ovan: bakterier (rosa) mysigt upp till att dela kolorektala cancerceller (blå) i denna falska färgskanningselektronmikrograf.i 1966-filmen Fantastic Voyage krymps ett team av forskare för att passa in i en liten ubåt så att de kan navigera sin kollegas kärl och befria honom från en dödlig blodpropp i hans hjärna. Denna klassiska film är en av många sådana fantasifulla biologiska resor som har gjort det till den stora skärmen under de senaste decennierna. Samtidigt har forskare arbetat för att göra en liknande vision verklighet: små robotar som roaming människokroppen för att upptäcka och behandla sjukdomar. även om system med nanomotorer och ombordberäkning för autonom navigering förblir foder för fiktion, har forskare designat och byggt en mängd mikro – och nanoskala system för diagnostiska och terapeutiska tillämpningar, särskilt i samband med cancer, som kan betraktas som tidiga prototyper av nanorobots. Sedan 1995 har mer än 50 nanopharmaceuticals, i princip någon form av nanoskala enhet som innehåller ett läkemedel, godkänts av US Food and Drug Administration. Om ett läkemedel i denna klass har en eller flera robotegenskaper, såsom avkänning, ombordberäkning, navigering eller ett sätt att driva sig själv, kan forskare kalla det en nanorobot. Det kan vara en nanovehicle som bär ett läkemedel, navigerar till eller företrädesvis aggregat på en tumör plats, och öppnar upp för att frigöra ett läkemedel endast på en viss trigger. Det första godkända nanofarmaceutiska var DOXIL, en liposomal nanoshell som bär det kemoterapeutiska läkemedlet doxorubicin, som icke-selektivt dödar celler och används ofta för att behandla en rad cancerformer. De intravenöst administrerade nanoshellsna ackumuleras företrädesvis i tumörer tack vare en läckande kärl och otillräcklig dränering av lymfsystemet. Där släpper nanopartiklarna långsamt läkemedlet över tiden. I den meningen är grundläggande former av nanorobots redan i klinisk användning.
exakt navigering till tumörplatser förblir en helig gral av nanorobotforskning och utveckling.
forskare kan manipulera formen, storleken och sammansättningen av nanopartiklar för att förbättra tumörinriktning, och nyare system använder strategier som specifikt känner igen cancerceller. Fortfarande är exakt navigering till tumörplatser en helig gral av nanorobotforskning och utveckling. En meta-analys för 2016 som bedömer effektiviteten av nanodelivery-fordon som testas i djurstudier i föregående 10 år avslöjde att en median av mer få än 1 procent av de injicerade nanovehiclesna faktiskt nådde tumorplatsen, och att detta kunde endast marginellt förbättras med aktivet uppsätta som mål mekanism, liksom ytbehandlar dekoration med specifika antikroppar eller peptides för tumor-närmare detalj receptorbindning.
hur kan vi göra dessa nanobots bättre på att styra sig till tumörplatser? Trådlös energiöverföring är fortfarande en stor utmaning, och batterier är ännu inte effektiva på nanometerskalan. Forskare har använt externa krafter som ultraljud eller magnetfält för att främja homing av nanomediciner till tumörvävnader, men vätskedynamiken i cirkulationssystemet arbetar mot nanoshuttles, vars yt-till-volymförhållande är 1 miljard gånger det för objekt på mätskalan. Detta orsakar yt-och dragkrafter att bli mer dominerande: till nanopartikeln kan det kännas som att flytta genom honung när man navigerar i vattenmiljön i vaskulaturen.
men som det så ofta gör, kan naturen bara ha en lösning: bakterier. De mikroskopiska organismerna simmar autonomt genom vätskor, drivna av molekylära motorer som snurrar sina cilia eller flagella på ett korkskruvliknande sätt-en mycket effektiv framdrivningsmekanism i denna skala som har inspirerat många nanorobotiker som försöker efterlikna denna funktionalitet. Forskare har tillverkat spiralformade, magnetiska simmare som kan spinnas framåt av ett roterande magnetfält, till exempel. Men bakterier, särskilt i samband med behandling av cancer, är mer än bara förebilder för effektiv simning; vissa är faktiskt själva terapeutiska. Dessutom kan mikrober känna av biokemiska signaler och justera sina banor i enlighet därmed, liknande den förutsedda ombordberäkningen.
