Användning av magnetiska bakterier för att bekämpa cancertumörer

Användning av magnetiska bakterier för att bekämpa cancertumörer

Forskare vid ETH Zürich vill använda magnetiska bakterier för att bekämpa cancertumörer. De har nu hittat ett sätt på vilket dessa mikroorganismer effektivt kan korsa blodkärlsväggar och sedan kolonisera en tumör.

Forskare runt om i världen forskar om hur cancerläkemedel mest effektivt kan nå de tumörer de riktar sig mot. En möjlighet är att använda modifierade bakterier som "färjor" för att transportera läkemedlen till tumörerna via blodbanan. Forskare vid ETH Zürich har nu lyckats kontrollera vissa bakterier så att de effektivt kan övervinna blodkärlsväggen och penetrera tumörvävnad.

Ledda av Simone Schürle, professor i responsiva biomedicinska system, beslutade ETH-forskarna att arbeta med bakterier som är naturligt magnetiska på grund av järnoxidpartiklarna de innehåller. Dessa bakterier av släktet Magnetospirillum reagerar på magnetfält och kan kontrolleras av magneter från utsidan av kroppen; mer om detta i en tidigare artikel i ETH News [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html ].

Utnyttja tillfälliga luckor

I cellkulturer och på möss har Schürle och hennes team nu kunnat visa att ett roterande magnetfält som appliceras på tumören förbättrar bakteriernas förmåga att passera kärlväggen nära cancertumören. Det roterande magnetfältet driver bakterierna framåt i en cirkel på kärlväggen.

För att bättre förstå mekanismen för att korsa kärlväggen är en närmare titt nödvändig: Blodkärlsväggen består av ett lager av celler och fungerar som en barriär mellan blodomloppet och tumörvävnaden, som genomsyras av många små blodkärl. Smala utrymmen mellan dessa celler tillåter vissa molekyler att passera genom kärlväggen. Storleken på dessa intercellulära utrymmen regleras av kärlväggens celler och de kan tillfälligt vara så stora att även bakterier kan passera genom kärlväggen.

Stark framdrivning och hög sannolikhet

Med hjälp av experiment och datorsimuleringar kunde ETH-forskarna visa att framdrivning av bakterier med hjälp av ett roterande magnetfält är effektivt av tre anledningar. För det första är framdrivning via ett roterande magnetfält tio gånger starkare än framdrivning via ett statiskt magnetfält. Det senare sätter helt enkelt riktningen och bakterierna måste röra sig av egen kraft.

Den andra och viktigaste anledningen är att bakterier, som drivs av det roterande magnetfältet, hela tiden rör sig och vandrar längs kärlväggen. Som ett resultat är de mer benägna att stöta på de luckor som kort öppnas mellan kärlväggsceller än med andra typer av framdrivning där bakterierna rör sig mindre explorativt. Och för det tredje, till skillnad från andra metoder, behöver bakterierna inte spåras med hjälp av bildbehandling. När magnetfältet väl är placerat över tumören behöver det inte längre justeras om.

"Cargo" ackumuleras i tumörvävnad

Vi drar också nytta av bakteriernas naturliga och autonoma rörelse. Så snart bakterierna har passerat genom blodkärlsväggen och är i tumören, kan de självständigt migrera djupt in i dess inre.”

Simone Schürle, professor i responsiva biomedicinska system, ETH Zürich

Av denna anledning använder forskarna enheten från det externa magnetfältet i endast en timme - tillräckligt länge för att bakterierna effektivt ska kunna passera genom kärlväggen och nå tumören.

Sådana bakterier kan transportera läkemedel mot cancer i framtiden. I sina cellodlingsstudier simulerade ETH-forskarna denna applikation genom att fästa liposomer (nanosfärer gjorda av fettliknande ämnen) till bakterierna. De märkte dessa liposomer med ett fluorescerande färgämne som gjorde det möjligt för dem att visa i petriskålen att bakterierna faktiskt hade levererat sin "last" till cancervävnaden, där de ackumulerades. I en framtida medicinsk applikation skulle liposomerna fyllas med ett läkemedel.

Bakteriell cancerterapi

Att använda bakterier som färjor för läkemedel är ett av två sätt som bakterier kan hjälpa till i kampen mot cancer. Det andra tillvägagångssättet är över hundra år gammalt och upplever för närvarande en återupplivning: att utnyttja den naturliga tendensen hos vissa typer av bakterier att skada tumörceller. Detta kan involvera flera mekanismer. Det man vet är att bakterierna stimulerar vissa celler i immunsystemet, som sedan eliminerar tumören.

Flera forskningsprojekt undersöker för närvarande effektiviteten av E. coli-bakterier mot tumörer. Idag är det möjligt att modifiera bakterier med hjälp av syntetisk biologi för att optimera deras terapeutiska effekter, minska biverkningar och göra dem säkrare.

Göra icke-magnetiska bakterier magnetiska

Men för att kunna utnyttja bakteriernas inneboende egenskaper i cancerterapi kvarstår frågan om hur dessa bakterier effektivt kan nå tumören. Även om det är möjligt att injicera bakterierna direkt i tumörer nära kroppens yta, är detta inte möjligt med tumörer djupt i kroppen. Det är här professor Schürles mikrorobotkontroller kommer in i bilden. "Vi tror att vi med vårt tekniska tillvägagångssätt kan öka effektiviteten av bakteriell cancerterapi", säger hon.

E. coli, som användes i cancerstudierna, är inte magnetisk och kan därför inte drivas och kontrolleras av ett magnetfält. Generellt sett är magnetisk känslighet ett mycket sällsynt fenomen hos bakterier. Magnetospirillum är ett av få bakteriesläkten som har denna egenskap.

Schürle vill därför också göra E. coli-bakterier magnetiska. Detta skulle en dag kunna göra det möjligt att kontrollera kliniskt använda terapeutiska bakterier som inte har naturlig magnetism med hjälp av ett magnetfält.

Källa:

ETH Zürich

Hänvisning:

Gwisai, T., et al. (2022) Magnetiska vridmomentdrivna levande mikrorobotar för ökad tumörinfiltration. Vetenskaplig robotik. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

.