acima: bactérias (cor-de-rosa) aconchegam-se até dividir as células colorectais do câncer (Azul) neste Micrograma eletrônico de varrimento de falsa cor.
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Em 1966 filme Viagem Fantástica, uma equipe de cientistas é reduzida para caber em um pequeno submarino, de modo que eles podem navegar com o seu colega da vasculatura e livrar-lhe de uma mortal coágulo de sangue em seu cérebro. Este filme clássico é uma de muitas viagens biológicas tão imaginativas que chegaram à grande tela ao longo das últimas décadas. Ao mesmo tempo, os cientistas têm trabalhado para fazer de uma visão semelhante uma realidade: pequenos robôs vagando pelo corpo humano para detectar e tratar doenças. embora os sistemas com nanomotores e computação a bordo para navegação autônoma continuem sendo forragens para ficção, pesquisadores projetaram e construíram uma infinidade de sistemas de micro e nanoscala para aplicações diagnósticas e terapêuticas, especialmente no contexto do câncer, que poderiam ser considerados protótipos precoces de nanorobots. Desde 1995, mais de 50 nanofármacos, basicamente algum tipo de dispositivo de nanoescala incorporando uma droga, foram aprovados pela Food and Drug Administration dos EUA. Se uma droga desta classe possui uma ou mais características robóticas, tais como sensoriamento, computação a bordo, navegação ou uma forma de se alimentar, os cientistas podem chamá-la de nanorobot. Pode ser um nanoveículo que transporta uma droga, navega ou, preferencialmente, agrega-se num local tumoral, e abre-se para libertar uma droga apenas sobre um determinado gatilho. O primeiro nanofarmacêutico aprovado foi o DOXIL, um nanoshell lipossómico que transportava a droga quimioterapêutica da doxorubicina, que não mata selectivamente as células e é comumente usado para tratar uma gama de cancros. As nanoshells administradas por via intravenosa acumulam-se preferencialmente em tumores, graças a uma vasculatura com fuga e drenagem inadequada pelo sistema linfático. Ali, as nanopartículas libertam lentamente a droga ao longo do tempo. Nesse sentido, formas básicas de nanorobots já estão em uso clínico.
a navegação precisa para locais tumorais permanece um santo graal da pesquisa e desenvolvimento de nanorobots.
cientistas podem manipular a forma, o tamanho e a composição das nanopartículas para melhorar o direcionamento do tumor, e os sistemas mais recentes empregam estratégias que reconhecem especificamente as células cancerosas. Ainda assim, a navegação precisa para locais tumorais continua a ser um santo graal da pesquisa e desenvolvimento de nanorobots. Um de 2016, com meta-análise avaliando a eficiência de nanodelivery veículos testados em estudos com animais nos últimos 10 anos, revelou que uma média de menos de 1% da injetado nanovehicles realmente alcançaram o tumor site, e que isso poderia ser só melhoraram um pouco, com o direcionamento de mecanismos, tais como a decoração da superfície com anticorpos específicos ou peptídeos para tumor-específicos de ligação do receptor. como podemos tornar estes nanobots melhores a dirigirem-se para locais tumorais? A transmissão de energia sem fio continua a ser um enorme desafio, e as baterias ainda não são eficientes na escala nanométrica. Pesquisadores têm usado forças externas como ultrassom ou campos magnéticos para promover a localização das nanomedinas para tecidos tumorais, mas a dinâmica dos fluidos do sistema circulatório funciona contra nanoshuttles, cuja relação superfície-volume é de mil milhões de vezes a dos objetos na escala de metros. Isso faz com que as forças de superfície e arrasto se tornem mais dominantes: para a nanopartícula, pode parecer como se movendo através do mel ao navegar no ambiente aquoso da vasculatura.
mas como tantas vezes faz, a natureza pode apenas ter uma solução: bactérias. Os organismos microscópicos nadam autonomamente através de fluidos, movidos por motores moleculares que giram seus cílios ou flagelos de forma semelhante a um saca-rolhas—um mecanismo de propulsão muito eficaz nesta escala que inspirou muitos nanoroboticistas que tentam imitar esta funcionalidade. Pesquisadores fabricaram nadadores helicoidais, magnéticos que podem ser girados para a frente por um campo magnético rotativo, por exemplo. Mas as bactérias, especialmente no contexto do tratamento do cancro, são mais do que simples modelos de natação eficiente.; alguns são terapêuticos. In addition, micróbios can sense biochemical cues and adjust their trajectories accordly, similar to the envisioned on-board computation.