tanken att använda bakterier för att behandla cancer är inte ny. En av de tidigaste rapporterna om bakterier som cancerterapi kommer från immunterapi pionjär William Coley, som i slutet av 19-talet erkänt att vissa cancerpatienter också lider av hudinfektioner var mer benägna att bli bättre. Han började injicera bakteriella toxiner, värmeinaktiverade mikrober eller till och med levande kulturer av streptokockbakterier i sina patienter med inoperabla ben-och mjukvävnadscancer, vilket ofta leder till remissioner. Det var ett djärvt tillvägagångssätt, med tanke på risken för okontrollerbara infektioner från dessa bakterieformuleringar före den utbredda tillgängligheten av antibiotika. Till stor del på grund av den faran och löftet om de framväxande begreppen strålning och kemoterapi gick den kliniska användningen av bakterier som terapeutiska medel för cancer outvecklad. Idag har denna revolutionära ide upplevt en renässans.tack vare konvergensen av fält från biologi och kemi till materialvetenskap, teknik och datavetenskap öppnas nya vägar för utveckling av bakterieterapier för cancer. De toolkits som görs tillgängliga tack vare minskade kostnader för både sekvensering och syntes av DNA, tillsammans med syntetisk-biologi tillvägagångssätt för anpassad genetisk design av bakteriell-liknande beteenden, banar väg för de framväxande områdena mikro – och nanorobotics.
en historia av Nanoengineering och bakteriell Terapi
konstruerade nanoroboter som kan ströva inuti kroppen för att upptäcka och behandla tumörer har varit en vision för det senaste halva århundradet, och tanken på att använda bakterier för att bekämpa cancer är ännu äldre än så. Forskare har kommit att förstå att vissa bakterier medfött har vissa egenskaper hos en nanorobot: de kan autonomt söka tumörer och har lätt giftiga nyttolaster som kan döda cancerceller. Kombinera bakterier med klassiska tillvägagångssätt inom robotik och teknik för extern kontroll och vägledning, kan forskare nu vända den en gång fiktiva tanken på en cancerbekämpande nanorobot till verklighet-och roboten lever.
bakterier med nyttolaster mot cancer
Bacillus Calmette-gu Bacillus (BCG), en försvagad bakterie som vanligtvis används som vaccinstam för tuberkulos, har repurposed under de senaste decennierna för att lokalt behandla blåscancer. Konceptet bakom detta tillvägagångssätt, liknande det som postuleras av Coley, är att administrering av bakterier stimulerar patientens immunsystem att bekämpa cancer.
ännu bättre, men okänt för Coley, har många bakterier (men av okända skäl, inte BCG) också potential att selektivt växa inom fasta tumörer, i blåsan och på andra håll; minskad immunövervakning i tumörens hypoxiska och sura miljö ger anaeroba bakterier en säker fristad att växa och trivas. Medan inuti tumörer producerar vissa bakterier toxiner och konkurrerar med cancerceller för näringsämnen. I slutändan inducerar ackumulering av bakterier i tumören immuncellinfiltrering, vilket sedan kan leda till anti-cancersvar. Trots att man testat många naturligt förekommande och laboratorietillverkade bakteriestammar i djurmodeller av cancer och har genomfört mänskliga försök som testar bakterier för att behandla cancer, har forskare observerat liten effekt utöver de fördelar som fortsätter att ses hos patienter med blåscancer. som ett resultat har fältet skiftat till genetiskt tekniska bakterier för att fungera som färjor för rekombinanta nyttolaster. Den selektiva inriktningen och efterföljande tillväxten av bakterier i tumörer, tillsammans med lokal leverans av terapier som underlättas av mikroberna själva, kan minimera säkerhetsskadorna på friska celler som är vanliga med systemiska cancerterapier. Flera grupper har konstruerat bakterier för att producera en mängd olika laster, inklusive cancer mot cancer, cytokiner och apoptosinducerande faktorer. Produktionen av potentiellt giftig terapeutisk Last kräver ytterligare kontroll över bakterierna, om de landar på platser som de inte borde. således går forskare nu mot att konstruera nästa generations bakteriesystem för att känna en fysiologisk cue och svara genom att producera en terapeutisk på den lokala sjukdomsplatsen.
