne formy zogniskowanych ultradźwięków o dużej mocy zostały zastosowane w terapii w celu zwiększenia transportu nanopęcherzyków wypełnionych lekiem, wykorzystując fale ciśnienia akustycznego jako energię zewnętrzną, aby wepchnąć je głęboko do tkanek nowotworowych. Takie podejście osiągnęło szczególnie obiecujące wyniki w przypadku glejaka, ponieważ bariera krew-mózg jest szczególnie trudna do pokonania w przypadku leków. Kilka lat temu naukowcy wykorzystali ultradźwięki do śledzenia bakterii terapeutycznych in vivo. Mikhail Shapiro i współpracownicy z Caltech genetycznie zmodyfikowane bakterie wyrażają to, co nazwali akustycznymi genami reporterowymi (ARG), które kodują składniki pustych struktur zwanych pęcherzykami gazowymi, które rozpraszają fale ultradźwiękowe, generując echo, które umożliwiło im wykrycie lokalizacji bakterii głęboko wewnątrz żywych myszy.
inne popularne źródła energii zewnętrznej, które mogą być bezpiecznie i zdalnie stosowane w ludzkim ciele, to pola magnetyczne. Podczas gdy systemy obrazowania metodą rezonansu magnetycznego są stosowane klinicznie od dziesięcioleci, rozwój systemów do prowadzenia i kontroli magnetycznej są nadal dość nowe. Do tej pory naukowcy zastosowali podejście do prowadzenia cewników magnetycznych w chirurgii o wysokiej precyzji. Najbardziej znanym przykładem jest system Niobe z St. Louis oparty na Stereotaksji do leczenia zaburzeń rytmu serca. Końcówka cewnika magnetycznego jest precyzyjnie kierowana wzdłuż nieprawidłowej tkanki serca, gdzie impulsy elektryczne ogrzewają lub chłodzą urządzenie, aby ablować źle działające komórki.
zastosowanie podobnego oprzyrządowania magnetycznego do kierowania bakteriami w kontekście terapii nowotworowej zostało zaproponowane przez grupy, które pracują z bakteriami magnetotatycznymi—drobnoustrojami morskimi, które naturalnie syntetyzują ciągi nanocząstek tlenku żelaza owiniętych w skorupę lipidową. Ta cecha ewoluowała, aby pomóc im poruszać się w wodzie poprzez wyczuwanie ziemskiego pola magnetycznego, z tymi strunami działającymi jak igły kompasu wewnątrz ich jednokomórkowych ciał. Po raz pierwszy został odkryty w 1970 roku przez Richarda Blakemore ’ a z Woods Hole Oceanographic Institution w Massachusetts. Około 40 lat później Sylvain Martel z laboratorium Nanorobotyki Politechniki Montréal i współpracownicy połączyli te bakterie magnetotaktyczne z DOXILEM, chemioterapeutykiem owiniętym liposomem, który zdobył tytuł pierwszej zatwierdzonej nanomedycyny. Grupa Martela również wykorzystała fakt, że bakterie beztlenowe mają tendencję do zasiedlania guzów przez środowisko o niskiej zawartości tlenu i połączyła ten naturalny mechanizm naprowadzania z zewnętrznym kierującym polem magnetycznym, wykazując zwiększoną kumulację i penetrację terapii w guzach myszy. W innym ostatnim badaniu jeden z nas( S. S.), z badaczami z MIT i ETH Zurich, wykazali w modelach tkankowych na chipie, że zastosowanie wirujących pól magnetycznych może napędzać roje takich bakterii magnetotaktycznych do działania jako małe śmigła, tworząc silne przepływy, aby wypchnąć nanoleki towarzyszące z naczyń krwionośnych i głębiej do tkanek.
podczas gdy użycie takich magnetotaktycznych gatunków wewnątrz ludzkiego ciała może nastąpić w przyszłości w dziesięcioleciach, kodowanie magnetosensacji w innych, bardziej klinicznie tłumaczonych lub już przebadanych szczepach bakterii może być osiągalnym celem w najbliższej perspektywie. Zidentyfikowano kilka białek biorących udział w złożonym procesie biomineralizacji, które tworzą związki magnetyczne w bakteriach magneto-taktycznych, a w preprint opublikowanym na początku tego roku naukowcy poinformowali o inżynierii E. coli do tworzenia cząstek magnetytu i kontrolowania ich przez zewnętrzne pola magnetyczne.
inną drogą do tworzenia niemagnetycznych bakterii sterowanych przez pola magnetyczne jest po prostu dołączanie do nich materiałów magnetycznych. Naukowcy pobrali jeden lub nawet wiele szczepów bakterii i związali je z magnetycznymi mikro-lub nanocząstkami. Po wystawieniu na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, te cząstki magnetyczne zorientują się wraz z polem, podobnie jak bakterie, które następnie będą podróżować w tym kierunku. W 2017 roku Metin Sitti i współpracownicy z Instytutu Maxa Plancka na rzecz inteligentnych systemów w Stuttgarcie, Niemcy, połączyli bakterie E. coli z mikrocząstkami wykonanymi z warstw chemioterapeutycznej doksorubicyny i małych nanocząstek magnetycznych. Wykorzystując komórki nowotworowe w naczyniu, naukowcy wykazali, że mogą zdalnie kontrolować te boty bakteryjne przenoszące leki za pomocą magnesów, aby poprawić celowanie komórek nowotworowych w porównaniu z dodawaniem do komórek mikrocząstek naładowanych lekami.
bez względu na to, jak, genetycznie zmodyfikowane bakterie wzmocnione zewnętrznymi źródłami energii dostarczającymi wyzwalaczy, kontroli i wskazówek są fascynującym nowym kierunkiem w tej dziedzinie. Napędzane przez konwergencję biologii syntetycznej, Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, te nowe podejścia mogą tylko zbliżyć nas o krok do fantastycznej wizji małych robotów, które szukają i niszczą wiele rodzajów raka.
Simone Schuerle jest adiunktem w ETH w Zurychu i członkiem Instytutu Medycyny Translacyjnej Uniwersytetu. Tal Danino jest adiunktem na Uniwersytecie Columbia i członkiem Herbert Irving Comprehensive Cancer Center oraz Data Science Institute.