A ideia de utilizar bactérias para tratar o cancro não é nova. Um dos primeiros relatórios sobre bactérias como uma terapia de câncer vem do pioneiro da imunoterapia William Coley, que no final do século XIX reconheceu que alguns pacientes de câncer também sofrendo de infecções da pele eram mais propensos a melhorar. Ele começou a injetar toxinas bacterianas, micróbios inactivados pelo calor, ou mesmo culturas vivas de bactérias Streptococcus em seus pacientes com câncer de ossos e tecidos moles inoperáveis, muitas vezes levando a remissões. Foi uma abordagem ousada, dado o risco de infecções incontroláveis a partir destas formulações bacterianas antes da disponibilidade generalizada de antibióticos. Em grande parte por causa desse perigo, e da promessa dos conceitos nascentes de radiação e quimioterapia, o uso clínico de bactérias como agentes terapêuticos para o câncer não foi desenvolvido. Hoje, esta ideia revolucionária vem experimentando um renascimento.graças à convergência dos campos da biologia e da química à ciência dos materiais, engenharia e Informática, abrem-se novas vias para o desenvolvimento de terapias bacterianas para o cancro. Os kits de ferramentas disponibilizados graças à redução dos custos de sequenciação e síntese do DNA, juntamente com abordagens de biologia sintética para o design genético personalizado de comportamentos bacterianos, estão abrindo o caminho para os campos emergentes de micro e nanorobóticos.
Uma História de Nanoengineering e Terapia Bacteriana
Engenharia de nanorobots que pode vagar dentro do corpo para detectar e tratar tumores têm sido uma visão para a metade do século passado, e a ideia de usar bactérias para combater o câncer é ainda mais antiga do que isso. Os investigadores têm vindo a compreender que algumas bactérias possuem inatamente alguns traços de um nanorobot: podem procurar autonomamente tumores e têm cargas úteis prontamente tóxicas que podem matar células cancerosas. Combinando bactérias com abordagens clássicas em robótica e engenharia para controle externo e orientação, pesquisadores podem agora estar transformando a idéia ficcional de um nanorobot de luta contra o câncer em realidade-e o robô está vivo.
bactérias com cargas anti-cancerosas
Bacillus Calmette-Guérin (BCG), uma bactéria atenuada tipicamente utilizada como uma estirpe vacinal para a tuberculose, foi reaproveitado nas últimas décadas para tratar localmente o cancro da bexiga. O conceito por trás desta abordagem, semelhante ao postulado por Coley, é que a administração de bactérias estimula o sistema imunológico do paciente para combater o câncer.
Ainda melhor, embora sem o conhecimento de Coley, muitas bactérias (embora, por razões desconhecidas, não BCG) também têm o potencial para crescer seletivamente dentro de tumores sólidos, na bexiga e em outros lugares; redução de vigilância imune em que o tumor é de hipoxia e ambiente ácido fornece bactérias anaeróbias um porto seguro para crescer e prosperar. Enquanto no interior dos tumores, algumas bactérias produzem toxinas e competem com as células cancerosas para obter nutrientes. Em última análise, a acumulação de bactérias dentro do tumor induz a infiltração imunocelular, o que pode levar a respostas anti-câncer. Ainda assim, apesar de ter testado muitas estirpes bacterianas naturais e feitas em laboratório em modelos animais de câncer, e tendo realizado ensaios em seres humanos testando bactérias para tratar o câncer, os pesquisadores têm observado pouca eficácia além dos benefícios que continuam a ser vistos em pacientes com câncer de bexiga. como resultado, o campo mudou para bactérias geneticamente modificadas para servir como ferries para cargas recombinantes. O direcionamento seletivo e subsequente crescimento de bactérias em tumores, juntamente com a entrega local de terapêuticos facilitados pelos próprios micróbios, poderia minimizar os danos colaterais para células saudáveis, que é comum com terapias de câncer sistêmico. Vários grupos desenvolveram bactérias para produzir uma grande variedade de cargas, incluindo toxinas anticancerosas, citocinas e fatores indutores da apoptose. A produção de carga terapêutica potencialmente tóxica requer um maior controle sobre as bactérias, no caso de pousarem em locais que não deveriam.assim, os pesquisadores estão agora se movendo para a engenharia de sistemas bacterianos de próxima geração para sentir uma sugestão fisiológica e responder através da produção de um terapêutico no local da doença local.