för att hjälpa till i detta mål har fältet syntetisk biologi under de senaste två decennierna utvecklat en repertoar av genetiska kretsar för att kontrollera mikrobiella beteenden. Dessa kretsar består av positiva och negativa återkopplingsmotiv för att modulera dynamiska cellulära funktioner, som fungerar som växelströmbrytare, oscillatorer, räknare, biosensorer och inspelare—verktyg som forskare har använt för att designa cancerbekämpande mikrober. ett exempel på genetisk kontroll över cancerbekämpande bakterier är den synkroniserade lyskretsen som utvecklades 2016 av Jeff Hastys grupp vid University of California, San Diego, i samarbete med Sangeeta Bhatias laboratorium vid MIT, där vi båda gjorde vår forskarutbildning. (TD var medförfattare på denna 2016-studie.) I denna krets lokaliseras bakterier till tumörer och växer till en kritisk densitet och bryter sedan synkront för att frigöra terapeutiska föreningar som mikroberna hade producerat. Detta tillvägagångssätt, som utnyttjar naturlig bakteriell kvorumavkänning, förbättrar flera egenskaper hos tidigare utvecklade bakterieterapier, varav de flesta konstitutivt producerar droger, vilket innebär att de kan göra och släppa terapierna i oavsiktliga delar av kroppen. Eftersom bakterier bara når kritisk densitet inom tumörer, kommer de bara att förstöra sig själv och släppa sin terapeutiska nyttolast där. Detta leder till beskärning av den mikrobiella populationen, vilket förhindrar okontrollerad tillväxt av bakterier i tumören eller någon annanstans. I en kolorektal levermetastas musmodell resulterade detta system i en dubbel ökning av överlevnaden när den parades ihop med kemoterapi, jämfört med kemoterapi eller bakterier ensam.
flera grupper har vidareutvecklat detta tillvägagångssätt. I 2019, till exempel, en av oss (T. D.), tillsammans med Columbia University mikrobiolog och immunolog Nicholas Arpaia och kollegor, skapade bakterier som producerade molekyler som är kända för att blockera immunkontrollpunkter, såsom CD47 eller PD-L1, som vanligtvis sätter bromsarna på immunceller och därmed minskar antitumöraktiviteten. Som ett resultat av att blockera dessa vägar i tumörer kunde bakterier prima T-celler och underlätta clearance av cancer i en lymfommusmodell. Mest överraskande krympte obehandlade tumörer inom behandlade djur också, vilket tyder på att lokal priming kan utlösa avlägsen och hållbar antitumörimmunitet.
tillvägagångssättet att använda bakterier som cancerterapi börjar locka uppmärksamheten hos bioteknikindustrin. Ett företag, BioMed Valley Discoveries, har testat injektioner av sporerna av Clostridium novyi-NT, en obligatorisk anaerob som bara kan växa under hypoxiska förhållanden och är genetiskt dämpad så att ett dödligt toxin inte produceras i flera kliniska prövningar. Hos råttor, hundar och den första mänskliga patienten visade behandlingen ”exakta, robusta och reproducerbara antitumörsvar”, enligt en rapport från 2014.
