Manyetik alan tarafından uzamsal-zamansal manipülasyon yoluyla hassas tümör immünoterapisi için modüler tasarımlı tasarlanmış bakteriler

Soyut

Bakterilere dayalı mikro-nano biyorobotlar, tümör teşhisi ve tedavisi için büyük potansiyel göstermiştir. Bakteriyel gen ekspresyonu ve ilaç salımı, toksisiteye neden olacak şekilde sağlıklı dokularda ilaç salımından kaçınmak için uzay-zamansal olarak kontrol edilmelidir. Burada, genetik olarak modifiye edilmiş mühendislik tarafından geliştirilen, alternatif bir manyetik alanla manipüle edilmiş tümöre ev sahipliği yapan bakteriyi açıklıyoruz. Escherichia coli Fe ile3Ö4@lipid nanokompozitler. Dişi farelerde ortotopik kolon tümörlerinde biriktikten sonra, paramanyetik Fe3Ö4 nanopartiküller, tasarlanmış bakterilerin manyetik sinyalleri alıp ısıya dönüştürmesini sağlar, böylece ısıya duyarlı bir promotörün kontrolü altında lizis proteinlerinin ekspresyonunu başlatır. Tasarlanmış bakteri daha sonra parçalanır ve bakteri içinde önceden ifade edilen anti-CD47 nanobody kargosunu serbest bırakır. Bakteriyel lizatın güçlü immünojenikliği, hem doğal hem de adaptif bağışıklık tepkilerini aktive etmek için anti-CD47 nanobody ile işbirliği yaparak dişi farelerde sadece ortotopik kolon tümörlerine değil, aynı zamanda distal tümörlere karşı da güçlü antitümör etkiler üretir. Manyetik olarak tasarlanmış bakteriler ayrıca gelişmiş tümör hedeflemesi için sürekli manyetik alan kontrollü hareket sağlar ve terapötik etkinliği önemli ölçüde artırır. Böylece, tümöre ev sahipliği yapan bakterilerin gen ekspresyonu ve ilaç salma davranışı, uzay-zamansal olarak manipüle edilebilir in vivo bir manyetik alan ile, tümöre özgü CD47 blokajı ve hassas tümör immünoterapisi elde etmek.

Şekil 1. (A) Alternatif manyetik alanla manipüle edilen tümöre ev sahipliği yapan bakterilerin tasarımı ve bunun bir makine robotuyla analojisi. (B) Bir robot sisteminin beş işlevsel modülünün montajı: “aktif navigasyon”, “sinyal kod çözme”, “sinyal geri bildirimi”, “sinyal süreci” ve “sinyal çıkışı”.

Uzay-zaman manipülasyonunun önemi

Bakteriyel gen ekspresyonunun mekansal veya zamansal kontrolünün sağlanmasına ihtiyaç vardır. bu in vivo Bakteri robotlarının manipülasyonu, hastalıkların tedavisinde hayati derecede faydalı olabilir. Birinci nesil doğal bakteri bazlı kanser tedavisinden ikinci nesil genetik olarak tasarlanmış bakterilere ve ayrıca üçüncü nesil özelleştirilmiş nanomateryal destekli bakteri robotlarına kadar, terapötik bakterilerin işlevleri, umut verici terapötik etkinlik sağlamak için giderek daha karmaşık hale geliyor. Bununla birlikte, etkili stratejilerin eksikliği in vivo manipülasyon, bakteri robotlarının klinik kullanımının önündeki en büyük engellerden biridir. Doğal onkolitik suşlar için, klostridyum Ve Salmonella, bakteriyel sitotoksisite ile tümörleri gerileten, enfeksiyonla ilişkili toksisiteden kaçınmak için bu suşların normal dokulardan ziyade tümörlerde spesifik olarak kolonize olması ve çoğalması için sınırlandırılması esastır. Genetiği değiştirilmiş için Salmonella, listeria Ve klostridyumtümörlerde antitümör sitokinleri veya toksinleri eksprese edebilen protein sentezi ve salgılanmasının uzay-zamansal kontrolü, toksik ilaçların yan etkilerinden kaçınmak için esastır. Bu nedenle, farklı antikanser mekanizmalarına rağmen, bakterilerin etkili terapötik robotlar olması için hassas kontrol sistemleri çok önemlidir.

