UC исследователи Сан-Диего во главе с Джеффом Хэсти, преподавателем биоинженерии и биологии, спроектировал клинически соответствующую бактерию, чтобы произвести лекарства от рака и затем самоликвидироваться и выпустить наркотики на месте опухолей. Команда тогда передала бактериальную терапию их сотрудникам MIT для тестирования в модели животных колоректального метастаза. Дизайн терапии представляет кульминацию четырех предыдущих бумаг Природы от группы Сан-Диего UC, которые описывают систематическую разработку спроектированных генетических часов и синхронизацию. За эти годы исследователи использовали широкий подход, который охватывает весы синтетической биологии.
Новое исследование предлагает терапевтический подход, который минимизирует повреждение окружающих клеток.«В синтетической биологии одна цель терапии состоит в том, чтобы предназначаться для мест болезни и минимизировать повреждение», сказал преподаватель биоинженерии и биологии UC Сан-Диего Джефф Хэсти. Он задался вопросом, могла ли бы генетическая схема «убийства» быть спроектирована, чтобы управлять популяцией бактерий в естественных условиях, таким образом минимизировав их рост. «Мы также хотели поставить значительный терапевтический полезный груз месту болезни».
Чтобы достигнуть этого, он и его команда синхронизировали бактерии, чтобы выпустить взрывы известных лекарств от рака, когда бактериальная колония самоликвидируется в окружающей среде опухоли. Использование бактерий, чтобы поставить лекарства от рака в естественных условиях соблазнительно, потому что обычная химиотерапия не всегда достигает внутренних областей опухоли, но бактерии могут колонизировать там. Значительно, исследователи заметили, что комбинация химиотерапии и генных продуктов, произведенных бактериальной схемой последовательно, уменьшала размер опухоли.
«Новая работа Джеффа Хэсти и команды – блестящая демонстрация того, как теория в синтетической биологии может привести к клинически значащим достижениям», сказал Джим Коллинз, преподаватель в MIT, который известен как основатель области синтетической биологии. «Более чем десятилетие назад в течение первых лет области, Джефф развивал теоретическую структуру для синхронизации клеточных процессов через сообщество клеток. Теперь его команда показала экспериментально, как можно использовать такие эффекты создать роман, клинически жизнеспособный терапевтический подход».Ограничение бактериального населенияЧтобы наблюдать бактериальную демографическую динамику, исследователи проектировали таможенные микрожидкие устройства для тщательного тестирования перед расследованиями в моделях заболевания животных.
В соответствии с инженерным проектированием, они наблюдали езду на велосипеде бактериального населения, которое успешно ограничивает общий рост, одновременно позволяя производство и выпуск закодированного груза. Когда бактерии были снабжены геном, который стимулирует производство терапевтического, синхронизированный lysis бактериальной колонии, как показывали, убил человеческие раковые клетки. Это – первый спроектированный генный округ в синтетической биологии, который достигнет этих целей.«В данной статье мы описываем схему, которая содержит ген, который кодирует для маленькой молекулы, которая может распространиться между клетками и может включить гены», сказали Омар Дин, ведущий автор газеты и Сан-Диего UC Школа Джейкобса Технического аспиранта биоинженерии в исследовательской группе Хэсти. «Как только население растет до критического размера – несколько тысяч клеток – есть достаточно высокая концентрация той молекулы, существующей в клетках, чтобы вызвать массовую транскрипцию генов позади покровителя».
Молекула, AHL, как известно, координирует экспрессию гена через колонию бактериальных клеток. Однажды на, гены, которые ведет покровитель, также активированы, включая сам ген AHL-производства. Благодаря этой петле позитивных откликов, чем больше AHL накапливается, тем больше это произведено. Поскольку AHL достаточно маленький, чтобы распространиться между клетками и включить покровителя в соседних клетках, гены, активированные им, были бы также произведены в большом количестве, приведя к явлению, известному как ощущение кворума.
Бактерии используют ощущение кворума, чтобы общаться друг с другом о размере их населения и отрегулировать экспрессию гена соответственно. Ученые использовали эту врожденную способность бактерий экстенсивно как инструмент.
