Ingénierie des bactéries pour détecter et répondre intelligemment aux états pathologiques, des infections au cancer, est devenu un axe prometteur de la biologie synthétique. Les progrès rapides des outils de génie génétique ont permis aux chercheurs de « programmer » des cellules pour effectuer diverses tâches sophistiquées. Par exemple, un réseau de gènes peut être câblé ensemble pour former un circuit génétique dans lequel les cellules peuvent être conçues pour détecter l'environnement et moduler leur comportement ou produire des molécules en réponse.

Des recherches récentes ont montré que de nombreuses bactéries colonisent sélectivement les tumeurs in vivo, incitant les scientifiques à les concevoir comme des véhicules programmables, « robots » biologiques en d'autres termes, pour délivrer des thérapies anticancéreuses. Les chercheurs développent également de nouvelles, des médicaments « intelligents » en programmant des bactéries pour lutter contre d'autres maladies, comme les maladies gastro-intestinales et les infections. La clé pour faire progresser ces « médicaments vivants » est de pouvoir identifier les meilleurs candidats thérapeutiques.

Cependant, alors que les outils actuels de biologie synthétique peuvent créer un nombre énorme de cellules programmées, La dépendance des chercheurs à l'égard des tests sur les animaux a considérablement limité le nombre de thérapies pouvant être testées et leur rapidité. En réalité, la capacité de concevoir rapidement de nouvelles thérapies pour les humains dépasse de loin le débit des tests sur les animaux, créant un goulot d'étranglement majeur pour la traduction clinique.

Les chercheurs de Columbia Engineering rapportent aujourd'hui dans PNAS qu'ils ont développé un système qui leur permet d'étudier des dizaines à des centaines de bactéries programmées au sein de mini-tissus dans une boîte, condenser le temps d'étude de mois en jours. Comme preuve de concept, ils se sont concentrés sur le test de bactéries antitumorales programmées à l'aide de mini-tumeurs appelées sphéroïdes tumoraux. La rapidité et le haut débit de leur technologie, qu'ils appellent BSCC pour "co-culture de bactéries sphéroïdes, " permet une croissance stable des bactéries au sein des sphéroïdes tumoraux permettant une étude à long terme. La méthode peut également être utilisée pour d'autres espèces de bactéries et types de cellules. L'équipe, dirigé par Tal Danino, professeur assistant en génie biomédical, dit ça, à leur connaissance, cette étude est la première à cribler et caractériser rapidement les thérapies bactériennes in vitro et sera un outil utile pour de nombreux chercheurs dans le domaine.

« Nous sommes très enthousiastes à l'idée de l'efficacité du BSCC et pensons qu'il accélérera vraiment la thérapie bactérienne modifiée pour une utilisation clinique, " dit Danino. " En combinant la technologie de l'automatisation et de la robotique, BSCC peut tester une large bibliothèque de thérapies pour découvrir des traitements efficaces. Et parce que BSCC est si largement applicable, nous pouvons modifier le système pour tester des échantillons humains ainsi que d'autres maladies. Par exemple, il nous aidera à personnaliser les traitements médicaux en créant le cancer d'un patient dans un plat, et identifier rapidement la meilleure thérapie pour l'individu spécifique."

Les chercheurs savaient que bien que de nombreuses bactéries puissent se développer à l'intérieur d'une tumeur en raison du système immunitaire réduit, les bactéries sont tuées à l'extérieur de la tumeur où le système immunitaire du corps est actif. Inspiré par ce mécanisme, ils ont recherché un agent antibactérien capable d'imiter l'effet « tueur » des bactéries à l'extérieur des sphéroïdes.

Ils ont développé un protocole pour utiliser l'antibiotique gentamicine pour faire croître des bactéries à l'intérieur de sphéroïdes qui sont similaires aux tumeurs dans le corps. En utilisant BSCC, ils ont ensuite testé rapidement une large gamme de thérapies bactériennes anticancéreuses programmées à base de différents types de bactéries, circuits génétiques, et les charges utiles thérapeutiques.

"Nous avons utilisé des sphéroïdes multicellulaires en 3D car ils récapitulent les conditions présentes dans le corps humain, tels que les gradients d'oxygène et de nutriments - ceux-ci ne peuvent pas être fabriqués dans une culture cellulaire monocouche traditionnelle en 2D, " dit l'auteur principal de l'article, Tetsuhiro Harimoto, qui est un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Danino. "En outre, le sphéroïde 3-D fournit aux bactéries suffisamment d'espace pour vivre dans son noyau, de la même manière que les bactéries colonisent les tumeurs dans le corps, aussi quelque chose que nous ne pouvons pas faire dans la culture monocouche 2-D. Plus, il est simple de fabriquer un grand nombre de sphéroïdes 3D et de les adapter pour un criblage à haut débit. »

L'équipe a utilisé le système à haut débit du BSCC pour caractériser rapidement des pools de bactéries programmées, puis pour affiner rapidement le meilleur candidat pour une utilisation thérapeutique. Ils ont découvert une thérapie puissante pour le cancer du côlon, en utilisant une nouvelle toxine bactérienne, thêta toxine, combiné à un circuit génétique optimal d'administration de médicaments dans les bactéries atténuées Salmonella Typhimurium. Ils ont également trouvé de nouvelles combinaisons de thérapies bactériennes qui peuvent améliorer encore plus l'efficacité anticancéreuse.

Les chercheurs ont comparé leurs résultats BSCC à ceux trouvés dans des modèles animaux, et ont trouvé un comportement similaire des bactéries dans ces modèles. Ils ont également découvert que leur meilleur candidat, thêta toxine, est plus puissant que les thérapies créées dans le passé, démontrant la puissance du criblage à haut débit de BSCC.

Alors que le groupe de Danino s'est concentré sur le traitement du cancer dans cette étude, ils espèrent étendre le BSCC pour caractériser les thérapies à base de bactéries pour diverses maladies, y compris les maladies gastro-intestinales et les infections. Leur objectif ultime est d'utiliser ces nouvelles thérapies bactériennes dans des cliniques du monde entier.