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# 生物学# 合成生物学

炎症をターゲットにしたエンジニアリングプロバイオティクスがIBDに効く

エンジニアードプロバイオティクスを使った新しいアプローチが、炎症性腸疾患の治療に期待できるみたい。

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目次

炎症性腸疾患(IBD)は、消化器系に炎症を引き起こす長期的な病気だよ。IBDは世界中で何百万もの人に影響を与え、慢性的な不快感や健康問題を引き起こすんだ。炎症が腸の保護膜を傷つけて、体が有害な物質や微生物に対してもっと脆弱になることがある。これが異常な免疫反応を引き起こし、体内での炎症が続く原因になるんだ。

現在のIBDの治療法は、この炎症を減らして症状を和らげることを目指しているけど、もっと正確に炎症をターゲットにできて、手頃な価格の新しい治療法が必要とされているよ。

モノクローナル抗体の役割

一つの治療法は、モノクローナル抗体を使ったもので、腫瘍壊死因子(TNFα)などの炎症を引き起こす特定のタンパク質をターゲットにするように設計されているんだ。これらの抗体はIBDの治療に非常に効果的だってことが分かってるけど、そのメリットにもかかわらず、感染に対抗する免疫システムの働きを低下させてしまうことがあって、深刻な健康問題のリスクが高まるんだ。だから、もっと効果的で安全な治療法が必要なんだよ。

エンジニアリングされたプロバイオティクスによる新しいアプローチ

エンジニアリングされたプロバイオティクスは、従来の治療の課題に対する革新的な解決策を提供してくれるんだ。プロバイオティクスは、腸の健康を改善するのに役立つ善玉菌のことだよ。特に、エシェリヒア・コリ ニッスル1917(EcN)という株は、人間の腸にも存在していて、腸の病気の治療に使われているんだ。この株は抗炎症作用を示すので、腸の問題に対するターゲット療法を開発するのに適した候補なんだ。

この数年間、研究者たちはEcNを改良して、腸内で治療物質を直接生成する手助けをしてきたけど、炎症の際に特定の信号に基づいてこれらの治療分子の生産を調整できるもっと進化したシステムが必要なんだ。

私たちの研究開発

このニーズに応えるために、私たちはEcNの中に腸炎の治療として機能する新しい遺伝子システムを設計・開発したよ。このシステムは、炎症が起きている場所で増加する小さな分子、一酸化窒素NO)を検知して、TNFαに結合して炎症を減少させるナノボディという特定のタンパク質を生産するんだ。

これまでの努力では、NOのような特定のバイオマーカーの存在に基づいて反応するためのコントロールが不足してたんだ。私たちの研究は、より良いシステムの必要性を強調し、NOをトリガーとして使用することに焦点を当てた有望なアプローチを提示しているよ。

一酸化窒素と炎症における役割

一酸化窒素は、体内、特に腸の細胞で炎症時に生成される分子だよ。炎症のある部位ではその濃度が上がるから、炎症の信頼できる指標になるんだ。この特性のおかげで、NOは治療アプローチの優れたターゲットなんだ。

私たちの研究で使用したエンジニアリングされたNOバイオセンサーは、NOレベルにリアルタイムで反応するように改良されたシステムに基づいているんだ。このシステムを通じて、NOが検出されるとナノボディの生産が活性化されて、局所的な炎症治療が可能になるんだ。

ナノボディってなに?

ナノボディは、TNFαなどの特定のターゲットに結合できる小さなタンパク質なんだ。サイズが小さいから、組織に浸透しやすく、従来の抗体よりも安定しているんだ。EcNでこれらのナノボディをエンジニアリングすることで、腸内で生産してTNFαをターゲットにできるんだ。これはIBDに関連する炎症を管理するのに重要なんだよ。

以前の研究では、これらのナノボディは体内での免疫反応を最小限に抑えるようにカスタマイズできることが示されているから、安全な治療オプションとして期待できるんだ。

ナノボディを生産するためのシステムのエンジニアリング

私たちは、NOレベルに応じてTNFαをターゲットにするナノボディを生産・分泌する方法を開発したよ。このシステムは二つの部分から成り立っていて、一つはNOを感知し、もう一つは腸内にナノボディを分泌することを可能にするんだ。

