Diseño modular para terapias antitumorales basadas en bacterias usando biología sintética

Abstract

[ES] La biología sintética busca aplicar los principios de la ingeniería a los organismos vivos, con el objetivo de controlar y modular su comportamiento. Esta disciplina ha permitido el diseño y construcción de circuitos genéticos de forma racional, convirtiendo a los microorganismos en potenciales herramientas con aplicaciones en muchos campos, entre ellos la biomedicina. Por otro lado, el cáncer es un reto de la sociedad actual, con más de 18 millones de nuevos casos y casi 10 millones de muertes solo en 2018. Sin embargo, muchos de los tratamientos antitumorales actuales llevan asociados importantes efectos secundarios, derivados de la acción sistémica que ejercen muchos de estos fármacos. Por ello, es necesario el desarrollo de sistemas que permitan la acción localizada de los agentes anticancerígenos sobre el tumor, evitando o disminuyendo el daño que ejercen sobre el resto de tejidos sanos. El principal objetivo de este Trabajo Final de Grado es el diseño de una bacteria sintética enfocada al tratamiento de cáncer de pulmón no microcítico, poniendo especial atención en los requerimientos y características fundamentales que cualquier bacteria modificada debe cumplir para poder convertirse en una terapia antitumoral. Tras un exhaustivo análisis de la bibliografía científica, se han identificado seis módulos o requisitos que deben cumplir estas bacterias: (1) Módulo para la focalización tumoral; (2) Módulo para la actividad antitumoral; (3) Módulo para la liberación de moléculas (4) Módulo de memoria; (5) Módulo para la estabilidad del circuito genético; y (6) Módulo para la biocontención. Dentro de cada módulo se han propuesto diferentes sistemas. En la segunda parte de este trabajo y basándonos en el enfoque modular expuesto previamente, se ha propuesto un diseño de bacteria sintética enfocada al tratamiento del cáncer de pulmón no microcítico. Una parte de este diseño ha sido estudiada experimentalmente: el circuito de lisis controlado por Quorum Sensing (Oscilador). Se han mejorado las condiciones experimentales relativas al cultivo de las bacterias, lográndose un comportamiento oscilatorio de la población bacteriana cuando la concentración inicial de bacterias es lo suficientemente baja. También se ha demostrado que la disminución de la población es causada por la expresión de la proteína de lisis. Además, se ha demostrado la robustez de este comportamiento en diferentes medios de cultivo, tanto de bacterias como de tumoresferas. Aunque la aplicación de la biología sintética a la medicina es muy reciente, la rápida evolución de nuevos sistemas y los avances en eficacia y seguridad aseguran un rápido crecimiento de esta disciplina en los próximos años, no solo en cáncer, sino también en una gran variedad de enfermedades, como infecciones o enfermedades inflamatorias, inmunitarias o metabólicas.

[EN] Synthetic biology pursues the application of engineering principles to design and re-design living organisms, with the aim of controlling and modulating their behavior. Synthetic biology allows us to design and construct genetic circuits in a rational way, converting microorganisms into effective tools with many applications in a wide variety of fields. Oncology, within biomedicine, is one of them. Moreover, cancer is a challenge in the current society, with more than 18 million of new cases and almost 10 million of death only in 2018. However, cancer treatment and therapies, the focus of oncology, have presently serious side effects, derived from the systemic action originated from the involved drugs. For that reason, the development of new systems providing localized action of antitumoral drugs, minimizing the damage that they cause to the healthy tissues, is essential. The main objective of this work is the design of a synthetic biology based bacterial cancer therapy, with focus on the requirements and fundamental characteristics that bacteria must accomplish to become a therapy. After an exhaustive analysis of the scientific literature, six modules or requirements have been identified that should be present in these bacteria: (1) Tumor-targeting Module; (2) Payload Module; (3) Release Module; (4) Memory Module; (5) Genetic circuit stability Module; and (6) Biocontainment Module. For each module, several systems have been proposed. In the second part of this work, a specific modular design of engineered bacteria has been proposed as a therapy against Non-Small-Cell Lung Carcinoma. A part of this design has been experimentally studied: the lysis circuit controlled by Quorum Sensing (Oscillator). We improved the experimental conditions achieving an oscillatory behavior of the bacterial population by using a low enough initial concentration of bacteria. Moreover, it has been proven that the population¿s decline is caused by the expression of the lysis protein. Finally, the robustness of the lysis circuit has been proved in several culture media, including bacteria and tumorspheres media. Although the applications of synthetic biology in medicine are almost new, the rapid development of new systems and the advance in their efficacy and security would lead to a fast growth of this discipline in the next years, not only in cancer, but applied to other many malignancies, such as infections, inflammatory, immune or metabolic disease.