Χρήση μαγνητικών βακτηρίων για την καταπολέμηση καρκινικών όγκων

Χρήση μαγνητικών βακτηρίων για την καταπολέμηση καρκινικών όγκων

Ερευνητές στο ETH Ζυρίχης θέλουν να χρησιμοποιήσουν μαγνητικά βακτήρια για την καταπολέμηση των καρκινικών όγκων. Τώρα έχουν βρει έναν τρόπο με τον οποίο αυτοί οι μικροοργανισμοί μπορούν να διασχίσουν αποτελεσματικά τα τοιχώματα των αιμοφόρων αγγείων και στη συνέχεια να αποικίσουν έναν όγκο.

Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο ερευνούν πώς τα αντικαρκινικά φάρμακα μπορούν να φτάσουν πιο αποτελεσματικά στους όγκους που στοχεύουν. Μια δυνατότητα είναι η χρήση τροποποιημένων βακτηρίων ως «φεριμπότ» για τη μεταφορά των φαρμάκων στους όγκους μέσω της κυκλοφορίας του αίματος. Ερευνητές στο ETH της Ζυρίχης κατάφεραν τώρα να ελέγξουν ορισμένα βακτήρια, ώστε να μπορούν να ξεπεράσουν αποτελεσματικά το τοίχωμα των αιμοφόρων αγγείων και να διεισδύσουν στον ιστό του όγκου.

Με επικεφαλής τη Simone Schürle, Καθηγήτρια Responsive Biomedical Systems, οι ερευνητές του ETH αποφάσισαν να εργαστούν με βακτήρια που είναι φυσικά μαγνητικά λόγω των σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου που περιέχουν. Αυτά τα βακτήρια του γένους Magnetospirillum ανταποκρίνονται στα μαγνητικά πεδία και μπορούν να ελεγχθούν από μαγνήτες έξω από το σώμα. περισσότερα για αυτό σε παλαιότερο άρθρο στο ETH News [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Εκμεταλλευτείτε τα προσωρινά κενά

Σε καλλιέργειες κυττάρων και σε ποντίκια, η Schürle και η ομάδα της μπόρεσαν τώρα να δείξουν ότι ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται στον όγκο βελτιώνει την ικανότητα των βακτηρίων να διασχίζουν το τοίχωμα του αγγείου κοντά στον καρκινικό όγκο. Το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο οδηγεί τα βακτήρια προς τα εμπρός σε κύκλο στο τοίχωμα του αγγείου.

Για να κατανοήσουμε καλύτερα τον μηχανισμό διέλευσης του αγγειακού τοιχώματος, απαιτείται μια πιο προσεκτική ματιά: Το τοίχωμα των αιμοφόρων αγγείων αποτελείται από ένα στρώμα κυττάρων και χρησιμεύει ως φράγμα μεταξύ της κυκλοφορίας του αίματος και του ιστού του όγκου, ο οποίος διαπερνάται από πολλά μικρά αιμοφόρα αγγεία. Οι στενοί χώροι μεταξύ αυτών των κυττάρων επιτρέπουν σε ορισμένα μόρια να περάσουν μέσα από το τοίχωμα του αγγείου. Το μέγεθος αυτών των μεσοκυττάριων χώρων ρυθμίζεται από τα κύτταρα του αγγειακού τοιχώματος και μπορεί προσωρινά να είναι τόσο μεγάλα που ακόμη και βακτήρια μπορούν να περάσουν μέσα από το τοίχωμα του αγγείου.

Ισχυρή πρόωση και μεγάλη πιθανότητα

Με τη βοήθεια πειραμάτων και προσομοιώσεων υπολογιστή, οι ερευνητές του ETH μπόρεσαν να δείξουν ότι η προώθηση βακτηρίων χρησιμοποιώντας ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο είναι αποτελεσματική για τρεις λόγους. Πρώτον, η πρόωση μέσω ενός περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου είναι δέκα φορές ισχυρότερη από την πρόωση μέσω ενός στατικού μαγνητικού πεδίου. Το τελευταίο απλώς καθορίζει την κατεύθυνση και τα βακτήρια πρέπει να κινηθούν με τη δική τους δύναμη.

Ο δεύτερος και πιο σημαντικός λόγος είναι ότι τα βακτήρια, που οδηγούνται από το περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, κινούνται συνεχώς και μεταναστεύουν κατά μήκος του τοιχώματος του αγγείου. Ως αποτέλεσμα, είναι πιο πιθανό να συναντήσουν τα κενά που ανοίγουν για λίγο μεταξύ των κυττάρων του τοιχώματος των αγγείων παρά με άλλους τύπους πρόωσης στα οποία τα βακτήρια κινούνται λιγότερο διερευνητικά. Και τρίτον, σε αντίθεση με άλλες μεθόδους, τα βακτήρια δεν χρειάζεται να παρακολουθούνται χρησιμοποιώντας απεικόνιση. Μόλις το μαγνητικό πεδίο τοποθετηθεί πάνω από τον όγκο, δεν χρειάζεται πλέον να αναπροσαρμόζεται.

