Los investigadores de la Universidad de California en San Diego y el Instituto de Tecnología de Massachusetts MIT han ideado una estrategia para utilizar la biología sintética en la terapéutica. El enfoque permite la producción y liberación continua de medicamentos en los sitios de la enfermedad en ratones y al mismo tiempo limita latamaño, con el tiempo, de las poblaciones de bacterias diseñadas para producir los medicamentos. Los hallazgos se publican en la edición en línea del 20 de julio de Naturaleza .
Los investigadores de UC San Diego dirigidos por Jeff Hasty, profesor de bioingeniería y biología, diseñaron una bacteria clínicamente relevante para producir medicamentos contra el cáncer y luego se autodestruyen y liberan los medicamentos en el sitio de los tumores. El equipo luego transfirió la terapia bacteriana asus colaboradores del MIT para probar en un modelo animal de metástasis colorrectal. El diseño de la terapia representa la culminación de cuatro anteriores Naturaleza documentos del grupo UC San Diego que describen el desarrollo sistemático de relojes genéticos de ingeniería y sincronización. A lo largo de los años, los investigadores han empleado un enfoque amplio que abarca las escalas de la biología sintética.
El nuevo estudio ofrece un enfoque terapéutico que minimiza el daño a las células circundantes.
"En biología sintética, uno de los objetivos de la terapéutica es apuntar a sitios de enfermedades y minimizar el daño", dijo Jeff Hasty, profesor de bioingeniería y biología de la UC San Diego. Se preguntó si se podría diseñar un circuito genético de "muerte" para controlar una población de bacterias in vivo , minimizando así su crecimiento. "También queríamos entregar una carga terapéutica significativa al sitio de la enfermedad".
Para lograr esto, él y su equipo sincronizaron las bacterias para liberar explosiones de medicamentos contra el cáncer conocidos cuando una colonia bacteriana se autodestruye dentro del ambiente del tumor. El uso de bacterias para administrar medicamentos contra el cáncer in vivo es tentador porque la quimioterapia convencional no siempre llega a las regiones internas de un tumor, pero las bacterias pueden colonizar allí. Es importante destacar que los investigadores observaron que la combinación de quimioterapia y los productos génicos producidos por el circuito bacteriano redujo consistentemente el tamaño del tumor.
"El nuevo trabajo de Jeff Hasty y su equipo es una demostración brillante de cómo la teoría en biología sintética puede conducir a avances clínicamente significativos", dijo Jim Collins, profesor en el MIT conocido como fundador del campo de la biología sintética."Hace más de una década, durante los primeros días del campo, Jeff desarrolló un marco teórico para sincronizar los procesos celulares en una comunidad de células. Ahora su equipo ha demostrado experimentalmente cómo se pueden aprovechar esos efectos para crear un enfoque terapéutico novedoso y clínicamente viable"."
Limitando la población bacteriana
Para observar la dinámica de la población bacteriana, los investigadores diseñaron dispositivos microfluídicos personalizados para realizar pruebas cuidadosas antes de las investigaciones en modelos de enfermedades animales. De acuerdo con el diseño de ingeniería, observaron ciclos de la población bacteriana que limita con éxito el crecimiento general al tiempo que permite la producción yliberación de carga codificada. Cuando las bacterias estaban equipadas con un gen que impulsa la producción de un agente terapéutico, se demostró que la lisis sincronizada de la colonia bacteriana mata las células cancerosas humanas. Es el primer circuito genético diseñado en biología sintética para lograr estos objetivos.
"En este documento, describimos un circuito que contiene un gen que codifica una molécula pequeña que puede difundirse entre las células y puede activar genes", dijo Omar Din, autor principal del artículo y una Escuela de Ingeniería de la Universidad de California San Diego Jacobsestudiante de doctorado en bioingeniería en el grupo de investigación de Hasty. "Una vez que la población crece a un tamaño crítico - unos pocos miles de células - hay una concentración suficientemente alta de esa molécula presente en las células para causar la transcripción masiva de los genes detrás de lapromotor."
Se sabe que la molécula, AHL, coordina la expresión génica a través de una colonia de células bacterianas. Una vez activados, los genes impulsados por el promotor también se activan, incluido el gen productor de AHL. Gracias a este ciclo de retroalimentación positiva, másEl AHL se acumula, cuanto más se produce. Debido a que el AHL es lo suficientemente pequeño como para difundirse entre las células y activar el promotor en las células vecinas, los genes activados por él también se producirían en grandes cantidades, lo que llevaría a un fenómeno conocido como detección de quórum.utilizar la detección de quórum para comunicarse entre sí sobre el tamaño de su población y regular la expresión génica en consecuencia. Los científicos han utilizado ampliamente esta capacidad natural de las bacterias como herramienta.
