Magnetbakterite kasutamine vähkkasvajate vastu võitlemiseks

Magnetbakterite kasutamine vähkkasvajate vastu võitlemiseks

ETH Zürichi teadlased soovivad vähkkasvajate vastu võitlemiseks kasutada magnetilisi baktereid. Nad on nüüd leidnud viisi, kuidas need mikroorganismid suudavad tõhusalt ületada veresoonte seinu ja seejärel koloniseerida kasvaja.

Teadlased üle maailma uurivad, kuidas vähiravimid jõuavad kõige tõhusamalt nende sihtmärgiks olevate kasvajateni. Üks võimalus on kasutada modifitseeritud baktereid "praamidena" ravimite transportimiseks vereringe kaudu kasvajatesse. ETH Zürichi teadlastel on nüüd õnnestunud teatud bakterid kontrolli all hoida, et need saaksid tõhusalt ületada veresoone seina ja tungida kasvajakoesse.

Reageerivate biomeditsiinisüsteemide professori Simone Schürle juhtimisel otsustasid ETH teadlased töötada bakteritega, mis on nendes sisalduvate raudoksiidi osakeste tõttu loomulikult magnetilised. Need perekonna Magnetospirillum bakterid reageerivad magnetväljadele ja neid saab juhtida väljastpoolt keha tulevate magnetitega; rohkem selle kohta ETH Newsi varasemas artiklis [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Kasutage ajutisi lünki

Rakukultuurides ja hiirtel on Schürle ja tema meeskond nüüdseks suutnud näidata, et kasvajale rakendatud pöörlev magnetväli parandab bakterite võimet ületada vähkkasvaja lähedal asuvat veresoone seina. Pöörlev magnetväli ajab bakterid veresoone seinal ringjate liigutustega edasi.

Veresooneseina ületamise mehhanismi paremaks mõistmiseks on vaja seda lähemalt uurida: veresoone sein koosneb rakukihist ja toimib barjäärina vereringe ja kasvajakoe vahel, mida läbivad paljud väikesed veresooned. Nende rakkude vahelised kitsad ruumid võimaldavad teatud molekulidel veresoone seina läbida. Nende rakkudevaheliste ruumide suurust reguleerivad veresoone seina rakud ja need võivad ajutiselt olla nii suured, et isegi bakterid võivad veresoone seina läbida.

Tugev tõukejõud ja suur tõenäosus

Eksperimentide ja arvutisimulatsioonide abil suutsid ETH teadlased näidata, et bakterite edasilükkamine pöörleva magnetvälja abil on efektiivne kolmel põhjusel. Esiteks on pöörleva magnetvälja tõukejõud kümme korda tugevam kui tõukejõud staatilise magnetvälja kaudu. Viimane lihtsalt määrab suuna ja bakterid peavad liikuma oma jõul.

Teine ja kõige olulisem põhjus on see, et pöörlevast magnetväljast juhitud bakterid liiguvad ja rändavad pidevalt mööda veresoone seina. Selle tulemusena puutuvad nad tõenäolisemalt kokku veresoone seina rakkude vahel korraks avanevate tühikutega kui muud tüüpi tõukejõuga, mille käigus bakterid liiguvad vähem uurivalt. Ja kolmandaks, erinevalt teistest meetoditest ei pea baktereid pildistamise abil jälgima. Kui magnetväli on paigutatud kasvaja kohale, ei pea seda enam uuesti reguleerima.

“Laos” koguneb kasvajakoesse

Samuti kasutame ära bakterite loomulikku ja autonoomset liikumist. Niipea, kui bakterid on läbinud veresoonte seina ja on kasvajas, võivad nad iseseisvalt rännata sügavale selle sisemusse.

Simone Schürle, ETH Zürichi reageerivate biomeditsiinisüsteemide professor

Sel põhjusel kasutavad teadlased välise magnetvälja ajamit vaid ühe tunni – piisavalt kaua, et bakterid saaksid tõhusalt veresoone seina läbida ja kasvajani jõuda.

Sellised bakterid võivad tulevikus transportida vähivastaseid ravimeid. Oma rakukultuuri uuringutes simuleerisid ETH teadlased seda rakendust, kinnitades bakteritele liposoomid (nanosfäärid, mis on valmistatud rasvataolistest ainetest). Nad märgistasid need liposoomid fluorestseeruva värvainega, mis võimaldas neil Petri tassis näidata, et bakterid olid tegelikult toimetanud oma "lasti" vähikoesse, kuhu nad kogunesid. Tulevases meditsiinilises rakenduses täidetakse liposoomid ravimiga.

Bakteriaalse vähi ravi

Bakterite kasutamine ravimite valmistamisel on üks kahest viisist, kuidas bakterid võivad vähivastases võitluses aidata. Teine lähenemine on üle saja aasta vana ja on praegu elavnemas: kasutatakse ära teatud tüüpi bakterite loomulikku kalduvust kahjustada kasvajarakke. See võib hõlmata mitut mehhanismi. Teada on see, et bakterid stimuleerivad teatud immuunsüsteemi rakke, mis seejärel kasvaja kõrvaldavad.

Mitmed uurimisprojektid uurivad praegu E. coli bakterite efektiivsust kasvajate vastu. Tänapäeval on võimalik sünteetilist bioloogiat kasutades muuta baktereid, et optimeerida nende ravitoimeid, vähendada kõrvaltoimeid ja muuta need ohutumaks.

Mittemagnetiliste bakterite muutmine magnetiliseks

Kuid selleks, et kasutada vähiravis bakterite loomupäraseid omadusi, jääb küsimus, kuidas need bakterid saavad tõhusalt kasvajasse jõuda. Kui baktereid on võimalik süstida otse kehapinna lähedal asuvatesse kasvajatesse, siis sügaval kehas olevate kasvajate puhul pole see võimalik. Siin tuleb mängu professor Schürle mikrorobotikontroller. "Usume, et meie tehnilise lähenemisviisiga saame suurendada bakteriaalse vähiravi efektiivsust," ütleb ta.

E. coli, mida kasutati vähiuuringutes, ei ole magnetiline ja seetõttu ei saa seda toita ega juhtida magnetväljaga. Üldiselt on magnetiline reageerimisvõime bakterite puhul väga haruldane nähtus. Magnetospirillum on üks väheseid bakteriperekondi, millel see omadus on.

Schürle tahab seetõttu ka E. coli bakterid magnetiliseks muuta. See võib ühel päeval võimaldada magnetvälja abil kontrollida kliiniliselt kasutatavaid terapeutilisi baktereid, millel puudub loomulik magnetism.

Allikas:

ETH Zürich

Viide:

Gwisai, T. et al. (2022) Magnetpöördemomendiga juhitavad elavad mikrorobotid kasvaja infiltratsiooni suurendamiseks. Teadusrobootika. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.