Einsatz magnetischer Bakterien zur Bekämpfung von Krebstumoren

Forscher der ETH Zürich wollen magnetische Bakterien zur Bekämpfung von Krebsgeschwüren einsetzen. Sie haben nun einen Weg gefunden, wie diese Mikroorganismen Blutgefäßwände effektiv durchqueren und anschließend einen Tumor besiedeln können.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt erforschen, wie Krebsmedikamente am effizientesten die Tumore erreichen können, auf die sie abzielen. Eine Möglichkeit besteht darin, modifizierte Bakterien als „Fähren“ zu nutzen, um die Medikamente über die Blutbahn zu den Tumoren zu transportieren. Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, bestimmte Bakterien so zu kontrollieren, dass sie die Blutgefässwand effektiv überwinden und in Tumorgewebe eindringen können.

Unter der Leitung von Simone Schürle, Professorin für Responsive Biomedical Systems, entschieden sich die ETH-Forscher für die Arbeit mit Bakterien, die aufgrund der enthaltenen Eisenoxidpartikel von Natur aus magnetisch sind. Diese Bakterien der Gattung Magnetospirillum reagieren auf Magnetfelder und können durch Magnete von außerhalb des Körpers gesteuert werden; mehr dazu in einem früheren Artikel in den ETH News [https://ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2020/12/magnetic-bacteria-as-micropumps.html].

Temporäre Lücken ausnutzen

In Zellkulturen und an Mäusen konnten Schürle und ihr Team nun zeigen, dass ein am Tumor angelegtes rotierendes Magnetfeld die Fähigkeit der Bakterien verbessert, die Gefäßwand in der Nähe des Krebsgeschwürs zu durchqueren. An der Gefäßwand treibt das rotierende Magnetfeld die Bakterien kreisförmig vorwärts.

Um den Mechanismus zum Durchqueren der Gefäßwand besser zu verstehen, ist eine genaue Betrachtung notwendig: Die Blutgefäßwand besteht aus einer Zellschicht und dient als Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem Tumorgewebe, das von vielen kleinen Blutgefäßen durchzogen ist. Enge Zwischenräume zwischen diesen Zellen lassen bestimmte Moleküle aus der Gefäßwand passieren. Wie groß diese Interzellularräume sind, wird von den Zellen der Gefäßwand reguliert und sie können vorübergehend so weit sein, dass sogar Bakterien die Gefäßwand passieren können.

Starker Vortrieb und hohe Wahrscheinlichkeit

Mit Hilfe von Experimenten und Computersimulationen konnten die ETH-Forschenden zeigen, dass der Antrieb der Bakterien durch ein rotierendes Magnetfeld aus drei Gründen effektiv ist. Erstens ist der Antrieb über ein rotierendes Magnetfeld zehnmal stärker als der Antrieb über ein statisches Magnetfeld. Letztere gibt lediglich die Richtung vor und die Bakterien müssen sich aus eigener Kraft fortbewegen.

Der zweite und wichtigste Grund ist, dass Bakterien, die vom rotierenden Magnetfeld angetrieben werden, ständig in Bewegung sind und entlang der Gefäßwand wandern. Dadurch stoßen sie eher auf die Lücken, die sich zwischen Gefäßwandzellen kurz öffnen, als bei anderen Antriebsarten, bei denen sich die Bakterien weniger explorativ bewegen. Und drittens müssen die Bakterien im Gegensatz zu anderen Methoden nicht bildgebend verfolgt werden. Ist das Magnetfeld einmal über dem Tumor positioniert, muss es nicht mehr nachjustiert werden.

„Cargo“ sammelt sich im Tumorgewebe an

Dabei machen wir uns auch die natürliche und autonome Fortbewegung der Bakterien zunutze. Sobald die Bakterien die Blutgefäßwand passiert haben und sich im Tumor befinden, können sie selbstständig tief in dessen Inneres einwandern.“

Simone Schürle, Professorin für Responsive Biomedical Systems, ETH Zürich

Aus diesem Grund nutzen die Wissenschaftler den Antrieb durch das äußere Magnetfeld nur eine Stunde lang – lange genug, damit die Bakterien effizient die Gefäßwand passieren und den Tumor erreichen können.

Solche Bakterien könnten in Zukunft Medikamente gegen Krebs transportieren. In ihren Zellkulturstudien simulierten die ETH-Forscher diese Anwendung, indem sie Liposomen (Nanosphären aus fettähnlichen Substanzen) an die Bakterien anhefteten. Sie markierten diese Liposomen mit einem fluoreszierenden Farbstoff, mit dem sie in der Petrischale nachweisen konnten, dass die Bakterien ihre „Fracht“ tatsächlich in das Krebsgewebe geliefert hatten, wo sie sich ansammelten. In einer zukünftigen medizinischen Anwendung würden die Liposomen mit einem Medikament gefüllt.

Bakterielle Krebstherapie

Die Verwendung von Bakterien als Fähren für Medikamente ist eine von zwei Möglichkeiten, wie Bakterien im Kampf gegen Krebs helfen können. Der andere Ansatz ist über hundert Jahre alt und erlebt derzeit ein Revival: die Nutzung der natürlichen Neigung bestimmter Bakterienarten, Tumorzellen zu schädigen. Dies kann mehrere Mechanismen beinhalten. Bekannt ist jedenfalls, dass die Bakterien bestimmte Zellen des Immunsystems stimulieren, die dann den Tumor eliminieren.

Mehrere Forschungsprojekte untersuchen derzeit die Wirksamkeit von E. coli-Bakterien gegen Tumore. Heute ist es möglich, Bakterien mithilfe der Synthetischen Biologie zu modifizieren, um ihre therapeutische Wirkung zu optimieren, Nebenwirkungen zu reduzieren und sie sicherer zu machen.

Nichtmagnetische Bakterien magnetisch machen

Doch um die inhärenten Eigenschaften von Bakterien in der Krebstherapie zu nutzen, bleibt die Frage, wie diese Bakterien effizient zum Tumor gelangen können. Während es möglich ist, die Bakterien direkt in Tumore nahe der Körperoberfläche zu injizieren, ist dies bei Tumoren tief im Körper nicht möglich. Hier kommt die Mikrorobotersteuerung von Professor Schürle ins Spiel. „Wir glauben, dass wir mit unserem technischen Ansatz die Wirksamkeit der bakteriellen Krebstherapie steigern können“, sagt sie.

E. coli, das in den Krebsstudien verwendet wurde, ist nicht magnetisch und kann daher nicht durch ein Magnetfeld angetrieben und kontrolliert werden. Im Allgemeinen ist die magnetische Reaktionsfähigkeit ein sehr seltenes Phänomen bei Bakterien. Magnetospirillum ist eine der wenigen Bakteriengattungen, die diese Eigenschaft besitzen.

Schürle will deshalb auch E. coli-Bakterien magnetisch machen. Damit könnte es eines Tages möglich werden, klinisch eingesetzte therapeutische Bakterien, die keinen natürlichen Magnetismus besitzen, über ein Magnetfeld zu kontrollieren.

Quelle:

ETH Zürich

Referenz:

Gwisai, T., et al. (2022)Magnetdrehmomentgetriebene lebende Mikroroboter für eine erhöhte Tumorinfiltration. Wissenschaftliche Robotik. doi.org/10.1126/scirobotics.abo0665.

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