工程細(xì)菌能夠智能地感知和應(yīng)對(duì)疾病狀態(tài)，從感染到癌癥，已經(jīng)成為合成生物學(xué)的一個(gè)有前景的焦點(diǎn)?；蚬こ坦ぞ叩目焖侔l(fā)展使研究人員能夠“編程”細(xì)胞以執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù)。例如，基因網(wǎng)絡(luò)可以連接在一起形成遺傳回路，其中細(xì)胞可以被設(shè)計(jì)為感知環(huán)境并調(diào)節(jié)它們的行為或產(chǎn)生響應(yīng)的分子。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，許多細(xì)菌選擇性地在體內(nèi)定植腫瘤，促使科學(xué)家將它們?cè)O(shè)計(jì)為可編程載體，換句話說(shuō)生物“機(jī)器人”，以提供抗癌療法。研究人員還在開發(fā)新的“智能”藥物，通過(guò)編程細(xì)菌來(lái)解決其他疾病，如胃腸道疾病和感染。推進(jìn)這種“活體藥物”的關(guān)鍵是能夠確定最佳治療候選藥物。

然而，盡管目前的合成生物學(xué)工具可以產(chǎn)生大量的程序化細(xì)胞，但研究人員依賴基于動(dòng)物的測(cè)試極大地限制了可以測(cè)試的治療方法的數(shù)量和速度。事實(shí)上，為人類快速設(shè)計(jì)新療法的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基于動(dòng)物的測(cè)試的吞吐量，從而成為臨床翻譯的主要瓶頸。

哥倫比亞工程公司的研究人員今天在PNAS上報(bào)告說(shuō)，他們開發(fā)了一種系統(tǒng)，使他們能夠在一個(gè)培養(yǎng)皿中的微型組織內(nèi)研究數(shù)十到數(shù)百個(gè)程序性細(xì)菌，將研究時(shí)間從幾個(gè)月縮短到幾天。作為概念的證明，他們專注于使用稱為腫瘤球狀體的微型腫瘤測(cè)試程序化的抗腫瘤細(xì)菌。他們稱之為“細(xì)菌球狀體共培養(yǎng)”的BSCC技術(shù)的速度和高通量使腫瘤球體內(nèi)的細(xì)菌能夠穩(wěn)定生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期研究。該方法還可用于其他細(xì)菌物種和細(xì)胞類型。由生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Tal Danino領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)表示，據(jù)他們所知，

“我們對(duì)BSCC的效率非常高興，并認(rèn)為它將真正加速臨床使用的工程細(xì)菌治療，”Danino說(shuō)。“通過(guò)結(jié)合自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)，BSCC可以測(cè)試大量的治療方法，以發(fā)現(xiàn)有效的治療方法。由于BSCC的適用范圍非常廣泛，我們可以修改系統(tǒng)來(lái)測(cè)試人體樣本以及其他疾病。例如，它將有助于我們通過(guò)在菜肴中創(chuàng)造患者的癌癥來(lái)個(gè)性化醫(yī)療，并快速確定針對(duì)特定個(gè)體的最佳治療方案。“

研究人員知道，雖然許多細(xì)菌可以在腫瘤內(nèi)生長(zhǎng)，因?yàn)槟抢锏拿庖呦到y(tǒng)減少，細(xì)菌會(huì)在身體免疫系統(tǒng)活躍的腫瘤外被殺死。受這種機(jī)制的啟發(fā)，他們尋找了一種抗菌劑，可以模仿細(xì)菌在球狀體外“殺死”效應(yīng)。

他們制定了一項(xiàng)協(xié)議，使用抗生素慶大霉素在球體內(nèi)生長(zhǎng)類似于體內(nèi)腫瘤的細(xì)菌。使用BSCC，他們?nèi)缓笱杆贉y(cè)試了由各種類型的細(xì)菌，遺傳回路和治療有效載荷組成的各種程序化抗癌細(xì)菌療法。

“我們使用3D多細(xì)胞球體，因?yàn)樗鼈兏爬巳梭w內(nèi)發(fā)現(xiàn)的條件，如氧氣和營(yíng)養(yǎng)梯度 - 這些不能在傳統(tǒng)的2D單層細(xì)胞培養(yǎng)中制造出來(lái)，”該論文的主要作者Tetsuhiro Harimoto說(shuō)道。 Danino實(shí)驗(yàn)室的博士生。“此外，3D球體為細(xì)菌提供了足夠的空間來(lái)存活在其核心，就像細(xì)菌在體內(nèi)定植腫瘤一樣，這也是我們?cè)?D單層培養(yǎng)中無(wú)法做到的事情。此外，它很容易制作大量的3D球體并使其適應(yīng)高通量篩選。“

該團(tuán)隊(duì)使用BSCC的高通量系統(tǒng)快速表征程序化細(xì)菌池，然后迅速縮小治療用途的最佳候選者。他們發(fā)現(xiàn)了一種有效的結(jié)腸癌治療方法，使用新型細(xì)菌毒素，θ毒素，并結(jié)合減毒細(xì)菌鼠傷寒沙門氏菌的最佳藥物傳遞基因回路。他們還發(fā)現(xiàn)了新的細(xì)菌療法組合，可以進(jìn)一步提高抗癌療效。

研究人員將他們的BSCC結(jié)果與動(dòng)物模型中的結(jié)果進(jìn)行了比較，并發(fā)現(xiàn)了這些模型中細(xì)菌的相似行為。他們還發(fā)現(xiàn)，他們的最佳候選藥物theta毒素比過(guò)去創(chuàng)造的療法更有效，證明了BSCC高通量篩選的力量。

雖然Danino的研究小組在本研究中專注于癌癥治療，但他們希望擴(kuò)大BSCC以表征各種疾病的細(xì)菌療法，包括胃腸道疾病和感染。他們的最終目標(biāo)是在世界各地的診所使用這些新細(xì)菌的療法。