ett annat företag, Synlogic, utvecklar intratumoralt injicerade bakterier utformade för att producera en STING (STImulator av Interferongener) agonist och fungera som en medfödd immunaktivator. Bakterierna avkänns och uppslukas av antigenpresenterande celler som har infiltrerat tumören, och inom dessa immunceller aktiverar de STINGVÄGEN, vilket resulterar i interferonfrisättning och tumörspecifika T-cellsvar. En klinisk fas 1-studie pågår för att utvärdera denna terapi för behandling av eldfasta fasta tumörer, och försök för användning i kombination med en kontrollpunktshämmare planeras.
resultaten av dessa och andra försök kommer att tjäna till att vägleda ytterligare innovationer inom säkerhet och effekt för konstruerade bakteriella cancerterapier. Till exempel kommer dessa studier att belysa inte bara terapeutisk effekt utan på bakteriekoloniseringsnivåer och distribution i patienttumörer, utsöndring eller off-target kolonisering och stabilitet av genetiska modifieringar över tid—faktorer som bara har studerats på en detaljerad nivå i musmodeller. När en proof-of-princip är etablerad hos människor kommer det att bli ett stort tryck för att bestämma den optimala bakteriestammen, nyttolasten, kretsarna och lämpliga kliniska inställningar för att använda dessa typer av terapier.
bygga bakterier för att bekämpa Cancer
syntetiska biologer tillämpar nya strategier inom genteknik för att koda egenskaper och smarta kretsar i bakterier för effektivare in vivo-övervakning och läkemedelsleverans. Samtidigt utvecklar ingenjörer instrument för extern kontroll och vägledning av bakterier i syfte att förbättra deras förmåga att hitta och få tillgång till tumörer. Här är några exempel.
Bakteriebomber
Jeff Hasty från University of California, San Diego, i samarbete med Sangeeta Bhatia från MIT (och TD i Bhatias laboratorium), konstruerade en försvagad Salmonella enterica-bakteriestam för att synkront frigöra cancerterapi när befolkningen når en kritisk densitet, vilket möjliggör periodisk läkemedelsleverans i mus tumörer. Effekten är baserad på kvorumlys, vilket betyder att när en kritisk bakteriecelldensitet känns av befolkningen, lyserar de och släpper läkemedlet, medan överlevande bakterier fortsätter att proliferera tills den kritiska tröskeln uppnås igen för att upprepa cykeln.
kodade nanostrukturer för avbildning
Mikhail Shapiro från University of California, Berkeley och kollegor kodade gasfyllda nanostrukturer i mikroorganismer, inklusive bakterier och archaea. Dessa strukturer, när de produceras av mikroberna, fungerar som kontrastmedel för ultraljudsavbildning, vilket gör det möjligt för forskare att visualisera var de går i kroppen—kritisk för cancerdiagnostik samt att övervaka behandlingsstatus genom att tillåta forskare att visualisera bakteriell ackumulering i tumörer över tiden. Gruppen demonstrerade nyligen multiplexering av detta tillvägagångssätt genom att koda en distinkt reporter i var och en av två bakterier, E. coli och Salmonella, för att lokalisera och skilja mikroben i tarmar och tumörer hos möss.
magnetiskt assisterad navigering
Sylvain Martel från Polytechnique Mont Ru och kollegor fäst läkemedelsinnehållande nanoliposomer på en magnetotatisk bakteriestam som kallas MC-1 som injicerades i närheten av tumörer hos möss. Dessa bakterier biomineraliserar naturligt magnetiska nanopartiklar inuti deras membran, vilket gör det möjligt för forskarna att använda magnetfält för att styra bakterierna till och in i tumörer, där de kan leverera terapi eller tjäna som bildkontrastmedel.
lysande ljus på tumörer
Di-Wei Zheng och kollegor vid Wuhan University i Kina använde ljus för att förbättra de metaboliska aktiviteterna hos E. coli genom att fästa på bakteriens ytor halvledarnanomaterial som under ljusbestrålning producerar fotoelektroner. Dessa utlöste en reaktion med bakteriens endogena nitratmolekyler, vilket ökade bildningen och utsöndringen av en cytotoxisk form av kväveoxid med 37 gånger. I en musmodell ledde behandlingen till en 80-procentig minskning av tumörtillväxten.