Özellikle CD47 blokaj ilacı için, bakterilerin CD47 ilacını uzay-zaman kontrollü bir şekilde salmasına izin vermek de önemlidir. CD47 ilacının kan toksisitesi yüksektir. Tümör içinde sürekli salgılanırsa ilacın kana karışarak yan etkilere neden olabilir. Klinik kullanım sırasında, nispeten yüksek toksik ve yan etkileri olan ilaçlar için, hastanın yan etkilerinin derecesine göre dozaj, uygulama sıklığı ve uygulama aralığı herhangi bir zamanda ayarlanacaktır. CD47 ilacı sürekli salınıyorsa doz ve uygulama sıklığının ayarlanması sakıncalıdır. Hastanın yan etkileri olduğunda, dozu hızlı bir şekilde azaltmak zordur. Ancak bizim yöntemimizde bakteri bir kez enjekte edildikten sonra ilaç bir kez salınır ve doz aralığı çok rahat ayarlanabilmektedir. Özetle, bakteriyel ilaç dağıtım sistemimizin avantajı, ciddi yan etkileri olan terapötik ilaçlar için çok önemli olan doz ve uygulama sıklığını ayarlama kolaylığıdır.

Ayrıca, bakteriyel lizatların CD47 blokaj ilacına büyük ölçüde fayda sağlayabileceğini gösterdik. Bakteriyel lizatlar, geçiş benzeri reseptörlerin (TLR’ler) aktivasyonu yoluyla doğuştan gelen bağışıklık hücrelerinde (örn. DC’ler) tip I IFN yolunu uyarırken, CD47 ilacı “beni yeme” sinyal yolunu bloke eder ve tümörün fagositozunu artırır. makrofajlar ve DC’ler tarafından hücreler; tip I IFN yolunun aktivasyonu ve tümör antijeninin artan alımı, sonuçta antijen sunumunu ve adaptif immün tepkileri teşvik eder. Bu sinerjistik immün aktivasyonu, sadece ortotopik kolon tümörüne değil aynı zamanda abskopal subkütan tümöre karşı da mükemmel bir antitümör etkisi oluşturdu.

Şekil 2. Bakteriyel lizatların neden olduğu potansiyel bağışıklık tepkilerinin gösterimi. (A) Alternatif manyetik alan (AMF), kolon tümörlerinde bakterilerin parçalanmasına neden olur. (B) Bakteriyel lizatlar, makrofajları, nötrofilleri, doğal öldürücü (NK) hücreleri ve/veya dendritik hücreyi (DC’ler) toplar ve/veya etkinleştirir. Anti-CD47 nanobody’nin (CD47nb) salınması, “Beni yeme” yolunu bloke eder ve tümör hücrelerinin makrofajlar tarafından fagositozunu arttırır. (C) Bakteriyel lizatlar ayrıca tip I IFN yolunu ve adaptif bağışıklığı aktive eder. TLR’ler, Toll benzeri reseptörler.

Manyetik alan tarafından uzay-zaman manipülasyonunun avantajı

Bakteriyel gen ifadesinin kontrol edilmesi in vivo manyetik alana göre, önceki mevcut yaklaşımlara kıyasla önemli avantajlar sergiledi. İndüklenebilir promotörler, bakteriyel gen ekspresyonunu kontrol etmek için yaygın stratejilerden biridir. Hipoksi ve düşük pH ile indüklenebilir promotörler (örn., fumarat ve nitrat indirgemesi) [FNR] sistem), bakteri aktivitesinin uzamsal kontrolünü sağlamak için katı tümörlerin hipoksik veya asidik mikro ortamına yanıt verebilen bakterilere dahil edilmiştir; ancak yine de bu sistemlerle zamansal kontrol sağlamak mümkün değildir. Öte yandan, ekzojen olarak uygulanan transkripsiyonel indükleyiciler (L-arabinoz, asetil salisilik asit veya tetrasiklinler), mekansal kontrol elde edememekle birlikte, bakteriyel aktivitenin geçici kontrolünü elde etmek için bakteriyel kolonizasyonu veya gen ekspresyonunu kontrol etmek için karşılık gelen indüklenebilir promotörleri sıkı bir şekilde düzenleyebilir. Radyasyonla indüklenebilir promotörler (örn. RecA) eş zamanlı olarak zamansal ve uzamsal kontrol sağlayabilir, ancak normal dokularda ve bakterilerde radyasyon hasarına yol açar (Doğa İnceleme Kanseri 2018, 18, 727-743; Doğa İncelemeleri Kanser 2010, 10, 784-793). Mavi ışıkla uyarılabilen promotörler (örn. pDawn) ayrıca zamansal ve uzamsal kontrolü etkileyebilir, ancak mavi ışığın dokuya nüfuz etmesi bir milimetreden daha kısadır (Hücre Raporları 2021, 36, 109690). Manyetik alan, ışıkla karşılaştırıldığında üstün doku penetrasyonuna sahiptir ve radyasyonla karşılaştırıldığında neredeyse zararsızdır (Gelişmiş İlaç Verme İncelemesi 2019, 138, 326-343). Manyetik alan aynı zamanda, hipoksiya-/pH-indüklenebilir promotörlerin aksine, istilacı olmayan, gerçek zamanlı, uzay-zamansal ve ekzojen manipülasyon elde etme avantajlarına sahiptir. Bu nedenle Manyetik alan, ışık, radyasyon ve diğer indüklenebilir promotörlerle karşılaştırıldığında önemli avantajlara sahiptir.

