مهندسی پوشش نامرئی برای باکتری های درمانی

به گزارش روابط پایگاه اطلاع رسانی علوم آزمایشگاهی ایران، محققان مهندسی کلمبیا گزارش دادند که آنها یک سیستم (پوشش) یا ( cloaking ) ایجاد کرده اند که به طور موقت باکتری های درمانی را از سیستم ایمنی پنهان می کند و آنها را قادر می سازد تا داروها را به طور موثرتری به تومورها برسانند و سلول های سرطانی را در موش از بین ببرند. آنها با دستکاری DNA میکروب ها، مدارهای ژنی را برنامه ریزی کردند که سطح باکتری ها را کنترل می کند و یک (پوشش) یا ( cloak ) مولکولی ایجاد می کند که باکتری ها را در خود محصور می کند.

تال دانینو، دانشیار مهندسی بیومدیکال، که با همکاری کام لئونگ، ساموئل اچ. شنگ، استاد مهندسی بیومدیکال، این مطالعه را رهبری کرده است، گفت: چیزی که در مورد این کار واقعاً هیجان انگیز است این است که ما می توانیم سیستم را به صورت پویا کنترل کنیم. ما می توانیم زمان زنده ماندن باکتری ها را در خون انسان تنظیم کنیم و حداکثر دوز قابل تحمل باکتری را افزایش دهیم. همچنین نشان دادیم که سیستم ما یک استراتژی انتقال باکتری جدید را باز می کند که در آن می توانیم باکتری ها را به یک تومور در دسترس تزریق کنیم و آنها را به طور کنترل شده مهاجرت کنیم. به تومورهای دیستال مانند متاستازها، سلول های سرطانی که به سایر قسمت های بدن گسترش می یابند.

برای مطالعه ای که امروز توسط Nature Biotechnology منتشر شد، محققان بر روی پلی ساکاریدهای کپسولی (CAP)، پلیمرهای قندی که سطوح باکتری ها را می پوشانند، تمرکز کردند. در طبیعت، CAP به بسیاری از باکتری ها کمک می کند تا از خود در برابر حملات از جمله سیستم ایمنی محافظت کنند. تتسوهیرو هاریموتو(دانشجوی آزمایشگاه دانینو که نویسنده ارشد این مطالعه است)، گفت: ما سیستم CAP یک پروبیوتیک E. coli سویه Nissle 1917 را ربودیم. با CAP، این باکتری ها می توانند به طور موقت از حمله ایمنی فرار کنند. بدون CAP، محافظت از کپسولاسیون خود را از دست می دهند و می توانند در بدن پاک شوند. بنابراین تصمیم گرفتیم که یک کلید روشن/خاموش موثر بسازیم.

یک کلید روشن/خاموش موثر:

برای انجام این کار، محققان یک سیستم CAP جدید را مهندسی کردند که آن را CAP القایی یا iCAP می نامند. آنها سیستم iCAP را با دادن یک نشانه خارجی مولکولی کوچک به نام IPTG کنترل می کنند که امکان تغییر قابل برنامه ریزی و پویا سطح سلول E. coli را فراهم می کند. از آنجایی که iCAP برهمکنش های باکتریایی با سیستم ایمنی (مانند پاکسازی خون و فاگوسیتوز) را به شیوه ای هدایت شده تغییر می دهد، تیم دریافتند که می توانند زمان زنده ماندن باکتری ها در خون انسان را با تنظیم میزان IPTG که به iCAP E.coli می دهند کنترل کنند.

باکتری ایده آل:

باکتری های ایده آل باید بتوانند پس از ورود به بدن از سیستم ایمنی فرار کنند و به طور موثر به تومور برسند. و هنگامی که آنها در تومور قرار گرفتند، باید در سایر قسمت های بدن حذف شوند تا سمیت به حداقل برسد. این تیم از مدل های تومور موش استفاده کردند تا نشان دهند که از طریق iCAP می توانند حداکثر دوز قابل تحمل باکتری را 10 برابر افزایش دهند. آنها سویه E. coli را محصور کردند تا بتواند از سیستم ایمنی فرار کند و به تومور برسد. از آنجایی که آنها IPTG را در بدن ندادند، E. coli iCAP با گذشت زمان کپسولاسیون خود را از دست داد و در سایر قسمت های بدن راحت تر از بین رفت و در نتیجه سمیت را به حداقل رساند. برای آزمایش اثربخشی، محققان E. coli iCAP را برای تولید یک سم ضد تومور مهندسی کردند و توانستند رشد تومور را در مدل های موش سرطان کولورکتال و سینه بیشتر از گروه کنترل بدون سیستم iCAP کوچک کنند.

این تیم همچنین مهاجرت قابل کنترل باکتری در بدن را نشان داد. مطالعات گذشته نشان داده است که سطوح پایین باکتری به هنگام رشد تومور از تومورها نشت می کند. برای این مطالعه جدید، تیم کلمبیا از iCAP استفاده کرد تا نشان دهد که می تواند نشت باکتری از تومور و همچنین انتقال آن به تومورهای دیگر را کنترل کند. آنها E. coli iCAP را به یک تومور تزریق کردند، موش ها را با آب حاوی IPTG تغذیه کردند، iCAP را در یک تومور فعال کردند و مشاهده کردند که E. coli iCAP نشت کرده و به سمت تومورهای تزریق نشده مهاجرت می کند.

این گروه در حال بررسی طیف وسیعی از زمینه های تحقیقاتی است. بیش از 80 نوع مختلف CAP وجود دارد که فقط برای E. coli و حتی بیشتر برای سایر گونه های باکتری وجود دارد که می توانند با استفاده از روش های مشابه مهندسی شوند. علاوه بر این، CAP تنها مولکولی نیست که باکتری ها روی سطح خود دارند و سایر مولکول های سطحی را می توان به روشی مشابه کنترل کرد. علاوه بر این، در حالی که iCAP توسط یک IPTG ارائه شده خارجی در این مثال کنترل می شود، سیستم های کنترل دیگری مانند حسگرهای زیستی می توانند برای کنترل مستقل خواص سطحی باکتری های درمانی استفاده شوند.

(ارائه شده توسط دانشکده مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه کلمبیا)