工程細(xì)菌能夠智能地感知和應(yīng)對疾病狀態(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)家將它們設(shè)計(jì)為可編程載體，換句話說生物“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，通過編程細(xì)菌來解決其他疾病，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物的測試極大地限制了可以測試的治療方法的數(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)超過基于動物的測試的吞吐量，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，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，從而實(shí)現(xiàn)長期研究。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。“通過結(jié)合自動化和機(jī)器人技術(shù)，BSCC可以測試大量的治療方法，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)來測試人體樣本以及其他疾病。例如，它將有助于我們通過在菜肴中創(chuàng)造患者的癌癥來個(gè)性化醫(yī)療，并快速確定針對特定個(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，因?yàn)槟抢锏拿庖呦到y(tǒng)減少，細(xì)菌會在身體免疫系統(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)生長類似于體內(nèi)腫瘤的細(xì)菌。使用BSCC，他們?nèi)缓笱杆贉y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，”該論文的主要作者Tetsuhiro Harimoto說道。 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，這也是我們在2D單層培養(yǎng)中無法做到的事情。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。