Gebruik van magnetische bacteriën om kankertumoren te bestrijden

Gebruik van magnetische bacteriën om kankertumoren te bestrijden

Onderzoekers van ETH Zürich willen magnetische bacteriën gebruiken om kankertumoren te bestrijden. Ze hebben nu een manier gevonden waarop deze micro-organismen effectief de bloedvatwanden kunnen passeren en vervolgens een tumor kunnen koloniseren.

Wetenschappers over de hele wereld onderzoeken hoe kankermedicijnen het meest efficiënt de tumoren kunnen bereiken waarop ze zich richten. Eén mogelijkheid is om gemodificeerde bacteriën te gebruiken als “veerboten” om de medicijnen via de bloedbaan naar de tumoren te transporteren. Onderzoekers van ETH Zürich zijn er nu in geslaagd bepaalde bacteriën onder controle te houden, zodat ze effectief de bloedvatwand kunnen overwinnen en tumorweefsel kunnen binnendringen.

Onder leiding van Simone Schürle, hoogleraar Responsive Biomedical Systems, besloten de ETH-onderzoekers te gaan werken met bacteriën die van nature magnetisch zijn vanwege de ijzeroxidedeeltjes die ze bevatten. Deze bacteriën van het geslacht Magnetospirillum reageren op magnetische velden en kunnen worden bestuurd door magneten van buiten het lichaam; meer hierover in een eerder artikel in ETH News [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Maak gebruik van tijdelijke gaten

In celculturen en op muizen hebben Schürle en haar team nu kunnen aantonen dat een roterend magnetisch veld dat op de tumor wordt toegepast, het vermogen van de bacterie verbetert om de vaatwand nabij de kankertumor te passeren. Het roterende magnetische veld drijft de bacteriën voort in een cirkel op de vaatwand.

Om het mechanisme voor het passeren van de vaatwand beter te begrijpen, is een nadere beschouwing nodig: de bloedvatwand bestaat uit een laag cellen en dient als barrière tussen de bloedbaan en het tumorweefsel, dat doordrongen is van vele kleine bloedvaten. Smalle ruimtes tussen deze cellen zorgen ervoor dat bepaalde moleculen door de vaatwand kunnen passeren. De grootte van deze intercellulaire ruimtes wordt geregeld door de cellen van de vaatwand en kan tijdelijk zo groot zijn dat zelfs bacteriën door de vaatwand kunnen dringen.

Sterke voortstuwing en hoge waarschijnlijkheid

Met behulp van experimenten en computersimulaties konden de ETH-onderzoekers aantonen dat het voortbewegen van bacteriën met behulp van een roterend magnetisch veld om drie redenen effectief is. Ten eerste is de voortstuwing via een roterend magnetisch veld tien keer sterker dan de voortstuwing via een statisch magnetisch veld. Deze laatste bepaalt simpelweg de richting en de bacteriën moeten op eigen kracht bewegen.

De tweede en belangrijkste reden is dat bacteriën, aangedreven door het roterende magnetische veld, voortdurend langs de vaatwand bewegen en migreren. Als gevolg hiervan hebben ze meer kans om de gaten tegen te komen die kortstondig opengaan tussen de vaatwandcellen dan bij andere vormen van voortstuwing waarbij de bacteriën minder verkennend bewegen. En ten derde hoeven de bacteriën, in tegenstelling tot andere methoden, niet te worden gevolgd met behulp van beeldvorming. Zodra het magnetische veld over de tumor is gepositioneerd, hoeft het niet meer te worden aangepast.

“Lading” hoopt zich op in tumorweefsel

We profiteren ook van de natuurlijke en autonome beweging van de bacterie. Zodra de bacteriën de bloedvatwand zijn gepasseerd en zich in de tumor bevinden, kunnen ze zelfstandig tot diep in het binnenste van de tumor migreren.”

Simone Schürle, hoogleraar responsieve biomedische systemen, ETH Zürich

Om deze reden gebruiken de wetenschappers de aandrijving van het externe magnetische veld slechts één uur – lang genoeg om de bacteriën efficiënt door de vaatwand te laten passeren en de tumor te bereiken.

Dergelijke bacteriën zouden in de toekomst medicijnen tegen kanker kunnen transporteren. In hun celcultuurstudies simuleerden de ETH-onderzoekers deze toepassing door liposomen (nanobolletjes gemaakt van vetachtige stoffen) aan de bacteriën te hechten. Ze labelden deze liposomen met een fluorescerende kleurstof waarmee ze in de petrischaal konden aantonen dat de bacteriën hun ‘lading’ daadwerkelijk in het kankerweefsel hadden afgeleverd, waar ze zich ophoopten. In een toekomstige medische toepassing zouden de liposomen gevuld worden met een medicijn.

Bacteriële kankertherapie

Het gebruik van bacteriën als veerponten voor medicijnen is een van de twee manieren waarop bacteriën kunnen helpen in de strijd tegen kanker. De andere aanpak is ruim honderd jaar oud en beleeft momenteel een opleving: het benutten van de natuurlijke neiging van bepaalde bacteriesoorten om tumorcellen te beschadigen. Hierbij kunnen verschillende mechanismen betrokken zijn. Wel is bekend dat de bacteriën bepaalde cellen van het immuunsysteem stimuleren, die vervolgens de tumor elimineren.

Verschillende onderzoeksprojecten onderzoeken momenteel de effectiviteit van E. coli-bacteriën tegen tumoren. Tegenwoordig is het mogelijk om bacteriën te modificeren met behulp van synthetische biologie om hun therapeutische effecten te optimaliseren, bijwerkingen te verminderen en ze veiliger te maken.

Niet-magnetische bacteriën magnetisch maken

Maar om de inherente eigenschappen van bacteriën bij kankertherapie te kunnen benutten, blijft de vraag hoe deze bacteriën de tumor efficiënt kunnen bereiken. Hoewel het mogelijk is om de bacteriën rechtstreeks in tumoren dichtbij het lichaamsoppervlak te injecteren, is dit niet mogelijk bij tumoren diep in het lichaam. Dit is waar de microrobotcontroller van professor Schürle in het spel komt. “Wij geloven dat we met onze technische aanpak de effectiviteit van bacteriële kankertherapie kunnen vergroten”, zegt ze.

E. coli, die werd gebruikt in de kankerstudies, is niet magnetisch en kan daarom niet worden aangedreven en gecontroleerd door een magnetisch veld. Over het algemeen is magnetische responsiviteit een zeer zeldzaam fenomeen bij bacteriën. Magnetospirillum is een van de weinige bacteriegeslachten die deze eigenschap bezitten.

Schürle wil daarom ook de E. coli-bacterie magnetisch maken. Dit zou het op een dag mogelijk kunnen maken om klinisch gebruikte therapeutische bacteriën die geen natuurlijk magnetisme hebben, te bestrijden met behulp van een magnetisch veld.

Bron:

ETH Zürich

Referentie:

Gwisai, T., et al. (2022) Magnetische, koppelaangedreven levende microrobots voor verhoogde tumorinfiltratie. Wetenschappelijke robotica. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.