私たちのシステムをテストするために、最も効果的なNOセンサーのいくつかのバージョンを作成したんだ。これらのセンサーはNO濃度の変化に反応して働いて、炎症が起きるとナノボディの生産をトリガーするんだ。

広範囲なテストの後、私たちはこのシステムがNOに応じて幅広いナノボディを生産できることを成功裏に示したよ。また、これらのナノボディが周囲の環境に効果的に分泌され、TNFαと結合して炎症を減少させることが確認できたんだ。

実験の結果

いくつかの実験を通じて、私たちはナノボディの機能を検証したよ。これらのナノボディが、実験室の環境でTNFαに効率的に結合できることが分かって、臨床で使用されている既存の治療法と同等の効果を示したんだ。

さらに、これらのナノボディが免疫細胞に与える影響をテストしたところ、炎症マーカーが大幅に減少するのを観察したんだ。これは、私たちのエンジニアリングされたプロバイオティクスがIBDに悩む人々にとって治療的アプローチとして機能する可能性があることを示唆しているよ。

分泌システムの重要性

EcN細菌がナノボディを効果的に届けるためには、それを腸内に分泌できる必要があるんだ。私たちは、ナノボディが効率的に放出されることを保証する特別な分泌システムを利用したよ。このアプローチにより、プロバイオティクスが必要な場所で直接治療化合物を生成できるんだ。

結果として、ナノボディがEcNから成功裏に分泌され、TNFαに結合する能力を維持できることが示されたんだ。これは治療的作用にとって非常に重要なんだ。

数理モデルの開発

私たちのエンジニアリングされたシステムをより理解し、現実のシナリオでの性能を予測するために、数理モデルを構築したよ。このモデルは、私たちのエンジニアリングされたプロバイオティクスと腸内の炎症との相互作用をシミュレーションしていて、NO濃度やTNFαレベルの動態などの重要なパラメータに焦点を当てているんだ。

このモデルを使って、効果的な炎症治療を実現するために必要な細菌数を推定できたよ。約20細菌/mm²あれば、期待されるTNFαレベルのもとで十分なカバレッジを提供できることが分かったんだ。しかし、TNFαの濃度が増加すると、より高い細菌密度が必要になることが分かって、治療に比例したアプローチが必要だということが示唆されたんだ。

課題と今後の方向性

有望な結果が出たにもかかわらず、これらの知見を現実の状況に応用する道は多くの課題があるんだ。エンジニアリングされたプロバイオティクスの効果を複雑な腸の環境で維持することが重要なんだ。細菌内の資源配分や進化の変化などの要因が、これらの治療の持続可能性に影響を与える可能性があるよ。

さらに、エンジニアリングされたプロバイオティクスと免疫システム之间の相互作用を完全に理解するためには、さらなる詳細な研究が必要なんだ。長期的な安全性と効果を確保するためにもね。

これらの治療のデリバリーと安定性を改善するための努力は続けなければならないんだ。戦略として、細菌のゲノムに遺伝子回路を組み込んで、長期的な発現と機能を確保することが考えられるよ。

結論

要するに、私たちの研究は、エンジニアリングされたプロバイオティクス、特にEcNのIBDの炎症管理における治療オプションとしての大きな可能性を強調しているんだ。NOレベルに応じて反応することで、これらのエンジニアリングシステムはTNFαをターゲットにするナノボディを生産できて、患者にとって局所的かつより安全な治療が提供できるんだ。

私たちの実験の結果と数理モデルの開発は、腸に関連する病気を治療するための合成生物学の将来に希望を持たせるよ。課題は残っているけど、プロバイオティクス工学の分野は急速に進化していて、新しい洞察や応用が次々に現れているんだ。この研究は、慢性的な炎症性疾患に苦しむ人々の生活の質を向上させるための革新的で効果的な治療法に向けた大きな動きに寄与しているんだ。

