Uporaba magnetnih bakterij za boj proti rakavim tumorjem

Uporaba magnetnih bakterij za boj proti rakavim tumorjem

Raziskovalci na ETH Zurich želijo uporabiti magnetne bakterije za boj proti rakavim tumorjem. Zdaj so našli način, s katerim lahko ti mikroorganizmi učinkovito prečkajo stene krvnih žil in nato kolonizirajo tumor.

Znanstveniki po vsem svetu raziskujejo, kako lahko zdravila proti raku najučinkoviteje dosežejo tumorje, na katere ciljajo. Ena od možnosti je uporaba modificiranih bakterij kot "trajektov" za transport zdravil do tumorjev prek krvnega obtoka. Raziskovalcem na ETH Zurich je zdaj uspelo nadzorovati nekatere bakterije, tako da lahko učinkovito premagajo steno krvnih žil in prodrejo v tumorsko tkivo.

Pod vodstvom Simone Schürle, profesorice za odzivne biomedicinske sisteme, so se raziskovalci ETH odločili delati z bakterijami, ki so naravno magnetne zaradi delcev železovega oksida, ki jih vsebujejo. Te bakterije iz rodu Magnetospirillum se odzivajo na magnetna polja in jih je mogoče nadzorovati z magneti zunaj telesa; več o tem v prejšnjem članku v ETH News [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Izkoristite začasne vrzeli

V celičnih kulturah in na miših sta Schürle in njena ekipa zdaj lahko pokazala, da rotacijsko magnetno polje, uporabljeno na tumorju, izboljša sposobnost bakterij, da prečkajo žilno steno blizu rakavega tumorja. Rotirajoče magnetno polje žene bakterije naprej v krogu na steni žile.

Da bi bolje razumeli mehanizem prečkanja žilne stene, je potreben podrobnejši pregled: ​​Žilna stena je sestavljena iz plasti celic in služi kot pregrada med krvnim obtokom in tumorskim tkivom, ki je prežeto s številnimi majhnimi krvnimi žilami. Ozki prostori med temi celicami omogočajo določenim molekulam, da prehajajo skozi žilno steno. Velikost teh medceličnih prostorov uravnavajo celice žilne stene in so lahko začasno tako veliki, da lahko skozi žilno steno preidejo tudi bakterije.

Močan pogon in velika verjetnost

S pomočjo poskusov in računalniških simulacij so raziskovalci ETH lahko pokazali, da je poganjanje bakterij z uporabo vrtljivega magnetnega polja učinkovito iz treh razlogov. Prvič, pogon prek rotacijskega magnetnega polja je desetkrat močnejši od pogona prek statičnega magnetnega polja. Slednji preprosto določa smer in bakterije se morajo premikati z lastno močjo.

Drugi in najpomembnejši razlog je, da se bakterije, ki jih poganja vrteče se magnetno polje, nenehno premikajo in selijo vzdolž žilne stene. Posledično je večja verjetnost, da bodo naleteli na vrzeli, ki se za kratek čas odprejo med celicami žilne stene, kot pri drugih vrstah pogona, pri katerih se bakterije premikajo manj raziskovalno. In tretjič, za razliko od drugih metod bakterijam ni treba slediti s slikanjem. Ko je magnetno polje nameščeno nad tumorjem, ga ni več treba ponovno prilagajati.

"Tovor" se kopiči v tumorskem tkivu

Izkoristimo tudi naravno in avtonomno gibanje bakterij. Takoj ko bakterije preidejo steno krvne žile in so v tumorju, lahko samostojno migrirajo globoko v njegovo notranjost.«

Simone Schürle, profesorica odzivnih biomedicinskih sistemov, ETH Zürich

Zaradi tega znanstveniki uporabljajo pogon zunanjega magnetnega polja le eno uro – dovolj dolgo, da bakterije učinkovito preidejo skozi žilno steno in dosežejo tumor.

Takšne bakterije bi lahko v prihodnosti prenašale zdravila proti raku. V svojih študijah celične kulture so raziskovalci ETH to aplikacijo simulirali tako, da so na bakterije pritrdili liposome (nanosfere iz maščob podobnih snovi). Te liposome so označili s fluorescenčnim barvilom, ki jim je omogočilo, da so v petrijevki dokazali, da so bakterije dejansko dostavile svoj "tovor" v rakavo tkivo, kjer so se kopičile. V prihodnji medicinski uporabi bi liposome napolnili z zdravilom.

Terapija bakterijskega raka

Uporaba bakterij kot trajektov za zdravila je eden od dveh načinov, kako lahko bakterije pomagajo v boju proti raku. Drugi pristop je star več kot sto let in trenutno doživlja preporod: izkoriščanje naravne težnje nekaterih vrst bakterij, da poškodujejo tumorske celice. To lahko vključuje več mehanizmov. Znano je, da bakterije stimulirajo določene celice imunskega sistema, ki nato odstranijo tumor.

Več raziskovalnih projektov trenutno raziskuje učinkovitost bakterije E. coli proti tumorjem. Danes je mogoče bakterije spremeniti s sintetično biologijo, da optimiziramo njihove terapevtske učinke, zmanjšamo stranske učinke in jih naredimo varnejše.

Narediti nemagnetne bakterije magnetne

Toda da bi uporabili inherentne lastnosti bakterij pri zdravljenju raka, ostaja vprašanje, kako lahko te bakterije učinkovito dosežejo tumor. Čeprav je mogoče bakterije vbrizgati neposredno v tumorje blizu površine telesa, to ni mogoče pri tumorjih globoko v telesu. Tu nastopi mikrorobotski krmilnik profesorja Schürleja. "Verjamemo, da lahko z našim tehničnim pristopom povečamo učinkovitost zdravljenja bakterijskega raka," pravi.

E. coli, ki je bila uporabljena v študijah raka, ni magnetna, zato je magnetno polje ne more napajati in nadzorovati. Na splošno je magnetna odzivnost pri bakterijah zelo redek pojav. Magnetospirillum je eden redkih bakterijskih rodov, ki imajo to lastnost.

Schürle zato želi tudi bakterijo E. coli narediti magnetno. To bi lahko nekega dne omogočilo nadzor klinično uporabljenih terapevtskih bakterij, ki nimajo naravnega magnetizma, z uporabo magnetnega polja.

Vir:

ETH Zürich

Referenca:

Gwisai, T., et al. (2022) Živi mikroroboti, ki jih poganja magnetni navor, za povečano infiltracijo tumorja. Znanstvena robotika. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.