Para ajudar nesse objetivo, nas últimas duas décadas, o campo da biologia sintética tem desenvolvido um repertório de genética circuitos para controle microbiano comportamentos. Estes circuitos consistem em motivos de feedback positivo e negativo para modular funções celulares dinâmicas, atuando como interruptores, osciladores, contadores, biossensores e gravadores—ferramentas que os pesquisadores têm usado para projetar micróbios de combate ao câncer. um exemplo de controle genético sobre bactérias de luta contra o câncer é o circuito de lise sincronizado desenvolvido em 2016 pelo Grupo de Jeff Hasty na Universidade da Califórnia, San Diego, em colaboração com o laboratório de Sangeeta Bhatia no MIT, onde ambos fizemos nosso treinamento de pós-graduação. (T. D. foi co-autor deste estudo de 2016. Neste circuito, as bactérias localizam tumores e crescem até uma densidade crítica, então ruptura síncrona para liberar compostos terapêuticos que os micróbios estavam produzindo. Esta abordagem, que se aproveita da detecção de quórum bacteriano natural, melhora várias características de terapias bacterianas previamente desenvolvidas, a maioria das quais produzem drogas constitutivamente, o que significa que eles podem fazer e liberar os terapêuticos em áreas não intencionais do corpo. Como as bactérias só atingem a densidade crítica dentro dos tumores, elas só se autodestruirão e libertarão a sua carga terapêutica lá. Isto leva à poda da população microbiana, impedindo o crescimento descontrolado de bactérias no tumor ou em qualquer outro lugar. Num modelo de ratinho de metástase hepática colorectal, este sistema resultou num aumento duplo da sobrevivência quando combinado com a quimioterapia, em comparação com a quimioterapia ou bactérias isoladamente.vários grupos desenvolveram esta abordagem. Em 2019, por exemplo, um de nós (T. D.), juntamente com o microbiologista e imunologista da Universidade de Columbia Nicholas Arpaia e colegas, criaram bactérias que produziram moléculas conhecidas para bloquear pontos de controle imunológicos, como CD47 ou PD-L1, que normalmente colocam os freios nas células imunes e, assim, diminuir a atividade anti-tumor. Como resultado do bloqueio destas vias em tumores, as bactérias foram capazes de primar as células T e para facilitar a depuração do câncer em um modelo de linfoma mouse. Surpreendentemente, tumores não tratados dentro de animais tratados também encolheram, sugerindo que a preparação local poderia despoletar imunidade antitumoral distante e durável. a abordagem da utilização de bactérias como terapia oncológica está a começar a atrair a atenção da indústria biotecnológica. Uma empresa, BioMed Valley Discoveries, tem testado injeções dos esporos de Clostridium novyi-NT, um anaeróbico obrigatório que só pode crescer em condições hipóxicas e é geneticamente atenuado para que uma toxina letal não seja produzida, em vários ensaios clínicos. Em ratos, cães e o primeiro paciente humano, o tratamento mostrou “respostas antitumoras precisas, robustas e reprodutíveis”, de acordo com um relatório de 2014.outra empresa, a Synlogic, está a desenvolver bactérias injectadas intratumoralmente concebidas para produzir um agonista do ferrão (estimulador de Genes do interferão) e actuar como um activador imunitário inato. As bactérias são sentidas e engolidas por células apresentadoras de antigénios que se infiltraram no tumor, e dentro dessas células imunitárias eles ativam a via de picada, resultando na libertação de interferão e respostas de células T específicas do tumor. Está em curso um ensaio clínico de Fase 1 para avaliar esta terapia para o tratamento de tumores sólidos refractários, e estão planeados ensaios