В научно-фантастическом фильме 1966 года «Фантастическое путешествие» подводная лодка уменьшена и введена в тело ученого, чтобы восстановить тромб в его мозгу. Хотя фильм все еще может быть вымыслом, исследователи из Калифорнийского технологического института делают успехи в этом направлении: они впервые создали бактериальные клетки со способностью отражать звуковые волны, напоминающие то, как подводные лодки отражают сонар, чтобы определить свое местоположение.
Конечная цель состоит в том, чтобы иметь возможность вводить терапевтические бактерии в организм пациента - например, в качестве пробиотиков для лечения заболеваний кишечника или в качестве целенаправленного лечения опухолей - а затем использовать ультразвуковые аппараты для воздействия на инженерные бактерии с помощью звуковые волны для создания изображений, которые показывают местонахождение микробов. Снимки позволили бы врачам узнать, дошло ли лечение до нужного места в организме и работает ли оно должным образом.
«Мы проектируем бактериальные клетки, чтобы они могли отражать звуковые волны обратно к нам и сообщать нам свое местоположение, как корабль или подводная лодка рассеивают сонар, когда другой корабль ищет его», - говорит Михаил Шапиро, доцент. химического машиностроения, стипендиат Шлингера и исследователь Института медицинских исследований наследия. «Мы хотим иметь возможность спрашивать бактерии: «Где ты и как дела?» Первый шаг - научиться визуализировать и находить клетки, а следующий шаг - общаться с ними."
Результаты будут опубликованы в номере журнала Nature от 4 января. Ведущий автор - Рэймонд Бурдо, бывший научный сотрудник лаборатории Шапиро.
Идея использования бактерий в качестве лекарства не нова. Пробиотики были разработаны для лечения заболеваний кишечника, таких как раздражение кишечника, и некоторые ранние исследования показали, что бактерии можно использовать для нацеливания и уничтожения раковых клеток. Но визуализировать эти бактериальные клетки, а также общаться с ними - как для сбора информации о том, что происходит в организме, так и для того, чтобы дать бактериям инструкции о том, что делать дальше - пока невозможно. Методы визуализации, основанные на свете, такие как фотографирование клеток, помеченных «геном-репортером», который кодирует зеленый флуоресцентный белок, работают только в образцах тканей, взятых из организма. Это связано с тем, что свет не может проникнуть в более глубокие ткани, такие как кишечник, где могут находиться бактериальные клетки.
Шапиро хочет решить эту проблему с помощью ультразвуковых методов, потому что звуковые волны могут проникать глубже в тела. Он говорит, что около шести лет назад у него случилась озарение, когда он узнал о газонаполненных белковых структурах обитающих в воде бактерий, которые помогают регулировать плавучесть организмов. Шапиро предположил, что эти структуры, называемые газовыми везикулами, могут отражать звуковые волны таким образом, что их можно отличить от других типов клеток. Действительно, Шапиро и его коллеги продемонстрировали, что газовые везикулы можно визуализировать с помощью ультразвука в кишечнике и других тканях мышей.
Следующей целью команды был перенос генов, отвечающих за создание газовых везикул, из обитающих в воде бактерий в другой тип бактерий - кишечную палочку, которая обычно используется в микробной терапии, такой как пробиотики.
«Мы хотели научить бактерии кишечной палочки самим создавать газовые пузырьки», - говорит Шапиро. «Я хотел сделать это с тех пор, как мы осознали потенциал газовых везикул, но по пути мы столкнулись с некоторыми препятствиями. Когда мы, наконец, заставили систему работать, мы были в восторге."
Одной из проблем, с которой столкнулась команда, был перенос генетического механизма газовых пузырьков в кишечную палочку. Сначала они попытались перенести гены газовых везикул, выделенные из обитающей в воде бактерии Anabaena flos-aquae, но это не сработало - кишечная палочка не смогла создать везикулы. Они попытались снова, используя гены газовых пузырьков от более близкого родственника кишечной палочки, бактерии под названием Bacillus megaterium. Это тоже не удалось, потому что образовавшиеся пузырьки газа были слишком малы, чтобы эффективно рассеивать звуковые волны. Наконец, команда попробовала смешать гены обоих видов - и это сработало. E. coli самостоятельно образовывала газовые пузырьки.
Гены газовых везикул кодируют белки, которые действуют как кирпичи или краны при построении окончательной структуры везикул - некоторые белки являются строительными блоками везикул, а некоторые помогают в сборке структур. «По сути, мы выяснили, что нам нужны кирпичи из Anabaena flos-aquae и журавли из Bacillus megaterium, чтобы E.coli, чтобы иметь возможность производить газовые пузырьки», - говорит Бурдо.
Последующие эксперименты группы показали, что сконструированную кишечную палочку действительно можно визуализировать и обнаружить в кишечнике мышей с помощью ультразвука.
«Это первый акустический ген-репортер для использования в ультразвуковой визуализации», - говорит Шапиро. «Мы надеемся, что в конечном итоге он сделает для ультразвука то же, что зеленый флуоресцентный белок сделал для методов визуализации, основанных на свете, а именно: он действительно произведет революцию в визуализации клеток способами, которые раньше были невозможны».
Исследователи говорят, что технология скоро должна стать доступной для ученых, которые проводят исследования на животных, хотя потребуется еще много лет, чтобы разработать метод для использования на людях.
Исследование Nature под названием «Акустические репортерные гены для неинвазивной визуализации микробов у млекопитающих-хозяев» финансировалось Национальным институтом здравоохранения, Канадским институтом исследований в области здравоохранения, фондом Burroughs Wellcome Fund, стипендией Packard Fellowship, Стипендия Пью, Институт медицинских исследований наследия, Национальный научный фонд и Совет по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады. Среди других авторов Калифорнийского технологического института - техник-исследователь Одри Ли Госселин, аспиранты Анупама Лакшманан, Араш Фархади, Шриприя Равиндра Кумар и бывший студент бакалавриата Сучита Нети (BS '17).