La ingeniería de bacterias para detectar de manera inteligente y responder a estados de enfermedad, desde infecciones hasta cáncer, se ha convertido en un enfoque prometedor de la biología sintética. Los rápidos avances en las herramientas de ingeniería genética han permitido a los investigadores "programar" las células para realizar diversas tareas sofisticadas. Por ejemplo,Se puede conectar una red de genes para formar un circuito genético en el que las células se pueden diseñar para detectar el medio ambiente y modular su comportamiento o producir moléculas en respuesta.
Investigaciones recientes han encontrado que muchas bacterias colonizan selectivamente tumores in vivo, lo que lleva a los científicos a diseñarlos como vehículos programables, "robots" biológicos en otras palabras, para administrar terapias anticancerígenas. Los investigadores también están desarrollando nuevos medicamentos "inteligentes" mediante la programación de bacteriaspara abordar otras enfermedades, como las enfermedades gastrointestinales y las infecciones. La clave para avanzar en estos "medicamentos vivos" es poder identificar a los mejores candidatos terapéuticos.
Sin embargo, si bien las herramientas actuales de biología sintética pueden crear una enorme cantidad de células programadas, la dependencia de los investigadores de las pruebas basadas en animales ha limitado en gran medida la cantidad de terapias que se pueden probar y con qué rapidez. De hecho, la capacidad de diseñar rápidamente nuevasLas terapias para humanos superan con creces el rendimiento de las pruebas basadas en animales, creando un importante cuello de botella para la traducción clínica.
Investigadores de Columbia Engineering informan hoy en PNAS que han desarrollado un sistema que les permite estudiar decenas a cientos de bacterias programadas dentro de mini-tejidos en un plato, condensando el tiempo de estudio de meses a días. Como prueba de concepto, se centraron en probar las bacterias antitumorales programadas utilizando mini-tumores llamados esferoides tumorales. La velocidad y el alto rendimiento de su tecnología, que llaman BSCC para "cocultivo de esferoides bacterianas", permite un crecimiento estable de bacterias dentro de los esferoides tumorales permitiendoestudio de término. El método también se puede utilizar para otras especies de bacterias y tipos de células. El equipo, dirigido por Tal Danino, profesor asistente de ingeniería biomédica, dice que, según su conocimiento, este estudio es el primero en detectar y caracterizar rápidamente las terapias bacterianasin vitro y será una herramienta útil para muchos investigadores en el campo.
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"Estamos muy entusiasmados con la eficacia de BSCC y creemos que realmente acelerará la terapia bacteriana de ingeniería para uso clínico", dice Danino. "Al combinar la automatización y la tecnología robótica, BSCC puede probar una gran biblioteca de terapias para descubrir tratamientos efectivosY debido a que BSCC es tan ampliamente aplicable, podemos modificar el sistema para analizar muestras humanas y otras enfermedades. Por ejemplo, nos ayudará a personalizar los tratamientos médicos al crear el cáncer de un paciente en un plato e identificar rápidamente la mejor terapia parael individuo específico "
Los investigadores sabían que si bien muchas bacterias pueden crecer dentro de un tumor debido a la reducción del sistema inmune allí, las bacterias mueren fuera del tumor donde está activo el sistema inmune del cuerpo. Inspiradas por este mecanismo, buscaron un agente antibacteriano que pueda imitarel efecto "matador" de las bacterias fuera de los esferoides.
Desarrollaron un protocolo para usar el antibiótico gentamicina para cultivar bacterias dentro de esferoides que son similares a los tumores en el cuerpo. Usando BSCC, luego probaron rápidamente una amplia gama de terapias bacterianas anticancerígenas programadas hechas de varios tipos de bacterias, circuitos genéticos,y cargas terapéuticas.
"Usamos esferoides multicelulares en 3D porque recapitulan las condiciones que se encuentran en el cuerpo humano, como los gradientes de oxígeno y nutrientes; no se pueden hacer en un cultivo celular en monocapa 2D tradicional", dice el autor principal del artículo, Tetsuhiro Harimoto, quienes estudiante de doctorado en el laboratorio de Danino ". Además, el esferoide 3D proporciona a las bacterias suficiente espacio para vivir en su núcleo, de la misma manera que las bacterias colonizan tumores en el cuerpo, algo que no podemos hacer en la monocapa 2Dcultura. Además, es simple hacer grandes cantidades de esferoides 3D y adaptarlos para la detección de alto rendimiento ".
El equipo usó el sistema de alto rendimiento del BSCC para caracterizar rápidamente grupos de bacterias programadas y luego reducir rápidamente al mejor candidato para uso terapéutico. Descubrieron una terapia potente para el cáncer de colon, utilizando una nueva toxina bacteriana, la toxina theta, combinadacon un circuito genético óptimo de administración de fármacos en bacterias atenuadas Salmonella Typhimurium. También encontraron nuevas combinaciones de terapias bacterianas que pueden mejorar aún más la eficacia contra el cáncer.
Los investigadores compararon sus resultados de BSCC con los encontrados en modelos animales, y encontraron un comportamiento similar de las bacterias en esos modelos. También descubrieron que su principal candidato, la toxina theta, es más potente que las terapias creadas en el pasado, lo que demuestra el poder deCribado de alto rendimiento de BSCC.
Si bien el grupo de Danino se centró en la terapia contra el cáncer en este estudio, esperan expandir BSCC para caracterizar la terapéutica basada en bacterias para diversas enfermedades, incluidas las enfermedades e infecciones gastrointestinales. Su objetivo final es utilizar estas nuevas terapias bacterianas en clínicas de todo el mundo.
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Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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