para uso em combinação com um inibidor de ponto de controle. os resultados destes e de outros ensaios servirão para orientar mais inovações na segurança e eficácia das terapias de cancro bacteriano por engenharia. Por exemplo, estes estudos irão lançar luz não só sobre a eficácia terapêutica, mas sobre os níveis de colonização bacteriana e distribuição em tumores de pacientes, descoloração ou colonização fora do alvo, e estabilidade de modificações genéticas ao longo do tempo-fatores que só foram estudados em um nível detalhado em modelos de ratinho. Uma vez que uma prova de princípio é estabelecida em seres humanos, haverá um grande impulso para determinar a estirpe bacteriana ideal, carga útil, circuito, e configurações clínicas adequadas para usar estes tipos de terapias. biólogos sintéticos estão aplicando novas estratégias na engenharia genética para codificar traços e circuitos inteligentes em bactérias para um monitoramento in vivo mais eficaz e entrega de drogas. Ao mesmo tempo, os engenheiros estão desenvolvendo instrumentos para controle externo e orientação de bactérias com o objetivo de aumentar a sua capacidade de encontrar e acessar tumores. Aqui estão alguns exemplos.
Bacteriana bombas
Jeff Precipitada, da Universidade da Califórnia, San Diego, em colaboração com Sangeeta Bhatia, do MIT (e T. D. em Bhatia laboratório), engenharia de uma cepa atenuada de Salmonella enterica estirpe bacteriana em sincronia lançamento de câncer, terapias, quando a população atinge uma densidade crítica, permitindo periódicas de entrega de droga no mouse tumores. O efeito é baseado na lise do quórum, ou seja, quando uma densidade celular crítica é sentida pela população, eles lêem e libertam a droga, enquanto as bactérias sobreviventes continuam proliferando até que o limiar crítico é atingido novamente para repetir o ciclo.
Codificado nanoestruturas para imagens
Mikhail Shapiro, da Universidade da Califórnia, Berkeley, e seus colegas codificado cheio de gás nanoestruturas de microorganismos, incluindo bactérias e archaea. Estas estruturas, quando produzidas pelos micróbios, servem como agentes de contraste para imagens de ultrassom, permitindo que os pesquisadores visualizem onde eles vão no corpo—crítico para diagnósticos de câncer, bem como para monitorar o estado do tratamento, permitindo que os pesquisadores visualizem a acumulação bacteriana em tumores ao longo do tempo. O grupo demonstrou recentemente a multiplexação desta abordagem, codificando um repórter distinto em cada uma das duas bactérias, E. coli e Salmonella, para localizar e distinguir o micróbio nas entranhas e tumores de ratos.
Magneticamente assistido de navegação
Sylvain Martel Polytechnique de Montréal e colegas ligados a drogas contendo nanoliposomes para um magnetotatic estirpe bacteriana chamado MC-1, que foi injetado em estreita proximidade com tumores em ratos. Estas bactérias naturalmente biomineralizam nanopartículas magnéticas dentro de suas membranas, permitindo que os pesquisadores usem campos magnéticos para guiar as bactérias a-e-tumores, onde eles podem fornecer terapeutas ou servir como agentes de contraste de imagem.
um raio de luz sobre tumores
Di-Wei Zheng e seus colegas na Universidade de Wuhan, na China, usada de luz para melhorar as atividades metabólicas de E. coli, anexando para as bactérias a superfícies de nanomateriais semicondutores que, sob irradiação de luz produzem photoelectrons. Estes desencadearam uma reacção com as moléculas endógenas de nitrato da bactéria, aumentando em 37 vezes a formação e a secreção de uma forma citotóxica de óxido nítrico. Em um modelo de rato, o tratamento levou a uma redução de 80 por cento no crescimento do tumor.
