Diseñar bacterias para detectar y responder inteligentemente a estados de enfermedad, desde infecciones hasta cáncer, se ha convertido en un foco prometedor de la biología sintética. Los rápidos avances en las herramientas de ingeniería genética han permitido a los investigadores "programar" 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 entorno y modular su comportamiento o producir moléculas en respuesta.

Investigaciones recientes han encontrado que muchas bacterias colonizan selectivamente tumores in vivo, incitando a los científicos a diseñarlos como vehículos programables, "robots" biológicos en otras palabras, para administrar terapias contra el cáncer. Los investigadores también están desarrollando nuevos medicamentos "inteligentes" mediante la programación de bacterias para hacer frente a otras enfermedades, tales como enfermedades e infecciones gastrointestinales. La clave para hacer avanzar estos "medicamentos vivos" es poder identificar a los mejores candidatos terapéuticos.

Sin embargo, mientras que las herramientas de biología sintética actuales 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 la rapidez con que se pueden probar. De hecho, la capacidad de diseñar rápidamente nuevas terapias para humanos supera con creces el rendimiento de las pruebas basadas en animales, creando un cuello de botella importante 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 minitejidos en un plato, condensando el tiempo de estudio de meses a días. Como prueba de concepto, se enfocaron en probar bacterias antitumorales programadas usando mini-tumores llamados esferoides tumorales. La velocidad y el alto rendimiento de su tecnología, que llaman BSCC para "cocultivo de bacterias esferoides, "permite el crecimiento estable de bacterias dentro de los esferoides tumorales, lo que permite un estudio a largo plazo. 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, a su conocimiento, Este estudio es el primero en seleccionar y caracterizar rápidamente terapias bacterianas in vitro y será una herramienta útil para muchos investigadores en el campo.

"Estamos muy entusiasmados con la eficiencia de BSCC y creemos que realmente acelerará la terapia bacteriana diseñada para uso clínico". "Dice Danino." Al combinar la tecnología de automatización y robótica, BSCC puede probar una gran biblioteca de terapias para descubrir tratamientos efectivos. Y 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 creando el cáncer de un paciente en un plato, e identificar rápidamente la mejor terapia para el individuo específico ".

Los investigadores sabían que, si bien muchas bacterias pueden crecer dentro de un tumor debido al sistema inmunológico reducido allí, las bacterias mueren fuera del tumor donde está activo el sistema inmunológico del cuerpo. Inspirado por este mecanismo, buscaron un agente antibacteriano que pudiera imitar el efecto "matador" de bacterias fuera de los esferoides.

Desarrollaron un protocolo para usar el antibiótico gentamicina para hacer crecer bacterias dentro de los esferoides que son similares a los tumores en el cuerpo. Usando BSCC, Luego probaron rápidamente una amplia gama de terapias bacterianas contra el cáncer programadas hechas de varios tipos de bacterias, circuitos genéticos, y cargas útiles terapéuticas.

"Usamos esferoides multicelulares tridimensionales porque recapitulan las condiciones que se encuentran en el cuerpo humano, como gradientes de oxígeno y nutrientes, estos no se pueden producir en un cultivo celular de monocapa 2-D tradicional, "dice el autor principal del artículo, Tetsuhiro Harimoto, quien es un Ph.D. estudiante en el laboratorio de Danino. "Además, el esferoide 3-D proporciona a las bacterias suficiente espacio para vivir en su núcleo, de la misma manera que las bacterias colonizan los tumores en el cuerpo, también es algo que no podemos hacer en la cultura monocapa 2-D. Más, es sencillo hacer una gran cantidad de esferoides 3D y adaptarlos para un cribado de alto rendimiento ".

El equipo utilizó el sistema de alto rendimiento de la BSCC para caracterizar rápidamente grupos de bacterias programadas y luego para seleccionar rápidamente el mejor candidato para uso terapéutico. Descubrieron una potente terapia para el cáncer de colon, usando una nueva toxina bacteriana, toxina theta, combinado con un circuito genético de administración de fármacos óptimo 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 encontró un comportamiento similar de bacterias en esos modelos. También descubrieron que su principal candidato, toxina theta, es más potente que las terapias creadas en el pasado, demostrando el poder del cribado de alto rendimiento de BSCC.

Si bien el grupo de Danino se centró en la terapia del cáncer en este estudio, esperan expandir BSCC para caracterizar terapias basadas en bacterias para diversas enfermedades, incluyendo enfermedades e infecciones gastrointestinales. Su objetivo final es utilizar estas nuevas terapias bacterianas en clínicas de todo el mundo.