fjärrstyrning av bakterier till tumörer
medan forskare lyckas med tekniska bakterier för att bära eller producera anticancerföreningar, kommer färre än 1 procent av dessa mikrober att nå tumörer på egen hand. Eftersom de flesta tumörer inte är tillgängliga genom direkt injektion, måste kliniker effektivt kunna navigera bakterieterapier till tumörställen, där mikroberna på ett tillförlitligt och kontrollerbart sätt ska frigöra de giftiga läkemedlen de kodar för.
det är här syntetisk biologi har påverkats av principerna för mikrorobotik. Till exempel E. coli-bakterier kan konstrueras med gener från marina mikroorganismer för att känna och använda ljusenergi. År 2018 visade University of Edinburghs Jochen Arlt och medarbetare att sådana fotosyntetiska stammar av rörlig E. coli kunde styras genom rumsligt mönstrade ljusfält. Som svar på mönster av ljusexponering flyttade bakterierna till vissa platser; spårning av deras position informerade nästa ljusinmatning för att styra dem framåt längs en fördefinierad väg—en process som kallas closed loop control, en grundläggande del av robotiken.
nya genetiska verktygslådor banar väg för de framväxande områdena mikro – och nanorobotik.
samma år använde Xian-Zheng Zhang och kollegor vid Wuhan University i Kina ljus för att lokalt utlösa en 37-faldig ökning av bakteriell cytotoxinproduktion genom att fästa på bakteriens membran nanomaterial som vid ljusexponering släpper ut fotoelektroner som främjar toxinets syntes. I en musmodell av bröstcancer befanns dessa anaeroba bakterier ackumuleras i tumörens hypoxiska mikromiljö, och den efterföljande ljusförstärkta cytotoxinproduktionen resulterade i cirka 80 procent hämning av tumörtillväxt. Detta är ett exempel på hur integrationen av syntetiskt material i levande bakterier kan tillåta fjärrkontroll av vissa åtgärder eller funktionalitet, en annan funktion som lånas från klassisk robotik.
medan optiskt utlöst navigering och kontroll har en enorm potential, hindrar ljusets begränsade förmåga att penetrera vävnad tillvägagångssättet. En mer allmänt använd form av extern energi är ultraljud. Det har länge haft tillämpningar inom medicinsk diagnostik och övervakning. På senare tid används gasfyllda mikrobubblor på grund av deras starka och distinkta akustiska svar för att förbättra kontrasten på ultraljudsbilder av vävnader och speciella former av högdrivna, fokuserade ultraljud har tillämpats i terapi för att öka transporten av läkemedelsfyllda nanobubblor genom att använda de akustiska tryckvågorna som extern energi för att driva dem djupt in i tumörvävnader. Detta tillvägagångssätt uppnådde särskilt lovande resultat i glioblastom, eftersom blod-hjärnbarriären är särskilt svår att övervinna för droger. För några år sedan använde forskare ultraljud för att spåra terapeutiska bakterier in vivo. Mikhail Shapiro och kollegor på Caltech genetiskt konstruerade bakterier för att uttrycka vad de kallade akustiska reportergener (ARG), som kodar komponenterna i ihåliga strukturer som kallas gasvesiklar som sprider ultraljudsvågor, vilket genererar ett eko som gjorde det möjligt för dem att upptäcka bakteriens plats djupt inuti levande möss.
andra vanliga källor till extern energi som kan appliceras säkert och på distans i människokroppen är magnetfält. Medan magnetiska resonansbildningssystem har använts kliniskt i årtionden, är utvecklingen av system för magnetisk vägledning och kontroll fortfarande ganska ny. Hittills har forskare tillämpat metoden för att styra magnetiska katetrar för hög precisionskirurgi. Det mest kända exemplet är NIOBE-systemet från St. Louis–baserad Stereotaxis för behandling av hjärtarytmier. En magnetisk kateterspets styrs exakt längs onormal hjärtvävnad, där elektriska pulser värmer eller kyler enheten för att avlägsna felaktiga celler.
