Konstruera bakterier för att intelligent känna av och svara på sjukdomstillstånd, från infektioner till cancer, har blivit ett lovande fokus för syntetisk biologi. Snabba framsteg inom genteknikverktyg har gjort det möjligt för forskare att "programmera" celler för att utföra olika sofistikerade uppgifter. Till exempel, ett nätverk av gener kan kopplas samman för att bilda en genetisk krets där celler kan konstrueras för att känna av miljön och modulera deras beteende eller producera molekyler som svar.

Ny forskning har visat att många bakterier selektivt koloniserar tumörer in vivo, får forskare att konstruera dem som programmerbara fordon, biologiska "robotar" med andra ord, att leverera läkemedel mot cancer. Forskare utvecklar också nya, "smarta" läkemedel genom att programmera bakterier för att hantera andra sjukdomar, såsom gastrointestinala sjukdomar och infektioner. Nyckeln till att utveckla sådana "levande mediciner" är att kunna identifiera de bästa terapeutiska kandidaterna.

Dock, medan nuvarande syntetiska biologiverktyg kan skapa ett enormt antal programmerade celler, forskarnas beroende av djurbaserade tester har kraftigt begränsat antalet terapier som kan testas och hur snabbt. Faktiskt, förmågan att snabbt konstruera nya terapier för människor överträffar vida genomströmningen av djurbaserade tester, skapa en stor flaskhals för klinisk översättning.

Forskare vid Columbia Engineering rapporterar idag in PNAS att de har utvecklat ett system som gör det möjligt för dem att studera tiotals till hundratals programmerade bakterier i minivävnader i en maträtt, förkortar studietiden från månader till dagar. Som ett bevis på konceptet, de fokuserade på att testa programmerade antitumörbakterier med minitumörer som kallas tumörsfäroider. Hastigheten och höga genomströmningen av deras teknik, som de kallar BSCC för "samkultur av bakteriersfäroider, " möjliggör stabil tillväxt av bakterier inom tumörsfäroider vilket möjliggör långtidsstudier. Metoden kan även användas för andra bakteriearter och celltyper. Teamet, ledd av Tal Danino, biträdande professor i biomedicinsk teknik, säger att, såvitt de vet, denna studie är den första som snabbt screenar och karakteriserar bakterieterapier in vitro och kommer att vara ett användbart verktyg för många forskare inom området.

"Vi är väldigt glada över hur effektiv BSCC är och tror att det verkligen kommer att påskynda konstruerad bakterieterapi för klinisk användning, " säger Danino. "Genom att kombinera automation och robotteknik, BSCC kan testa ett stort bibliotek av terapier för att upptäcka effektiva behandlingar. Och eftersom BSCC är så brett tillämpligt, vi kan modifiera systemet för att testa mänskliga prover såväl som andra sjukdomar. Till exempel, det kommer att hjälpa oss att anpassa medicinska behandlingar genom att skapa en patients cancer i en maträtt, och snabbt identifiera den bästa terapin för den specifika individen."

Forskarna visste att medan många bakterier kan växa inuti en tumör på grund av det nedsatta immunförsvaret där, bakterier dödas utanför tumören där kroppens immunförsvar är aktivt. Inspirerad av denna mekanism, de sökte efter ett antibakteriellt medel som kan efterlikna den bakteriedödande effekten utanför sfäroiderna.

De utvecklade ett protokoll för att använda antibiotikumet gentamicin för att odla bakterier inuti sfäroider som liknar tumörer i kroppen. Använder BSCC, de testade sedan snabbt ett brett utbud av programmerade anticancerbakteriella terapier gjorda av olika typer av bakterier, genetiska kretsar, och terapeutiska nyttolaster.

"Vi använde 3-D flercelliga sfäroider eftersom de rekapitulerar tillstånd som finns i människokroppen, såsom syre- och näringsgradienter – dessa kan inte göras i en traditionell 2-D monolagercellkultur, " säger tidningens huvudförfattare Tetsuhiro Harimoto, som är doktorand. student i Daninos labb. "Dessutom, 3D-sfäroiden ger bakterier tillräckligt med utrymme att leva i dess kärna, ungefär på samma sätt som bakterier koloniserar tumörer i kroppen, också något vi inte kan göra i 2-D monolagerkulturen. Plus, det är enkelt att göra ett stort antal 3D-sfäroider och anpassa dem för screening med hög genomströmning."

Teamet använde BSCC:s högkapacitetssystem för att snabbt karakterisera pooler av programmerade bakterier och sedan för att snabbt begränsa den bästa kandidaten för terapeutisk användning. De upptäckte en potent terapi för tjocktarmscancer, använder ett nytt bakteriellt toxin, theta toxin, kombinerat med en optimal genetisk krets för läkemedelsleverans i försvagade bakterier Salmonella Typhimurium. De hittade också nya kombinationer av bakterieterapier som kan förbättra effektiviteten mot cancer ännu mer.

Forskarna jämförde sina BSCC-resultat med de som finns i djurmodeller, och hittade liknande beteende hos bakterier i dessa modeller. De upptäckte också att deras toppkandidat, theta toxin, är mer potent än terapier som skapats tidigare, demonstrerar kraften i BSCC:s screening med hög genomströmning.

Medan Daninos grupp fokuserade på cancerterapi i denna studie, de hoppas kunna utöka BSCC för att karakterisera bakteriebaserad terapi för olika sjukdomar, inklusive gastrointestinala sjukdomar och infektioner. Deras slutmål är att använda dessa nya bakteriella terapier på kliniker runt om i världen.