Uzamsal-zamansal olarak gen ifadesini kontrol etme yöntemimiz in vivo muhtemelen çeşitli senaryolarda umut verici bir uygulamaya sahiptir. Optogenetik, nörobiyolojinin tüm alanını ilerleten ışık kapılı iyon kanallarına sahip hücreleri transfekte ederek nöronların ışık kontrolünü sağlar. Bununla birlikte, optogenetik etrafındaki mevcut yöntemler invazivdir, beyne fiber optik implantasyonu gerektirir. Manyetogenetik, manyetik alanları kullanarak nöronların non-invaziv modülasyonunu başarabilir, ancak demir bağlayıcı protein olan ferritini nöron zarındaki geçici reseptör potansiyeli (TRP) kanallarına birleştirme yöntemi, fizik ilkelerine aykırı olduğu için sorgulanmıştır. (Doğa Yöntemleri 2016, 13, 900-901). El yazmasında anlattığımız yöntem, manyetik alanları kullanarak nöronların modülasyonunu sağlamak için olası bir mekanizma sağladı. Sadece birkaç ay önce, Jacob T. Robinson et al. sıcaklığa duyarlı iyon kanallarının manyetik nanoparçacık ısıtmasını kullanan benzer bir çalışma, derin doku uygulamaları için nöronların uzaktan, invaziv olmayan aktivasyonunu sağlar (Doğa Malzemeleri 2022, 21, 951–958), bildirilen yöntemimizin büyük faydasını gösteriyor. Ayrıca “Tartışma” bölümünde kimerik antijen reseptörü T hücrelerinin (CAR-T hücreleri) aktivitesini kontrol etmeye yönelik potansiyel uygulamasını da tanımladık. Tasarlanmış T hücrelerinin aktivasyonunun manyetik alan manipülasyonu, muhtemelen geliştirilmiş hedef üstü tümör dışı aktivite ve hafifletilmiş yan etkiler ile daha güvenli hücre terapilerinin tasarımını kolaylaştırır. CAR-T hücreleri için başvuru şu ana kadar bildirilmemiştir.

Yöntemimizin bir diğer önemli avantajı da alternatif manyetik alan (AMF) ile yönetilen bakterilerin (AMF-Bac) sabit manyetik alan (CMF) kontrollü hareket elde edebilmesidir. Fe’nin ferromanyetizması3Ö4 nanoparçacıklar, AMF-Bac’ın CMF’de yönlü hareketini sağlar. CMF’nin rehberliğinde daha fazla AMF-Bac tümörleri hedefleyebilir. CMF kontrollü hareket ve AMF kontrollü ilaç salımının sıralı kombinasyonu, AMF-Bac’in terapötik etkinliğini önemli ölçüde artırabilir. Spesifik olarak, AMF-Bac, uygulamadan sonra CMF’nin rehberliğinde tümörlere doğru taraflı ve yönlü hareket sergileyebilir; AMF-Bac, tümörlere ulaştıktan sonra, terapötik kargoyu (CD47 blokaj ilacı) serbest bırakmak üzere bakteriyel lizis için BLP’lerin (bakteriyel lizis proteinleri) gen ekspresyonunu başlatabilir.

Çalışmamızla ilgili daha fazla ayrıntı için lütfen şu orijinal makaleye bakın: “Manyetik alanla uzay-zaman manipülasyonu yoluyla hassas tümör immünoterapisi için modüler tasarımlı tasarlanmış bakteriler” Doğa İletişimi.

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir