使用超声波到体内图像细菌:声学报告基因

由贝丝学会主席

Beth Kenkel.

知道细菌位于其宿主内的位置通常是理解他们在健康和疾病中的作用的关键。研究人员已经开发出来的细菌在活的有机体内利用荧光团和荧光素酶实时跟踪细菌的细菌报告者,但这些报告者都有其缺点。声学报告基因(args)克服这些限制,使用气体囊泡报告可检测一种廉价且广泛使用的成像平台:超声波。

细菌体内成像的声报告基因

挑战在活的有机体内与现有的细菌记者进行成像

  • 有限的信号/成像深度:荧光记者并不适用于身体深处的成像器官,如胃肠道。

  • 需要施用底物:一些荧光素酶报告称,例如雷农荧光素酶(Rluc)或纳米,需要注射基材以产生生物发光。因此,当试图解释来自这些记者的信号时,底物药代动力学和生物分布引入了额外的混杂因素。

  • 缺乏解剖背景/空间本地化:在活的有机体内与荧光或生物发光记者的成像通常只检测记者的信号,并且未能确定该信号来自的组织或器官。

声学报告基因(args)

声学报告基因(ARGs)是一种工程基因簇,编码形成细菌气体囊泡的蛋白质。这些长约200nm的囊泡内部是中空的,有一个蛋白质外壳,可以排除水,但可以透气。这些囊泡主要被居住在水中的光合细菌和古细菌用来调节它们的浮力。

夏皮罗实验室最近发现气体囊泡也散射声波,因此在超声成像中产生信号。超声是一个有吸引力的成像平台在活的有机体内成像实验由于超声设备价格低廉,可广泛使用,并具有深层组织渗透性和高空间分辨率。

通过将来自两种不同细菌的气体囊泡操纵子的基因拼接在一起,Bourdeau等人创造了两种优化表达的结构大肠杆菌:声学基因1(arg1.)和声学基因2(arg2.)。关键差异arg1.arg2.囊泡是折叠它们所需的声波压力的量:arg2.囊泡在低于arg1.囊泡。在崩溃之后,囊泡是不可见的超声波,这允许差异化arg1.arg2.超声波信号。这也意味着,如果细菌连续暴露在足够高的声脉冲中,第一次崩溃,多路复用是可能的arg2.然后arg1.囊泡。通过比较超声图像预崩溃和崩溃后arg2.然后arg1.,每个arg的不同的超声指纹都可以检测到。Bourdeau等人称这种方法声学崩溃。重要的是,声学塌陷不会影响细菌活力,并且声学塌陷后20小时的生长大肠杆菌重新表达arg1.气泡,恢复超声波信号。

使用声学报告基因在活的有机体内成像

下列的在体外表征,Bourdeau等人进行了概念验证实验,以展示arg的最令人兴奋的应用:在活的有机体内成像。具体来说,arg1.表达大肠杆菌在小鼠胃肠道的超声成像中辅助。这大肠杆菌尼索197 (ECN)菌株之所以被用于这些实验,是因为它是一种可以在哺乳动物肠道内定居的益生菌菌株,100年来一直用于临床治疗肠道感染和炎症。在这些实验中,arg1.将表达的ECN注入小鼠结肠,通过超声波成像,并且与用ECN表达的小鼠相比,图像相比勒克斯arg1.勒克斯记者都允许可视化细菌,但是勒克斯成像仅显示细菌本地化到小鼠腹部的某个地方。arg1.然而,信号可以覆盖在解剖学超声成像上,以显示细菌在内部器官内部化的位置。检测限arg1.表达ECN是109.细胞/ ml,其在范围内〜1011.每克粪便为人类的共谋细菌。Bourdaeu等人也使用过arg1.在活的有机体内图像肿瘤归巢S. Typhimurium.菌株elh1301

Bourdaeu等认为这只是args发展的开始,并且已经开发了一种用于串行声学崩溃的高通量筛选方法,以帮助开发具有新的声学表型的Arg构建体。想要开始使用声学记者进行研究吗?arg1.arg2.质粒可从Addgene!


参考文献

1 Bourdeau, R.W., Lee-Gosselin, A., Lakshmanan, A., Farhadi, A., Kumar, s.r., Nety, S.P., & Shapiro, M.G.(2018)。哺乳动物宿主微生物非侵入性成像的声学报告基因。自然,55386-90。PubMed.PMID:29300010

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