Το «φορτίο» συσσωρεύεται στον ιστό όγκου

Εκμεταλλευόμαστε επίσης τη φυσική και αυτόνομη κίνηση των βακτηρίων. Μόλις τα βακτήρια περάσουν από το τοίχωμα του αιμοφόρου αγγείου και βρίσκονται στον όγκο, μπορούν ανεξάρτητα να μεταναστεύσουν βαθιά στο εσωτερικό του».

Simone Schürle, Καθηγήτρια Responsive Biomedical Systems, ETH Zurich

Για το λόγο αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν την κίνηση από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο μόνο για μία ώρα - αρκετά μεγάλη ώστε τα βακτήρια να περάσουν αποτελεσματικά από το τοίχωμα του αγγείου και να φτάσουν στον όγκο.

Τέτοια βακτήρια θα μπορούσαν να μεταφέρουν φάρμακα κατά του καρκίνου στο μέλλον. Στις μελέτες τους για κυτταροκαλλιέργεια, οι ερευνητές του ETH προσομοίωσαν αυτήν την εφαρμογή προσαρτώντας λιποσώματα (νανοσφαίρες κατασκευασμένες από ουσίες που μοιάζουν με λίπος) στα βακτήρια. Ονόμασαν αυτά τα λιποσώματα με μια φθορίζουσα χρωστική που τους επέτρεψε να δείξουν στο τρυβλίο Petri ότι τα βακτήρια είχαν όντως παραδώσει το «φορτίο» τους στον καρκινικό ιστό, όπου συσσωρεύτηκαν. Σε μια μελλοντική ιατρική εφαρμογή, τα λιποσώματα θα γεμίζονται με ένα φάρμακο.

Βακτηριακή θεραπεία καρκίνου

Η χρήση βακτηρίων ως πορθμείων για φάρμακα είναι ένας από τους δύο τρόπους που τα βακτήρια μπορούν να βοηθήσουν στην καταπολέμηση του καρκίνου. Η άλλη προσέγγιση είναι πάνω από εκατό ετών και επί του παρόντος αναβιώνει: η εκμετάλλευση της φυσικής τάσης ορισμένων τύπων βακτηρίων να βλάπτουν τα καρκινικά κύτταρα. Αυτό μπορεί να περιλαμβάνει διάφορους μηχανισμούς. Αυτό που είναι γνωστό είναι ότι τα βακτήρια διεγείρουν ορισμένα κύτταρα του ανοσοποιητικού συστήματος, τα οποία στη συνέχεια εξαλείφουν τον όγκο.

Αρκετά ερευνητικά προγράμματα διερευνούν επί του παρόντος την αποτελεσματικότητα των βακτηρίων E. coli έναντι των όγκων. Σήμερα είναι δυνατό να τροποποιηθούν τα βακτήρια χρησιμοποιώντας συνθετική βιολογία για να βελτιστοποιηθούν τα θεραπευτικά τους αποτελέσματα, να μειωθούν οι παρενέργειες και να γίνουν ασφαλέστερα.

Κάνοντας τα μη μαγνητικά βακτήρια μαγνητικά

Αλλά για να χρησιμοποιηθούν οι εγγενείς ιδιότητες των βακτηρίων στη θεραπεία του καρκίνου, το ερώτημα παραμένει πώς αυτά τα βακτήρια μπορούν να φτάσουν αποτελεσματικά στον όγκο. Ενώ είναι δυνατή η έγχυση των βακτηρίων απευθείας σε όγκους κοντά στην επιφάνεια του σώματος, αυτό δεν είναι δυνατό με όγκους βαθιά στο σώμα. Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι ο ελεγκτής μικρορομπότ του καθηγητή Schürle. «Πιστεύουμε ότι με την τεχνική μας προσέγγιση μπορούμε να αυξήσουμε την αποτελεσματικότητα της θεραπείας του βακτηριακού καρκίνου», λέει.

Το E. coli, το οποίο χρησιμοποιήθηκε στις μελέτες για τον καρκίνο, δεν είναι μαγνητικό και επομένως δεν μπορεί να τροφοδοτηθεί και να ελεγχθεί από μαγνητικό πεδίο. Γενικά, η μαγνητική απόκριση είναι ένα πολύ σπάνιο φαινόμενο στα βακτήρια. Το Magnetospirillum είναι ένα από τα λίγα βακτηριακά γένη που διαθέτουν αυτή την ιδιότητα.

Επομένως, ο Schürle θέλει επίσης να κάνει τα βακτήρια E. coli μαγνητικά. Αυτό θα μπορούσε μια μέρα να καταστήσει δυνατό τον έλεγχο κλινικά χρησιμοποιούμενων θεραπευτικών βακτηρίων που δεν έχουν φυσικό μαγνητισμό χρησιμοποιώντας μαγνητικό πεδίο.

Πηγή:

ETH Ζυρίχης

Αναφορά:

Gwisai, Τ., et αϊ. (2022) Ζωντανά μικρορομπότ με μαγνητική ροπή για αυξημένη διήθηση όγκου. Επιστημονική ρομποτική. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.