合成生物学研究的一个新兴领域是开发用于诊断和治疗体内各种疾病的工程细菌。例如，基因工程工具的快速发展使研究人员能够给细胞编程使其执行各种复杂任务。科学家已经发现，基因网络可以连接在一起形成一个遗传回路，在这个循环回路中，细胞可以被设计成感知环境并调节它们的行为或产生响应的分子。
近期研究发现，许多细菌能够选择性地在肿瘤体内繁殖，促使科学家将它们设计为可编程载体，即生物体“机器人”，以提供抗癌疗法。研究人员还在开发新的智能药物，通过编程细菌来解决胃肠道疾病和感染疾病等。推进这种“活体药物”的关键是能够确定最佳治疗候选药物。
然而，缺乏生理学相关的体外测试环境以快速筛选细菌疗法限制了合成生物学研究在临床应用中的开发。尽管目前的合成生物学工具可以产生大量的程序化细胞，但依赖于动物实验的研究模式极大地限制了疗法测试的数量和速度，远远达不到为人类快速设计新疗法的能力要求，这已成为临床转化的主要瓶颈。
最近，美国哥伦比亚大学研究人员开发出一种系统，能够在一个培养皿中的微型组织内研究数十到数百个工程细菌，将研究时间从几个月缩短到几天。研究成果发表在最新出版的《美国科学院院刊》上。作为概念证明，研究团队专注于使用称为肿瘤球体（tumor spheroids）的微型肿瘤来测试抗肿瘤工程细菌。这种被称为细菌球体共培养技术（bacteria spheroids co-culture，BSCC）的速度和高通量允许肿瘤球体内的细菌稳定生长，从而能够进行长期研究。
该校的生物医学工程助理教授Tal Danino博士介绍，通过结合自动化和机器人技术，BSCC可以用于大型治疗文库测试，以发现有效的治疗方法。由于BSCC适用范围广泛，可以修改系统以测试人体样本以开发其他疗法，例如帮助在培养皿中创建患者的个性化癌症医疗环境，快速确定针对特定个体的最佳疗法。
研究人员发现，许多细菌可以在肿瘤内生长是因为那里免疫系统作用减弱，而在免疫系统活跃的肿瘤外细菌会被杀灭。受这种机制的启发，他们寻找了一种抗菌剂，可以模仿细菌在肿瘤球体外的杀灭效应。他们使用抗生素（庆大霉素）作用于在球体内生长的工程细菌。然后，他们使用BSCC技术，快速测试了由各种类型的细菌、遗传回路和治疗有效载荷组成的各种程序化抗癌细菌疗法。
研究团队成员、博士生Tetsuhiro Harimoto介绍，使用3D多细胞球体是为了便于构建人体中的环境条件，例如氧气和营养梯度，而这些在传统的2D单层细胞培养中无法实现。此外，3D球体为细菌提供了足够的生活空间，模拟细菌在体内的繁殖条件，这也是2D单层培养中无法做到的。此外，这种3D球体可以大量制造，以便更好地用于高通量筛选。
该团队使用BSCC的系统的高通量特性，快速表征工程细菌池，已发现了一种有效的结肠癌治疗方法，包括新型细菌毒素——θ毒素，结合在减毒的鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）中的最佳药物传递基因回路。他们还发现了新的细菌疗法组合，可以进一步提高抗癌疗效。
令人惊讶的是，当研究人员将BSCC实验结果与动物模型实验结果进行比较时，发现这些模型中的细菌行为很相似。他们还发现他们使用的最佳候选药物θ毒素比在此前研究中的疗法中更为有效，证明了BSCC高通量筛选的力量。
未来，研究人员希望将BSCC扩展用于表征各种疾病的细菌治疗方法，包括胃肠道疾病和感染等，最终在世界各地的诊所使用这些新的细菌疗法。
陈方 编译自https://www.genengnews.com/news/engineered-bacteria-for-disease-therapy-goes-3d/
原文标题：Engineered Bacteria for Disease Therapy Goes 3D