användningen av liknande magnetiska instrument för att styra bakterier i samband med cancerterapi har föreslagits av grupper som arbetar med magnetotatiska bakterier—Marina mikrober som naturligt syntetiserar strängar av järnoxidnanopartiklar inslagna i ett lipidskal. Denna egenskap har utvecklats för att hjälpa dem att navigera i vattnet genom att känna av jordens magnetfält, med dessa strängar som fungerar som kompassnålar i sina encelliga kroppar. Detta upptäcktes först på 1970-talet av Richard Blakemore från Woods Hole Oceanographic Institution i Massachusetts. Ungefär 40 år senare, Sylvain Martel av Polytechnique Mont ru s Nanorobotics Laboratory och kollegor kopplade dessa magnetotaktiska bakterier till DOXIL, den liposomförpackade kemoterapeutiska som tjänade titeln på den första godkända nanomedicinen. Martels grupp utnyttjade också det faktum att anaeroba bakterier tenderar att hem till tumörer för sin syrefattiga miljö och kopplade den naturliga homingmekanismen med ett yttre riktningsmagnetfält, vilket visar ökad ackumulering och penetration av terapin i mustumörer. I en annan ny studie, en av oss (S. S.), med forskare vid MIT och ETH Zurich, visade i vävnadsmodeller på ett chip som applicerar roterande magnetfält kan driva svärmar av sådana magnetotaktiska bakterier för att fungera som små propellrar, vilket skapar starka flöden för att driva följeslagare nanomediciner ur blodkärl och djupare in i vävnader.
medan användningen av sådana magnetotaktiska arter inuti människokroppen kan inträffa årtionden i framtiden, kan kodning av magnetosensation i andra, mer kliniskt översättbara eller redan testade bakteriestammar vara ett uppnåeligt mål på kort sikt. Flera av proteinerna som är involverade i den komplexa biomineraliseringsprocessen som bildar de magnetiska föreningarna i magneto-taktiska bakterier har identifierats, och i ett förtryck som publicerades tidigare i år rapporterade forskare engineering E. coli för att bilda magnetitpartiklar och kontrollera dem genom externa magnetfält.
en annan väg till att göra icke-magnetiska bakterier kontrollerbara av magnetfält är att helt enkelt fästa magnetiska material på dem. Forskare har tagit en eller till och med flera bakteriestammar och bundet dem till magnetiska mikro – eller nanopartiklar. När de utsätts för ett yttre magnetfält kommer dessa magnetiska partiklar att orientera sig med fältet, och så kommer bakterierna, som sedan kommer att röra sig i den riktningen. I 2017 bifogade Metin Sitti och kollegor vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, Tyskland, E. coli-bakterier till mikropartiklar gjorda av lager av det kemoterapeutiska doxorubicinet och små magnetiska nanopartiklar. Med hjälp av cancerceller i en maträtt visade forskarna att de kunde fjärrstyra dessa läkemedelsbärande bakteriebots med magneter för att förbättra tumörcellinriktning jämfört med att bara lägga till läkemedelsbelagda mikropartiklar i cellerna.oavsett hur, genetiskt modifierade bakterier som är bemyndigade av externa energikällor som ger triggers, kontroll och vägledning är en fascinerande ny riktning inom detta område. Drivs av konvergensen av syntetisk biologi, Maskinteknik och robotik, kan dessa nya tillvägagångssätt bara föra oss ett steg närmare den fantastiska visionen av små robotar som söker och förstör många cancertyper. Simone Schuerle är biträdande professor vid ETH Zurich och medlem av universitetets institut för translationell medicin. Tal Danino är biträdande professor vid Columbia University och medlem av Herbert Irving Comprehensive Cancer Center och Data Science Institute.