Brug af magnetiske bakterier til at bekæmpe kræftsvulster

Brug af magnetiske bakterier til at bekæmpe kræftsvulster

Forskere ved ETH Zürich ønsker at bruge magnetiske bakterier til at bekæmpe kræftsvulster. De har nu fundet en måde, hvorpå disse mikroorganismer effektivt kan krydse blodkarvægge og derefter kolonisere en tumor.

Forskere rundt om i verden forsker i, hvordan kræftmedicin mest effektivt kan nå de tumorer, de retter sig mod. En mulighed er at bruge modificerede bakterier som "færger" til at transportere stofferne til tumorerne via blodbanen. Det er nu lykkedes forskere ved ETH Zürich at kontrollere visse bakterier, så de effektivt kan overvinde blodkarvæggen og trænge ind i tumorvæv.

Anført af Simone Schürle, professor i responsive biomedicinske systemer, besluttede ETH-forskerne at arbejde med bakterier, der er naturligt magnetiske på grund af de jernoxidpartikler, de indeholder. Disse bakterier af slægten Magnetospirillum reagerer på magnetiske felter og kan styres af magneter udefra kroppen; mere om dette i en tidligere artikel i ETH News [ https://ethz.ch/da/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Udnyt midlertidige huller

I cellekulturer og på mus har Schürle og hendes team nu kunnet vise, at et roterende magnetfelt påført tumoren forbedrer bakteriernes evne til at krydse karvæggen nær kræftsvulsten. Det roterende magnetfelt driver bakterierne frem i en cirkel på karvæggen.

For bedre at forstå mekanismen til at krydse karvæggen er det nødvendigt med et nærmere kig: Blodkarvæggen består af et lag af celler og fungerer som en barriere mellem blodbanen og tumorvævet, som er gennemtrængt af mange små blodkar. Snævre mellemrum mellem disse celler tillader visse molekyler at passere gennem karvæggen. Størrelsen af ​​disse intercellulære rum reguleres af karvæggens celler, og de kan midlertidigt være så store, at selv bakterier kan passere gennem karvæggen.

Stærk fremdrift og høj sandsynlighed

Ved hjælp af eksperimenter og computersimuleringer kunne ETH-forskerne vise, at fremdrift af bakterier ved hjælp af et roterende magnetfelt er effektivt af tre årsager. For det første er fremdrift via et roterende magnetfelt ti gange stærkere end fremdrift via et statisk magnetfelt. Det sidste sætter ganske enkelt retningen, og bakterierne skal bevæge sig af egen kraft.

Den anden og vigtigste årsag er, at bakterier, drevet af det roterende magnetfelt, konstant bevæger sig og vandrer langs karvæggen. Som et resultat er de mere tilbøjelige til at støde på de huller, der kortvarigt åbner mellem karvægsceller, end med andre typer fremdrift, hvor bakterierne bevæger sig mindre eksplorativt. Og for det tredje, i modsætning til andre metoder, skal bakterierne ikke spores ved hjælp af billeddiagnostik. Når først magnetfeltet er placeret over tumoren, skal det ikke længere justeres.

"Cargo" ophobes i tumorvæv

Vi udnytter også bakteriernes naturlige og autonome bevægelse. Så snart bakterierne er gået gennem blodkarvæggen og er i tumoren, kan de selvstændigt migrere dybt ind i dens indre."

Simone Schürle, professor i responsive biomedicinske systemer, ETH Zürich

Af denne grund bruger forskerne drevet fra det eksterne magnetfelt i kun en time - længe nok til, at bakterierne effektivt kan passere gennem karvæggen og nå tumoren.

Sådanne bakterier kan transportere medicin mod kræft i fremtiden. I deres cellekulturstudier simulerede ETH-forskerne denne applikation ved at binde liposomer (nanosfærer lavet af fedtlignende stoffer) til bakterierne. De mærkede disse liposomer med et fluorescerende farvestof, der gjorde det muligt for dem at demonstrere i petriskålen, at bakterierne faktisk havde leveret deres "last" ind i kræftvævet, hvor de ophobede sig. I en fremtidig medicinsk anvendelse vil liposomerne blive fyldt med et lægemiddel.

Bakteriel kræftbehandling

Brug af bakterier som færger til medicin er en af ​​to måder, hvorpå bakterier kan hjælpe i kampen mod kræft. Den anden tilgang er over hundrede år gammel og oplever i øjeblikket en genoplivning: udnyttelse af visse typer bakteriers naturlige tendens til at beskadige tumorceller. Dette kan involvere flere mekanismer. Man ved, at bakterierne stimulerer visse celler i immunsystemet, som så fjerner tumoren.

Adskillige forskningsprojekter undersøger i øjeblikket effektiviteten af ​​E. coli-bakterier mod tumorer. I dag er det muligt at modificere bakterier ved hjælp af syntetisk biologi for at optimere deres terapeutiske virkninger, reducere bivirkninger og gøre dem mere sikre.

Gør ikke-magnetiske bakterier magnetiske

Men for at udnytte bakteriernes iboende egenskaber i kræftbehandling, er spørgsmålet fortsat, hvordan disse bakterier effektivt kan nå tumoren. Selvom det er muligt at injicere bakterierne direkte i tumorer nær overfladen af ​​kroppen, er dette ikke muligt med tumorer dybt inde i kroppen. Det er her professor Schürles mikrorobotcontroller kommer i spil. "Vi tror på, at vi med vores tekniske tilgang kan øge effektiviteten af ​​bakteriel cancerterapi," siger hun.

E. coli, som blev brugt i kræftundersøgelserne, er ikke magnetisk og kan derfor ikke drives og styres af et magnetfelt. Generelt er magnetisk reaktionsevne et meget sjældent fænomen hos bakterier. Magnetospirillum er en af ​​de få bakterieslægter, der besidder denne egenskab.

Schürle vil derfor også gøre E. coli-bakterier magnetiske. Dette kunne en dag gøre det muligt at kontrollere klinisk anvendte terapeutiske bakterier, der ikke har naturlig magnetisme, ved hjælp af et magnetfelt.

Kilde:

ETH Zürich

Reference:

Gwisai, T., et al. (2022) Magnetiske drejningsmoment-drevne levende mikrorobotter til øget tumorinfiltration. Videnskabelig robotik. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.