controle Remoto orientadores de bactérias para tumores
apesar de os investigadores estão a ter êxito em engenharia de bactérias para transportar ou produzir compostos anticancerígenos, menos de 1 por cento das pessoas micróbios vai chegar tumores no seus próprios. Uma vez que a maioria dos tumores não são acessíveis por injeção direta, os médicos precisam ser capazes de navegar eficazmente terapias bacterianas para locais tumorais, onde os micróbios devem liberar de forma confiável e controlável as drogas tóxicas que codificam. é aqui que a biologia sintética tem sido influenciada pelos princípios da microrobótica. Por exemplo, E. a bactéria coli pode ser projetada com genes de microorganismos marinhos para sentir e fazer uso de energia leve. Em 2018, Jochen Arlt e colegas de trabalho da Universidade de Edimburgo mostraram que essas estirpes fotossintéticas de E. coli móvel poderiam ser guiadas através de campos de luz com padrões espaciais. Em resposta aos padrões de exposição à luz, a bactéria mudou—se para determinados locais; rastreando a sua posição informou a próxima entrada de luz para guiá-los para a frente ao longo de um caminho predefinido-um processo que é conhecido como o controle de ciclo fechado, uma parte fundamental da robótica.
novas ferramentas genéticas estão abrindo o caminho para os campos emergentes de micro e nanorobóticos.
No mesmo ano, Xian-Zheng Zhang e seus colegas na Universidade de Wuhan, na China, usada luz localmente desencadear uma 37 vezes mais bactérias cytotoxin produção anexando-se para as bactérias membranas de nanomateriais que, após a exposição à luz, versão de foto-elétrons que promovem a toxina de síntese. Num modelo de rato de cancro da mama, verificou-se que estas bactérias anaeróbias se acumulavam no microambiente hipóxico dos tumores, e a subsequente produção de citotoxina impulsionada pela luz resultou em cerca de 80 por cento de inibição do crescimento do tumor. Este é um exemplo de como a integração de material sintético em bactérias vivas pode permitir o controle remoto de certas ações ou funcionalidades, outra característica emprestada da robótica clássica.apesar de a navegação e o controlo opticamente accionados terem um enorme potencial, a capacidade limitada da luz para penetrar nos tecidos dificulta a aproximação. Uma forma mais amplamente utilizada de energia externa é o ultra-som. Há muito que tem aplicações em diagnóstico médico e monitorização. Mais recentemente, cheio de gás microbolhas, devido aos seus fortes e distintas resposta acústica, são usados para aumentar o contraste em imagens de ultra-som de tecidos e formas especiais de alta potência de ultra-som focalizado de ter sido aplicado na terapia para aumentar o transporte de drogas cheio de nanobubbles usando o acústico ondas de pressão externa de energia para empurrá-los profundamente em tecidos tumorais. Esta abordagem obteve resultados especialmente promissores no glioblastoma, porque a barreira hemato-encefálica é particularmente difícil de superar no caso das drogas. Alguns anos atrás, pesquisadores usaram ultrassom para rastrear bactérias terapêuticas in vivo. Mikhail Shapiro e colegas da Caltech geneticamente modificados bactérias para expressar o que eles chamaram de genes de repórter acústico (ARG), que codificam os componentes de estruturas ocas chamadas vesículas de gás que espalham ondas de ultrassom, gerando um eco que lhes permitiu detectar a localização da bactéria dentro de ratos vivos.outras fontes comuns de energia externa que podem ser aplicadas de forma segura e remotamente no corpo humano são campos magnéticos. Embora os sistemas de imagiologia por ressonância magnética tenham sido utilizados clinicamente por décadas, o desenvolvimento de sistemas para orientação e controle magnético ainda são bastante novos. Até agora, pesquisadores têm aplicado a abordagem para guiar cateteres magnéticos para cirurgia de alta precisão. O exemplo mais conhecido é o sistema NIOBE a partir de St. Louis–based Stereotaxis para o tratamento de arritmias cardíacas. Uma ponta de cateter magnético é direcionada precisamente ao longo de um tecido cardíaco anormal, onde pulsos elétricos aquecem ou arrefecem o dispositivo para absorver células inadimplentes.
