Bruk av magnetiske bakterier for å bekjempe kreftsvulster

Bruk av magnetiske bakterier for å bekjempe kreftsvulster

Forskere ved ETH Zürich ønsker å bruke magnetiske bakterier for å bekjempe kreftsvulster. De har nå funnet en måte disse mikroorganismene effektivt kan krysse blodkarvegger og deretter kolonisere en svulst på.

Forskere over hele verden forsker på hvordan kreftmedisiner mest effektivt kan nå svulstene de retter seg mot. En mulighet er å bruke modifiserte bakterier som «ferger» for å transportere stoffene til svulstene via blodet. Forskere ved ETH Zürich har nå lykkes i å kontrollere visse bakterier slik at de effektivt kan overvinne blodåreveggen og trenge inn i svulstvev.

Ledet av Simone Schürle, professor i responsive biomedisinske systemer, bestemte ETH-forskerne seg for å jobbe med bakterier som er naturlig magnetiske på grunn av jernoksidpartiklene de inneholder. Disse bakteriene av slekten Magnetospirillum reagerer på magnetiske felt og kan kontrolleres av magneter fra utsiden av kroppen; mer om dette i en tidligere artikkel i ETH News [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Utnytt midlertidige hull

I cellekulturer og på mus har Schürle og hennes team nå kunnet vise at et roterende magnetfelt påført svulsten forbedrer bakterienes evne til å krysse karveggen nær kreftsvulsten. Det roterende magnetfeltet driver bakteriene fremover i en sirkel på karveggen.

For bedre å forstå mekanismen for å krysse karveggen, er det nødvendig med en nærmere titt: Blodkarveggen består av et lag med celler og fungerer som en barriere mellom blodstrømmen og svulstvevet, som er gjennomsyret av mange små blodkar. Trange mellomrom mellom disse cellene lar visse molekyler passere gjennom karveggen. Størrelsen på disse intercellulære rommene reguleres av cellene i karveggen og de kan midlertidig være så store at til og med bakterier kan passere gjennom karveggen.

Sterk fremdrift og høy sannsynlighet

Ved hjelp av eksperimenter og datasimuleringer kunne ETH-forskerne vise at fremdrift av bakterier ved hjelp av et roterende magnetfelt er effektivt av tre grunner. For det første er fremdrift via et roterende magnetfelt ti ganger sterkere enn fremdrift via et statisk magnetfelt. Sistnevnte setter rett og slett retningen og bakteriene må bevege seg av egen kraft.

Den andre og viktigste årsaken er at bakterier, drevet av det roterende magnetfeltet, hele tiden beveger seg og migrerer langs karveggen. Som et resultat er det mer sannsynlig at de møter hullene som kort åpnes mellom karveggceller enn med andre typer fremdrift der bakteriene beveger seg mindre eksplorativt. Og for det tredje, i motsetning til andre metoder, trenger ikke bakteriene å spores ved hjelp av bildediagnostikk. Når magnetfeltet er plassert over svulsten, trenger det ikke lenger å justeres på nytt.

"Cargo" akkumuleres i tumorvev

Vi drar også nytte av bakterienes naturlige og autonome bevegelse. Så snart bakteriene har passert gjennom blodkarveggen og er i svulsten, kan de uavhengig migrere dypt inn i dens indre.»

Simone Schürle, professor i responsive biomedisinske systemer, ETH Zürich

Av denne grunn bruker forskerne stasjonen fra det eksterne magnetfeltet i bare én time - lenge nok til at bakteriene effektivt kan passere gjennom karveggen og nå svulsten.

Slike bakterier kan transportere medikamenter mot kreft i fremtiden. I sine cellekulturstudier simulerte ETH-forskerne denne applikasjonen ved å feste liposomer (nanosfærer laget av fettlignende stoffer) til bakteriene. De merket disse liposomene med et fluorescerende fargestoff som gjorde at de kunne demonstrere i petriskålen at bakteriene faktisk hadde levert sin "last" inn i kreftvevet, hvor de samlet seg. I en fremtidig medisinsk applikasjon vil liposomene bli fylt med et medikament.

Bakteriell kreftbehandling

Å bruke bakterier som ferger for narkotika er en av to måter bakterier kan hjelpe i kampen mot kreft. Den andre tilnærmingen er over hundre år gammel og opplever for tiden en vekkelse: å utnytte den naturlige tendensen til visse typer bakterier til å skade tumorceller. Dette kan involvere flere mekanismer. Det man vet er at bakteriene stimulerer visse celler i immunsystemet, som deretter eliminerer svulsten.

Flere forskningsprosjekter undersøker for tiden effektiviteten til E. coli-bakterier mot svulster. I dag er det mulig å modifisere bakterier ved hjelp av syntetisk biologi for å optimere deres terapeutiske effekter, redusere bivirkninger og gjøre dem tryggere.

Gjør ikke-magnetiske bakterier magnetiske

Men for å utnytte de iboende egenskapene til bakterier i kreftbehandling, gjenstår spørsmålet om hvordan disse bakteriene effektivt kan nå svulsten. Selv om det er mulig å injisere bakteriene direkte inn i svulster nær overflaten av kroppen, er dette ikke mulig med svulster dypt i kroppen. Det er her professor Schürles mikrorobotkontroller kommer inn i bildet. "Vi tror at med vår tekniske tilnærming kan vi øke effektiviteten av bakteriell kreftterapi," sier hun.

E. coli, som ble brukt i kreftstudiene, er ikke magnetisk og kan derfor ikke drives og kontrolleres av et magnetfelt. Generelt er magnetisk respons et svært sjeldent fenomen hos bakterier. Magnetospirillum er en av få bakterieslekter som har denne egenskapen.

Schürle ønsker derfor også å gjøre E. coli-bakterier magnetiske. Dette kan en dag gjøre det mulig å kontrollere klinisk brukte terapeutiske bakterier som ikke har naturlig magnetisme ved hjelp av et magnetfelt.

Kilde:

ETH Zürich

Referanse:

Gwisai, T., et al. (2022) Magnetisk dreiemomentdrevne levende mikroroboter for økt tumorinfiltrasjon. Vitenskapelig robotikk. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.