Din usó la detección de quórum como una herramienta de ingeniería para sincronizar las células y luego agregó un gen de muerte que hace que las células se abran lisen cuando una colonia bacteriana crece a un umbral. Después del evento de autodestrucción masiva, quedan algunas célulasrepoblar la colonia y la dinámica de población resultante es cíclica.
"El circuito de lisis fue concebido originalmente para su uso como biosensor acuático, pero posteriormente quedó claro que una aplicación emocionante podría ser la liberación coordinada de medicamentos cuando las bacterias se lisan in vivo ", dijo Hasty.
Vea un video que muestra el ciclos programados de administración de medicamentos bacterianos .
Encontrar la combinación de drogas correcta
Luego, los investigadores necesitaban encontrar el medicamento adecuado para la administración de la bacteria. Probaron tres proteínas terapéuticas diferentes que habían demostrado reducir los tumores. Las pruebas mostraron que las proteínas eran más efectivas cuando se combinaban. Colocaban los genes responsables deestas proteínas en el circuito junto con el gen de lisis. Luego realizaron experimentos con células HeLa que mostraron que se produjo suficiente proteína para matar las células cancerosas.
La prueba de la terapia en ratones fue realizada por el alumno de bioingeniería de UC San Diego, Tal Danino, mientras era investigador postdoctoral en el grupo de investigación de Sangeeta Bhatia en el MIT. Danino ahora es profesor en la Universidad de Columbia.
Las bacterias se inyectaron primero en ratones con un tumor subcutáneo injertado. Este modelo de ratón se usó para visualizar la población bacteriana in vivo y observar su dinámica. El resultado fue una disminución en el tamaño del tumor. Danino luego usó un modelo de ratón más avanzado conmetástasis hepáticas, donde las bacterias fueron alimentadas a los ratones. Después de probar una combinación de las bacterias modificadas y la quimioterapia con este modelo, los investigadores descubrieron que la terapia combinada prolongaba la supervivencia de los ratones sobre cualquier terapia administrada sola. Los investigadores observan que este nuevo enfoqueaún no ha curado ningún ratón. Encontraron que la terapia condujo a un aumento de alrededor del 50 por ciento en la esperanza de vida, pero es difícil anticipar cómo se traduciría esto en humanos. En conjunto, los experimentos en ratones establecen una prueba de principiopor usar las herramientas de la biología sintética para diseñar bacterias 'dirigidas a tumores' para administrar proteínas terapéuticas in vivo.
Desarrollando una estrategia
El nuevo Naturaleza el documento muestra el uso de la detección de quórum para limitar el crecimiento de la población bacteriana y liberar fármacos. En anteriores Naturaleza documentos, el laboratorio Hasty ha demostrado cómo las oscilaciones celulares diseñadas pueden coordinarse dentro de una colonia bacteriana e incluso entre miles de colonias que interactúan.
"Este documento describe una estrategia altamente innovadora que emplea la biología sintética para armas de bacterias", dijo Bert Vogelstein, Director del Centro Ludwig de la Universidad Johns Hopkins y pionero en el campo de la genómica del cáncer ". Los autores muestran que estas bacterias pueden ser utilizadaspara frenar el crecimiento de tumores que crecen en ratones. Aunque se requerirá mucho más trabajo para hacer que esta terapia sea aplicable a los humanos, es solo el tipo de enfoque nuevo y progresista que necesitamos desesperadamente para combatir el cáncer de manera más efectiva ".
Los próximos pasos posibles incluyen investigar la presencia natural de bacterias en los tumores y luego diseñar estas bacterias para su uso in vivo y usar múltiples cepas de bacterias para formar una comunidad terapéutica.
"Además, actualmente estamos investigando métodos para mantener el circuito dentro de las bacterias", dijo Din. "Dado que las proteínas producidas por el circuito ponen una carga sobre las bacterias, las bacterias son propensas a mutar estos genes. Además, existe unapresión de selección para deshacerse de los plásmidos que albergan los genes que componen el circuito. Por lo tanto, uno de nuestros futuros objetivos de investigación es identificar estrategias para estabilizar los componentes del circuito en las bacterias y disminuir su susceptibilidad a las mutaciones ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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