オリジナルソース

タイトル: Engineering a novel probiotic toolkit in Escherichia coli Nissle1917 for sensing and mitigating gut inflammatory diseases

概要: Inflammatory Bowel Disease (IBD) is characterized by chronic intestinal inflammation with no cure and limited treatment options that often have systemic side effects. In this study, we developed a target-specific system to potentially treat IBD by engineering the probiotic bacterium Escherichia coli Nissle 1917 (EcN). Our modular system comprises three components: a transcription factor-based sensor (NorR) capable of detecting the inflammation biomarker nitric oxide, a type 1 hemolysin secretion system, and a therapeutic cargo consisting of a library of humanized anti-TNF nanobodies. Despite a reduction in sensitivity, our system demonstrated a concentration-dependent response to nitric oxide, successfully secreting functional nanobodies with binding affinities comparable to the commonly used drug Adalimumab, as confirmed by ELISA and in vitro assays. This newly validated nanobody library expands EcN therapeutic capabilities. The adopted secretion system, also characterized for the first time in EcN, can be further adapted as a platform for screening and purifying proteins of interest. Additionally, we provided a mathematical framework to assess critical parameters in engineering probiotic systems, including the production and diffusion of relevant molecules, bacterial colonization rates, and particle interactions. This integrated approach expands the synthetic biology toolbox for EcN-based therapies, providing novel parts, circuits, and a model for tunable responses at inflammatory hotspots. Graphical abstract O_FIG O_LINKSMALLFIG WIDTH=166 HEIGHT=200 SRC="FIGDIR/small/599326v1_ufig1.gif" ALT="Figure 1"> View larger version (31K): [email protected]@1bb2ae1org.highwire.dtl.DTLVardef@fc1fcborg.highwire.dtl.DTLVardef@8b5f7f_HPS_FORMAT_FIGEXP M_FIG C_FIG Graphical Table of Contents. The engineered probiotic system: Inflamed intestinal cells release the inflammatory regulator TNF (depicted as red squares), which promotes inflammation through a positive feedback loop. Concurrently, these cells produce large amounts of nitric oxide (NO, represented by yellow circles) during inflammation. Our custom-engineered EcN biosensor can detect NO using a NorR-based sensor (in purple) and subsequently trigger the production of nanobodies (in turquoise). These nanobodies are then released into the extracellular environment via a specially engineered secretion system in the bacterial host (shown in dark blue). Once outside the cell, the nanobodies attach to TNF, effectively sequestering them and reducing inflammation. The graph at the bottom of this panel illustrates the general behavior of our system: nanobody production starts upon reaching a certain NO concentration threshold and continues in an NO-dependent fashion. As nanobodies are produced, they capture TNF, leading to a reduction in inflammation and a decrease in NO production. This decrease in NO then halts the nanobody production. SignificanceProbiotics can be engineered to detect and act upon extracellular disease indicators, optimizing therapeutic outcomes. Particularly, self-regulating sense-and-respond genetic circuits have the potential to enhance the accuracy, efficacy, and adaptability of treatment interventions. In this study, we developed and characterized a new integrated and modular toolkit that detects a gut inflammation biomarker, specifically nitric oxide, and responds to it in an inducible manner by secreting humanized nanobodies targeting the pro-inflammatory molecule TNF. We also develop a coarse-grained mathematical framework for modelling engineered probiotic activity in the gut. This novel system contributes to current efforts to develop new engineered probiotic systems and holds promise for inspiring new treatments for gut inflammation associated with various autoimmune diseases.

著者: Cauã Antunes Westmann, N. Weibel, M. Curcio, A. Schreiber, G. Arriaga, M. Mausy, J. Mehdy, L. Brüllmann, A. Meyer, L. Roth, T. Flury, V. Pecina, K. Starlinger, J. Dernic, K. Jungfer, F. Ackle, J. Earp, M. Hausmann, M. Jinek, G. Rogler

最終更新: 2024-06-17 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.17.599326

ソースPDF: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.06.17.599326.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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