Použitie magnetických baktérií na boj proti rakovinovým nádorom

Použitie magnetických baktérií na boj proti rakovinovým nádorom

Vedci z ETH Zurich chcú použiť magnetické baktérie na boj proti rakovinovým nádorom. Teraz našli spôsob, ako môžu tieto mikroorganizmy účinne prechádzať cez steny krvných ciev a potom kolonizovať nádor.

Vedci z celého sveta skúmajú, ako môžu lieky proti rakovine najúčinnejšie zasiahnuť nádory, na ktoré sú zamerané. Jednou z možností je použiť modifikované baktérie ako „trajekty“ na transport liekov do nádorov cez krvný obeh. Výskumníkom z ETH Zurich sa teraz podarilo kontrolovať určité baktérie tak, aby mohli účinne prekonať stenu ciev a preniknúť do nádorového tkaniva.

Vedení Simone Schürle, profesorkou citlivých biomedicínskych systémov, sa výskumníci ETH rozhodli pracovať s baktériami, ktoré sú prirodzene magnetické vďaka časticiam oxidu železa, ktoré obsahujú. Tieto baktérie rodu Magnetospirillum reagujú na magnetické polia a môžu byť ovládané magnetmi zvonku tela; viac o tom v staršom článku v ETH News [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Využite dočasné medzery

V bunkových kultúrach a na myšiach teraz Schürle a jej tím dokázali, že rotujúce magnetické pole aplikované na nádor zlepšuje schopnosť baktérií prechádzať cez cievnu stenu v blízkosti rakovinového nádoru. Rotujúce magnetické pole poháňa baktérie dopredu v kruhu na stene cievy.

Pre lepšie pochopenie mechanizmu prechodu cez cievnu stenu je potrebný bližší pohľad: Stena cievy pozostáva z vrstvy buniek a slúži ako bariéra medzi krvným obehom a nádorovým tkanivom, ktoré je preniknuté mnohými malými krvnými cievami. Úzke priestory medzi týmito bunkami umožňujú určitým molekulám prejsť cez cievnu stenu. Veľkosť týchto medzibunkových priestorov je regulovaná bunkami steny cievy a dočasne môžu byť také veľké, že cez stenu cievy môžu prejsť aj baktérie.

Silný pohon a vysoká pravdepodobnosť

S pomocou experimentov a počítačových simulácií boli výskumníci ETH schopní ukázať, že poháňanie baktérií pomocou rotujúceho magnetického poľa je účinné z troch dôvodov. Po prvé, pohon prostredníctvom rotujúceho magnetického poľa je desaťkrát silnejší ako pohon prostredníctvom statického magnetického poľa. Ten druhý jednoducho udáva smer a baktérie sa musia pohybovať vlastnou silou.

Druhým a najdôležitejším dôvodom je, že baktérie poháňané rotujúcim magnetickým poľom sa neustále pohybujú a migrujú pozdĺž steny cievy. Výsledkom je, že sa s väčšou pravdepodobnosťou stretnú s medzerami, ktoré sa nakrátko otvárajú medzi bunkami cievnej steny, než pri iných typoch pohonu, pri ktorých sa baktérie pohybujú menej exploratívne. A po tretie, na rozdiel od iných metód, baktérie nie je potrebné sledovať pomocou zobrazovania. Akonáhle je magnetické pole umiestnené nad nádorom, už ho nie je potrebné znovu nastavovať.

„Náklad“ sa hromadí v nádorovom tkanive

Využívame tiež prirodzený a autonómny pohyb baktérií. Len čo baktérie prejdú cez cievnu stenu a sú v nádore, môžu samostatne migrovať hlboko do jeho vnútra.“

Simone Schürle, profesorka citlivých biomedicínskych systémov, ETH Zurich

Z tohto dôvodu vedci využívajú pohon z vonkajšieho magnetického poľa iba jednu hodinu – dosť dlho na to, aby baktérie účinne prešli cez cievnu stenu a dosiahli nádor.

Takéto baktérie by mohli v budúcnosti transportovať lieky proti rakovine. Vo svojich štúdiách bunkových kultúr výskumníci ETH simulovali túto aplikáciu pripojením lipozómov (nanoguľôčok vyrobených z látok podobných tuku) k baktériám. Tieto lipozómy označili fluorescenčným farbivom, ktoré im umožnilo preukázať na Petriho miske, že baktérie skutočne dopravili svoj „náklad“ do rakovinového tkaniva, kde sa nahromadili. V budúcej lekárskej aplikácii by lipozómy boli naplnené liečivom.

Bakteriálna liečba rakoviny

Použitie baktérií ako trajektov pre lieky je jedným z dvoch spôsobov, ako môžu baktérie pomôcť v boji proti rakovine. Druhý prístup je starý viac ako sto rokov a v súčasnosti zažíva oživenie: využíva prirodzenú tendenciu určitých typov baktérií poškodzovať nádorové bunky. To môže zahŕňať viacero mechanizmov. Je známe, že baktérie stimulujú určité bunky imunitného systému, ktoré potom zlikvidujú nádor.

Niekoľko výskumných projektov v súčasnosti skúma účinnosť baktérií E. coli proti nádorom. Dnes je možné modifikovať baktérie pomocou syntetickej biológie, aby sa optimalizovali ich terapeutické účinky, znížili sa vedľajšie účinky a boli bezpečnejšie.

Premena nemagnetických baktérií na magnetické

Ale aby sa využili prirodzené vlastnosti baktérií pri liečbe rakoviny, zostáva otázkou, ako sa tieto baktérie môžu účinne dostať do nádoru. Zatiaľ čo je možné vpichnúť baktérie priamo do nádorov blízko povrchu tela, pri nádoroch hlboko v tele to nie je možné. Tu vstupuje do hry ovládač mikrorobotov profesora Schürleho. "Veríme, že s naším technickým prístupom môžeme zvýšiť účinnosť liečby bakteriálnej rakoviny," hovorí.

E. coli, ktorá bola použitá v štúdiách rakoviny, nie je magnetická, a preto nemôže byť napájaná a kontrolovaná magnetickým poľom. Vo všeobecnosti je magnetická odozva u baktérií veľmi zriedkavý jav. Magnetospirillum je jedným z mála bakteriálnych rodov, ktoré majú túto vlastnosť.

Schürle chce preto urobiť aj baktérie E. coli magnetické. To by raz mohlo umožniť ovládať klinicky používané terapeutické baktérie, ktoré nemajú prirodzený magnetizmus, pomocou magnetického poľa.

Zdroj:

ETH Zürich

Referencia:

Gwisai, T., a kol. (2022) Živé mikroroboty poháňané magnetickým momentom pre zvýšenú infiltráciu nádoru. Vedecká robotika. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.