Синтетическая биология для контроля роста бактерий и высвобождения лекарств

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и Массачусетского технологического института (MIT) разработали стратегию применения синтетической биологии в терапии. Подход позволяет осуществлять постоянное производство и высвобождение лекарств в очагах заболеваний у мышей, одновременно ограничивая со временем размер популяции бактерий, сконструированных для производства этих лекарств. Результаты опубликованы 20 июля в онлайн-выпуске журнала Nature.

Группа под руководством профессора биоинженерии и биологии Джеффа Хасти из UCSD сконструировала клинически значимую бактерию для производства противораковых препаратов с последующим самоуничтожением и высвобождением лекарств в месте опухоли. Затем команда передала бактериальную терапию коллегам из MIT для тестирования на животной модели колоректальных метастазов. Эта работа представляет собой кульминацию четырёх предыдущих статей в Nature от группы UCSD, описывающих систематическую разработку инженерных генетических часов и синхронизацию.

Новое исследование предлагает терапевтический подход, минимизирующий повреждение окружающих клеток.

«В синтетической биологии одна из целей терапии — воздействовать на очаги заболевания и минимизировать ущерб», — сказал профессор Джефф Хасти. Он задался вопросом, можно ли создать генетическую «убивающую» схему для контроля популяции бактерий in vivo, ограничивая их рост. «Мы также хотели доставить значительный терапевтический груз к месту заболевания».

Для этого его команда синхронизировала бактерии для выбросов известных противораковых препаратов, когда бактериальная колония самоуничтожается в опухолевой среде. Использование бактерий для доставки лекарств in vivo привлекательно, поскольку обычная химиотерапия не всегда достигает внутренних областей опухоли, в то время как бактерии могут там колонизировать. Важно, что исследователи наблюдали, что комбинация химиотерапии и продуктов генов, производимых бактериальной схемой, последовательно уменьшала размер опухоли.

«Новая работа Джеффа Хасти и команды — блестящая демонстрация того, как теория в синтетической биологии может привести к клинически значимым достижениям», — сказал Джим Коллинз, профессор MIT, известный как один из основателей области синтетической биологии.

Ограничение бактериальной популяции

Для наблюдения за динамикой популяции бактерий исследователи разработали специальные микрофлюидные устройства для тщательного тестирования перед исследованиями на животных моделях заболеваний. В соответствии с инженерным замыслом они наблюдали циклирование бактериальной популяции, которое успешно ограничивало общий рост, одновременно позволяя производить и высвобождать закодированный груз. Когда бактерии были снабжены геном, запускающим производство терапевтического агента, синхронизированный лизис бактериальной колонии показал способность убивать человеческие раковые клетки. Это первая инженерная генная схема в синтетической биологии, достигшая этих целей.

«В этой статье мы описываем схему, содержащую ген, который кодирует небольшую молекулу, способную диффундировать между клетками и включать гены», — сказал Омар Дин, ведущий автор статьи и аспирант по биоинженерии в группе Хасти. «Как только популяция достигает критического размера — несколько тысяч клеток — концентрация этой молекулы в клетках становится достаточно высокой, чтобы вызвать массовую транскрипцию генов за промотором».

Молекула AHL известна своей способностью координировать экспрессию генов в бактериальной колонии. После активации включаются и гены, управляемые промотором, включая сам ген, производящий AHL. Благодаря этой положительной обратной связи, чем больше накапливается AHL, тем больше её производится. Поскольку AHL достаточно мала, чтобы диффундировать между клетками и включать промотор в соседних клетках, гены, активируемые ею, также будут производиться в больших количествах, что приводит к явлению, известному как чувство кворума. Бактерии используют чувство кворума, чтобы сообщать друг другу о размере своей популяции и соответствующим образом регулировать экспрессию генов.

Дин использовал чувство кворума как инженерный инструмент для синхронизации клеток, а затем добавил ген уничтожения, который заставляет клетки разрываться (лизироваться), когда колония достигает порогового размера. После массового самоуничтожения несколько клеток остаются, чтобы восстановить популяцию, и результирующая динамика популяции становится циклической.

«Схема лизиса изначально задумывалась для использования в качестве водного биосенсора, но впоследствии стало ясно, что захватывающим применением может быть скоординированное высвобождение лекарств, когда бактерии лизируются in vivo», — сказал Хасти.

Поиск правильной комбинации лекарств

Затем исследователям нужно было найти подходящий препарат для доставки бактериями. Они протестировали три различных терапевтических белка, которые, как было показано, уменьшают опухоли. Тесты показали, что белки наиболее эффективны в комбинации. Они поместили гены, ответственные за эти белки, в схему вместе с геном лизиса. Затем эксперименты с клетками HeLa показали, что производится достаточно белка, чтобы убивать раковые клетки.

Тестирование терапии на мышах проводил выпускник UCSD по биоинженерии Тал Данино, когда он был постдоком в исследовательской группе Сангиты Бхатии в MIT. Данино теперь профессор Колумбийского университета.

Сначала бактерии вводили мышам с привитой подкожной опухолью. Эта модель мыши использовалась для визуализации бактериальной популяции in vivo и наблюдения за её динамикой. Результатом стало уменьшение размера опухоли. Затем Данино использовал более продвинутую модель мыши с метастазами в печени, где бактерии скармливались мышам. После тестирования комбинации сконструированных бактерий и химиотерапии на этой модели исследователи обнаружили, что комбинированная терапия продлевала выживаемость мышей по сравнению с каждой терапией по отдельности.

Исследователи отмечают, что этот новый подход ещё не вылечил ни одну мышь. Они обнаружили, что терапия привела к увеличению продолжительности жизни примерно на 50%, но трудно предсказать, как это может транслироваться на людей. В совокупности эксперименты на мышах устанавливают доказательство принципа использования инструментов синтетической биологии для конструирования «нацеленных на опухоль» бактерий для доставки терапевтических белков in vivo.

Разработка стратегии

Новая статья в Nature демонстрирует использование чувства кворума для ограничения роста бактериальной популяции и высвобождения лекарств. В предыдущих статьях в Nature лаборатория Хасти показала, как сконструированные клеточные колебания могут координироваться внутри бактериальной колонии и даже между тысячами взаимодействующих колоний.

«Эта статья описывает высокоинновационную стратегию применения синтетической биологии для превращения бактерий в оружие», — сказал Берт Фогельштейн, директор Центра Людвига в Университете Джонса Хопкинса и пионер в области геномики рака.

Следующие возможные шаги включают исследование естественного присутствия бактерий в опухолях с последующим конструированием этих бактерий для использования in vivo, а также использование нескольких штаммов бактерий для формирования терапевтического сообщества.

«Кроме того, мы в настоящее время исследуем методы поддержания схемы внутри бактерий», — сказал Дин. «Поскольку белки, производимые схемой, создают нагрузку на бактерии, бактерии склонны мутировать эти гены. Кроме того, существует давление отбора, чтобы избавиться от плазмид, содержащих гены, составляющие схему. Таким образом, одна из наших будущих исследовательских целей — определить стратегии стабилизации компонентов схемы в бактериях и снижения их восприимчивости к мутациям».