使用磁性细菌对抗癌性肿瘤

使用磁性细菌对抗癌性肿瘤

苏黎世联邦理工学院的研究人员希望利用磁性细菌来对抗癌性肿瘤。 他们现在已经找到了一种方法，使这些微生物可以有效地穿过血管壁，然后在肿瘤中定殖。

世界各地的科学家正在研究抗癌药物如何最有效地到达目标肿瘤。 一种可能性是使用改良细菌作为“渡轮”，通过血流将药物运送到肿瘤。 苏黎世联邦理工学院的研究人员现已成功控制某些细菌，使其能够有效地克服血管壁并穿透肿瘤组织。

在响应生物医学系统教授 Simone Schürle 的领导下，苏黎世联邦理工学院的研究人员决定研究由于含有氧化铁颗粒而具有天然磁性的细菌。 这些磁螺菌属细菌会对磁场做出反应，并且可以通过体外的磁铁进行控制； 有关此内容的更多信息，请参见 ETH News 的早期文章 [ https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magic-bacteria-as-micropumps.html ]。

利用暂时的空白

在细胞培养物和小鼠身上，舒尔和她的团队现在已经能够证明，施加到肿瘤的旋转磁场可以提高细菌穿过癌性肿瘤附近血管壁的能力。 旋转磁场驱动细菌在容器壁上做圆周运动。

为了更好地理解穿越血管壁的机制，有必要仔细观察：血管壁由一层细胞组成，作为血流和肿瘤组织之间的屏障，其内部充满许多小血管。 这些细胞之间的狭窄空间允许某些分子穿过血管壁。 这些细胞间隙的大小由血管壁细胞调节，它们可以暂时变得很大，甚至细菌也可以穿过血管壁。

推进力强，概率高

在实验和计算机模拟的帮助下，苏黎世联邦理工学院的研究人员能够证明利用旋转磁场推动细菌是有效的，原因有以下三个。 首先，通过旋转磁场的推进力比通过静磁场的推进力强十倍。 后者只是设定方向，细菌必须依靠自己的力量移动。

第二个也是最重要的原因是，细菌在旋转磁场的驱动下，不断地沿着血管壁移动和迁移。 因此，与细菌较少探索性移动的其他类型的推进相比，它们更有可能遇到血管壁细胞之间短暂打开的间隙。 第三，与其他方法不同，不需要使用成像来追踪细菌。 一旦磁场位于肿瘤上方，就不再需要重新调整。

“货物”积聚在肿瘤组织中

我们还利用细菌的自然和自主运动。 一旦细菌穿过血管壁并进入肿瘤，它们就可以独立地迁移到肿瘤内部深处。”

Simone Schürle，苏黎世联邦理工学院响应式生物医学系统教授

因此，科学家们仅使用外部磁场的驱动一小时——足够长的时间让细菌有效地穿过血管壁并到达肿瘤。

这些细菌将来可以运输抗癌药物。 在细胞培养研究中，苏黎世联邦理工学院的研究人员通过将脂质体（由类脂肪物质制成的纳米球）附着到细菌上来模拟这种应用。 他们用荧光染料标记这些脂质体，使他们能够在培养皿中证明细菌实际上已将其“货物”运送到癌症组织中并在那里积累。 在未来的医疗应用中，脂质体将充满药物。

细菌性癌症治疗

利用细菌作为药物的载体是细菌帮助对抗癌症的两种方式之一。 另一种方法已有一百多年的历史，目前正在复兴：利用某些类型细菌破坏肿瘤细胞的自然倾向。 这可能涉及多种机制。 众所周知，细菌会刺激免疫系统的某些细胞，从而消除肿瘤。

目前有几个研究项目正在研究大肠杆菌对抗肿瘤的有效性。 如今，可以利用合成生物学对细菌进行修饰，以优化其治疗效果、减少副作用并使其更安全。

使非磁性细菌具有磁性

但为了在癌症治疗中利用细菌的固有特性，问题仍然是这些细菌如何有效地到达肿瘤。 虽然可以将细菌直接注射到身体表面附近的肿瘤中，但对于身体深处的肿瘤来说这是不可能的。 这就是 Schürle 教授的微型机器人控制器发挥作用的地方。 “我们相信，通过我们的技术方法，我们可以提高细菌癌症治疗的有效性，”她说。

用于癌症研究的大肠杆菌没有磁性，因此不能由磁场供电和控制。 一般来说，磁响应在细菌中是一种非常罕见的现象。 磁螺菌属是少数具有这种特性的细菌属之一。

因此，舒尔勒还希望使大肠杆菌具有磁性。 有一天，这可能使得利用磁场控制临床上使用的不具有自然磁性的治疗细菌成为可能。

来源：

苏黎世联邦理工学院

参考：

Gwisai，T.，等人。 (2022) 磁扭矩驱动的活体微型机器人可增加肿瘤浸润。 科学机器人学。 doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665 。

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