加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校和麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員提出了在治療學(xué)中使用合成生物學(xué)的策略。該方法使得能夠在小鼠的疾病部位連續(xù)生產(chǎn)和釋放藥物，同時(shí)限制用于生產(chǎn)藥物的細(xì)菌群體隨時(shí)間的大小。該研究結(jié)果發(fā)表在7月20日的自然在線期刊上。

由生物工程和生物學(xué)教授杰夫·哈斯特(Jeff Hasty)領(lǐng)導(dǎo)的加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員設(shè)計(jì)了一種臨床相關(guān)細(xì)菌來生產(chǎn)抗癌藥物，然后在腫瘤部位自我毀滅并釋放藥物。然后，研究小組將細(xì)菌治療轉(zhuǎn)移到麻省理工學(xué)院的合作者，進(jìn)行結(jié)腸直腸轉(zhuǎn)移動(dòng)物模型的檢測(cè)。該療法的設(shè)計(jì)代表了來自加州大學(xué)圣地亞哥分校的四篇以前的自然論文的高潮，這些論文描述了工程化遺傳時(shí)鐘和同步的系統(tǒng)發(fā)展。多年來，研究人員采用了一種跨越合成生物學(xué)范圍的廣泛方法。

這項(xiàng)新研究提供了一種治療方法，可最大限度地減少對(duì)周圍細(xì)胞的傷

“在合成生物學(xué)中，療法的一個(gè)目標(biāo)是針對(duì)疾病部位并將損害降至最低，”加州大學(xué)圣地亞哥分校生物工程和生物學(xué)教授杰夫·哈斯特說。他想知道是否可以設(shè)計(jì)遺傳“殺死”回路以控制體內(nèi)細(xì)菌群，從而最大限度地減少其生長(zhǎng)。“我們還希望為疾病部位提供重要的治療有效載荷。”

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，當(dāng)細(xì)菌菌落在腫瘤環(huán)境中自我破壞時(shí)，他和他的團(tuán)隊(duì)將細(xì)菌同步以釋放已知癌癥藥物的爆發(fā)。使用細(xì)菌在體內(nèi)遞送抗癌藥物是誘人的，因?yàn)槌Ｒ?guī)化療并不總是到達(dá)腫瘤的內(nèi)部區(qū)域，但細(xì)菌可以在那里定殖。重要的是，研究人員觀察到化學(xué)療法與細(xì)菌回路產(chǎn)生的基因產(chǎn)物的結(jié)合可以持續(xù)減少腫瘤的大小。

“合成生物學(xué)理論如何能夠帶來臨床上有意義的進(jìn)步，這是杰夫·赫斯特和團(tuán)隊(duì)的新作品，”麻省理工學(xué)院教授吉姆柯林斯說，他是合成生物學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)始人。“十多年前，在該領(lǐng)域的早期階段，杰夫開發(fā)了一個(gè)理論框架，用于在細(xì)胞群體中同步細(xì)胞過程?，F(xiàn)在，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)證明了如何利用這些效應(yīng)創(chuàng)造一種新穎的，臨床上可行的治療方法。 “

限制細(xì)菌數(shù)量

為了觀察細(xì)菌種群動(dòng)態(tài)，研究人員設(shè)計(jì)了定制的微流體裝置，以便在動(dòng)物疾病模型研究之前進(jìn)行仔細(xì)測(cè)試。與工程設(shè)計(jì)一致，他們觀察到細(xì)菌群體的循環(huán)，成功地限制了整體生長(zhǎng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了編碼貨物的生產(chǎn)和釋放。當(dāng)細(xì)菌配備了驅(qū)動(dòng)治療劑產(chǎn)生的基因時(shí)，細(xì)菌菌落的同步裂解顯示出殺死人癌細(xì)胞。它是合成生物學(xué)中第一個(gè)實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的工程基因回路。

“在本文中，我們描述了一個(gè)電路，其中包含一個(gè)基因，該基因可以編碼可以在細(xì)胞之間擴(kuò)散的小分子并可以打開基因，”該論文的主要作者和加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院生物工程博士Omar Din說。 .D。Hasty的研究小組的學(xué)生。“一旦人口增長(zhǎng)到臨界大小 - 幾千個(gè)細(xì)胞 - 細(xì)胞中存在足夠高濃度的分子，導(dǎo)致啟動(dòng)子后面的基因大量轉(zhuǎn)錄。”

已知分子AHL協(xié)調(diào)細(xì)菌細(xì)胞集落的基因表達(dá)。一旦啟動(dòng)，由啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的基因也被激活，包括產(chǎn)生AHL的基因本身。由于這種正反饋回路，AHL累積的越多，產(chǎn)生的越多。因?yàn)锳HL足夠小以在細(xì)胞之間擴(kuò)散并且打開相鄰細(xì)胞中的啟動(dòng)子，所以由它激活的基因也將大量產(chǎn)生，導(dǎo)致稱為群體感應(yīng)的現(xiàn)象。細(xì)菌利用群體感應(yīng)來相互溝通其群體的大小，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)基因表達(dá)?？茖W(xué)家們將這種天然的細(xì)菌能力作為一種工具廣泛使用。

Din使用群體感應(yīng)作為工程工具來同步細(xì)胞，然后添加殺死基因，當(dāng)細(xì)菌菌落生長(zhǎng)到閾值時(shí)，導(dǎo)致細(xì)胞破裂(裂解)。在大規(guī)模自我毀滅事件之后，仍然有一些細(xì)胞繼續(xù)重建群體，并且由此產(chǎn)生的種群動(dòng)態(tài)是周期性的。

“裂解回路最初被設(shè)想用作水生生物傳感器，但后來很明顯，當(dāng)細(xì)菌在體內(nèi)溶解時(shí)，令人興奮的應(yīng)用可能是藥物的協(xié)調(diào)釋放，”Hasty說。

尋找合適的藥物組合

接下來，研究人員需要找到合適的藥物來傳遞細(xì)菌。他們測(cè)試了三種不同的治療蛋白質(zhì)，這些蛋 測(cè)試表明蛋白質(zhì)在組合時(shí)最有效。他們將負(fù)責(zé)這些蛋白質(zhì)的基因與裂解基因一起放入回路中。然后，他們用海拉細(xì)胞表現(xiàn)出了足夠的蛋白質(zhì)制作殺死癌細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的細(xì)胞。

小鼠治療的測(cè)試由加州大學(xué)圣地亞哥生物工程學(xué)校校友Tal Danino進(jìn)行，他是麻省理工學(xué)院Sangeeta Bhatia研究小組的博士后研究員。Danino現(xiàn)在是哥倫比亞大學(xué)的教授。

首先將細(xì)菌注射到具有移植的皮下腫瘤的小鼠中。該小鼠模型用于在體內(nèi)觀察細(xì)菌群體并觀察它們的動(dòng)態(tài)。結(jié)果是腫瘤尺寸減小。然后，Danino使用了一種更先進(jìn)的肝轉(zhuǎn)移小鼠模型，將細(xì)菌喂給小鼠。在用這種模型測(cè)試了工程菌和化學(xué)療法的組合后，研究人員發(fā)現(xiàn)聯(lián)合療法可以延長(zhǎng)小鼠的生存期，而不是單獨(dú)使用任何一種療法。研究人員指出，這種新方法還沒有治愈任何老鼠。他們確實(shí)發(fā)現(xiàn)治療導(dǎo)致預(yù)期壽命增加約50%，但很難預(yù)測(cè)這將如何轉(zhuǎn)化為人類。合在一起，