Batteri ingegnerizzati per rilevare e rispondere in modo intelligente agli stati patologici, dalle infezioni al cancro, è diventato un promettente fulcro della biologia sintetica. I rapidi progressi negli strumenti di ingegneria genetica hanno permesso ai ricercatori di "programmare" le cellule per eseguire vari compiti sofisticati. Per esempio, una rete di geni può essere collegata insieme per formare un circuito genetico in cui le cellule possono essere ingegnerizzate per rilevare l'ambiente e modulare il loro comportamento o produrre molecole in risposta.

Recenti ricerche hanno scoperto che molti batteri colonizzano selettivamente i tumori in vivo, spingendo gli scienziati a progettarli come veicoli programmabili, "robot" biologici in altre parole, per fornire terapie antitumorali. I ricercatori stanno anche sviluppando nuovi, medicine "intelligenti" programmando i batteri per affrontare altre malattie, come malattie gastrointestinali e infezioni. La chiave per promuovere tali "medicinali viventi" è essere in grado di identificare i migliori candidati terapeutici.

Però, mentre gli attuali strumenti di biologia sintetica possono creare un numero enorme di cellule programmate, la dipendenza dei ricercatori dai test sugli animali ha notevolmente limitato il numero di terapie che possono essere testate e la loro rapidità. Infatti, la capacità di progettare rapidamente nuove terapie per l'uomo supera di gran lunga il rendimento dei test su animali, creando un importante collo di bottiglia per la traduzione clinica.

I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono oggi in PNAS che hanno sviluppato un sistema che consente loro di studiare da decine a centinaia di batteri programmati all'interno di mini-tessuti in un piatto, condensando il tempo di studio da mesi a giorni. Come prova del concetto, si sono concentrati sulla sperimentazione di batteri antitumorali programmati utilizzando mini-tumori chiamati sferoidi tumorali. La velocità e l'elevata produttività della loro tecnologia, che chiamano BSCC per "co-coltura di sferoidi di batteri, " consente una crescita stabile dei batteri all'interno degli sferoidi tumorali consentendo uno studio a lungo termine. Il metodo può essere utilizzato anche per altre specie di batteri e tipi di cellule. Il team, guidato da Tal Danino, professore assistente di ingegneria biomedica, Dillo, a loro conoscenza, questo studio è il primo a selezionare e caratterizzare rapidamente le terapie batteriche in vitro e sarà uno strumento utile per molti ricercatori del settore.

"Siamo molto entusiasti di quanto sia efficiente il BSCC e pensiamo che accelererà davvero la terapia batterica ingegnerizzata per uso clinico, " dice Danino. "Combinando automazione e tecnologia robotica, BSCC può testare una vasta libreria di terapie per scoprire trattamenti efficaci. E poiché BSCC è così ampiamente applicabile, possiamo modificare il sistema per testare campioni umani e altre malattie. Per esempio, ci aiuterà a personalizzare i trattamenti medici creando il cancro di un paziente in un piatto, e identificare rapidamente la migliore terapia per l'individuo specifico."

I ricercatori sapevano che mentre molti batteri possono crescere all'interno di un tumore a causa del sistema immunitario ridotto lì, i batteri vengono uccisi al di fuori del tumore dove è attivo il sistema immunitario del corpo. Ispirato da questo meccanismo, hanno cercato un agente antibatterico in grado di imitare l'effetto di "uccisione" dei batteri al di fuori degli sferoidi.

Hanno sviluppato un protocollo per utilizzare l'antibiotico gentamicina per far crescere batteri all'interno di sferoidi simili ai tumori del corpo. Usando BSCC, hanno quindi testato rapidamente un'ampia gamma di terapie batteriche antitumorali programmate composte da vari tipi di batteri, circuiti genetici, e carichi terapeutici.

"Abbiamo usato sferoidi multicellulari 3D perché ricapitolano le condizioni che si trovano nel corpo umano, come gradienti di ossigeno e nutrienti, questi non possono essere realizzati in una tradizionale coltura cellulare monostrato 2-D, " dice l'autore principale del giornale Tetsuhiro Harimoto, chi è un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Danino. "Inoltre, lo sferoide 3-D fornisce ai batteri spazio sufficiente per vivere nel suo nucleo, più o meno allo stesso modo in cui i batteri colonizzano i tumori nel corpo, anche qualcosa che non possiamo fare nella cultura monostrato 2-D. Più, è semplice creare un gran numero di sferoidi 3D e adattarli per uno screening ad alto rendimento".

Il team ha utilizzato il sistema ad alto rendimento del BSCC per caratterizzare rapidamente i pool di batteri programmati e quindi per restringere rapidamente il candidato migliore per l'uso terapeutico. Hanno scoperto una potente terapia per il cancro al colon, utilizzando una nuova tossina batterica, tossina theta, combinato con un circuito genetico di somministrazione ottimale del farmaco nei batteri attenuati Salmonella Typhimurium. Hanno anche scoperto nuove combinazioni di terapie batteriche che possono migliorare ancora di più l'efficacia antitumorale.

I ricercatori hanno confrontato i loro risultati BSCC con quelli trovati in modelli animali, e ha trovato un comportamento simile dei batteri in quei modelli. Hanno anche scoperto che il loro miglior candidato, tossina theta, è più potente delle terapie create in passato, dimostrando la potenza dello screening ad alto rendimento di BSCC.

Mentre il gruppo di Danino si è concentrato sulla terapia del cancro in questo studio, sperano di espandere il BSCC per caratterizzare le terapie a base di batteri per varie malattie, comprese le malattie e le infezioni gastrointestinali. Il loro obiettivo finale è utilizzare queste nuove terapie batteriche nelle cliniche di tutto il mondo.