O uso de instrumentos magnéticos similares para guiar bactérias no contexto da terapia do câncer tem sido proposto por grupos que trabalham com bactérias magnetotáticas—micróbios marinhos que sintetizam naturalmente cordas de nanopartículas de óxido de ferro envoltas em uma concha lipídica. Esta característica evoluiu para ajudá-los a navegar na água, sentindo o campo magnético da terra, com estas cordas trabalhando como agulhas de bússola dentro de seus corpos unicelulares. Isto foi descoberto pela primeira vez na década de 1970 por Richard Blakemore da Woods Hole Oceanographic Institution em Massachusetts. Cerca de 40 anos mais tarde, Sylvain Martel, do Laboratório de Nanorobótica da Polytechnique Montréal, e seus colegas acoplaram essas bactérias magnetotáticas ao DOXIL, o quimioterapêutico envolto em lipossomas que ganhou o título da primeira nanomedicina aprovada. O grupo de Martel, também, se aproveitou do fato de que as bactérias anaeróbicas tendem a abrigar tumores para seu ambiente de baixo oxigênio, e acoplou esse mecanismo natural de rastreamento com um campo magnético diretivo externo, demonstrando aumento de acumulação e penetração da terapia em tumores de ratos. Em outro estudo recente, um de nós (S. S.), com pesquisadores do MIT e ETH Zurique, mostraram em modelos de tecidos em um chip que a aplicação de campos magnéticos rotativos poderia levar enxames de tais bactérias magnetotáticas a agir como pequenas hélices, criando fortes fluxos para empurrar nanomedicinas companheiras para fora dos vasos sanguíneos e mais fundo em tecidos.embora o uso de espécies magnetotácticas dentro do corpo humano possa ocorrer décadas no futuro, a codificação da magnetosensação noutras estirpes bacterianas clinicamente mais transláveis ou já testadas pode ser um objectivo alcançável a curto prazo. Várias das proteínas envolvidas no complexo processo de biomineralização que forma os compostos magnéticos em bactérias magneto-táticas foram identificadas, e em uma pré-impressão publicada no início deste ano, pesquisadores relataram engenharia E. coli para formar partículas de magnetite e controlá-las por campos magnéticos externos.
Outro caminho para fazer não-magnético bactérias controlável por campos magnéticos é simplesmente anexar materiais magnéticos para eles. Os investigadores tomaram uma ou mesmo várias estirpes bacterianas e associaram – nas a micro ou nanopartículas magnéticas. Quando expostas a um campo magnético externo, estas partículas magnéticas irão orientar-se com o campo, assim como as bactérias, que irão então viajar nessa direcção. Em 2017, Metin Sitti e colegas do Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes em Stuttgart, Alemanha, em anexo E. coli bactérias micropartículas feito de camadas do quimioterápico doxorrubicina e pequenas magnética de nanopartículas. Usando células cancerosas em um prato, os pesquisadores mostraram que eles poderiam controlar remotamente esses robôs bacterianos Portadores de drogas com ímãs para melhorar o alvo de células tumorais em comparação com apenas a adição de micropartículas carregadas de drogas para as células.não importa como, bactérias geneticamente modificadas capacitadas por fontes de energia externas fornecendo gatilhos, controle e orientação são uma nova direção fascinante neste campo. Alimentadas pela convergência da biologia sintética, engenharia mecânica e robótica, estas novas abordagens podem apenas nos trazer um passo mais perto da visão fantástica de pequenos robôs que buscam e destroem muitos tipos de câncer. Simone Schuerle é professora assistente na Universidade de Zurique e membro do Instituto Universitário de Medicina Translacional. Tal Danino é professor assistente na Universidade de Columbia e membro do Herbert Irving Comprehensive Cancer Center e do Data Science Institute.