Дин использовал кворум, ощущающий в качестве технического инструмента, чтобы синхронизировать клетки, и затем добавил ген убийства, который заставляет клетки раскрывать (разлагают), когда бактериальная колония растет до порога. После массового события самоуничтожения несколько клеток остаются повторно населять колонию, и получающаяся демографическая динамика циклична.«lysis схема была первоначально задумана для использования в качестве водного биодатчика, но впоследствии стало ясно, что увлекательное применение могло быть скоординированным выпуском наркотиков, когда бактерии разлагают в естественных условиях», Поспешный сказал.Посмотрите ролик, показывающий запрограммированные циклы бактериальной доставки лекарственных средств.
Нахождение правильного сочетания лекарствЗатем, исследователи должны были найти правильный препарат для доставки бактериями. Они проверили три различных терапевтических белка, которые, как показывали, уменьшали опухоли.
Тесты показали, что белки были самыми эффективными, когда объединено. Они поместили гены, ответственные за эти белки в схеме наряду с lysis геном.
Они тогда провели эксперименты с ячейками HeLa, которые показали, что достаточно белка было произведено, чтобы убить раковые клетки.Тестирование терапии у мышей было выполнено выпускником биоинженерии Сан-Диего UC Тэлом Дэнино, в то время как он был постдокторским исследователем в исследовательской группе Сэнгиты Бхэтии в MIT.
Дэнино – теперь преподаватель в Колумбийском университете.Бактерии были сначала введены в мышей с привитой подкожной опухолью.
Эта модель мыши использовалась, чтобы визуализировать бактериальное население в естественных условиях и наблюдать их динамику. Результатом было уменьшение в размере опухоли.
Данино тогда использовал более продвинутую модель мыши с метастазами печени, где бактерии питались мышей. После тестирования комбинации спроектированных бактерий и химиотерапии с этой моделью, исследователи нашли, что объединенная терапия продлила выживание мышей по любой терапии, которой управляют один. Исследователи отмечают, что этот новый подход еще не вылечил мышей. Они действительно находили, что терапия привела приблизительно к 50-процентному увеличению продолжительности жизни, но трудно ожидать, как это перевело бы людям.
Взятый вместе, эксперименты у мышей устанавливают доказательство принципа для использования инструментов синтетической биологии, чтобы спроектировать ‘предназначающиеся для опухоли’ бактерии, чтобы поставить терапевтические белки в естественных условиях.Разрабатывание стратегииНовая бумага Природы показывает использование ощущения кворума, чтобы ограничить бактериальный прирост населения и наркотики выпуска.
В предыдущих газетах Природы Поспешная лаборатория показала, как спроектированные клеточные колебания могут быть скоординированы в бактериальной колонии и даже между тысячами взаимодействующих колоний.«Данная статья описывает очень инновационную стратегию, использующую синтетическую биологию, чтобы использовать бактерии в военных целях», сказал Берт Воджелштейн, директор Центра Людвига в Университете Джонса Хопкинса и пионере в области геномики рака. «Авторы показывают, что эти бактерии могут использоваться, чтобы замедлить рост опухолей, растущих у мышей.
Хотя гораздо дальше работа потребуется, чтобы делать эту терапию применимой к людям, это – просто вид нового, дальновидного подхода, в котором мы отчаянно нуждаемся, если мы должны эффективнее бороться с раком».Затем возможные шаги включают исследование естественного присутствия бактерий в опухолях и затем разработке эти бактерии для использования в естественных условиях и использования многократных штаммов бактерий, чтобы сформировать терапевтическое сообщество.«Кроме того, мы в настоящее время исследуем методы для поддержания схемы внутренние бактерии», сказал Дин. «Так как белки, произведенные схемой, помещают бремя на бактерии, бактерии склонные, чтобы видоизменить эти гены.
Кроме того, есть давление выбора, чтобы избавиться от плазмид, которые питают гены, включающие схему. Таким образом одна из наших будущих целей исследования состоит в том, чтобы определить стратегии стабилизации компонентов схемы у бактерий и уменьшения их восприимчивости к мутациям».