Сконструированные бактерии действуют как биосенсоры для обнаружения кишечных заболеваний

Кишечные микробы, сконструированные таким образом, что их флуоресценция снижается под воздействием стресса, представляют собой неинвазивный биосенсор для отслеживания состояния кишечника у мышей в режиме реального времени.

Кишечник млекопитающих - это динамичная среда, изменения в которой могут привести к развитию заболевания. Несмотря на важность мониторинга биохимических параметров в кишечнике, наиболее часто используемыми инструментами являются инвазивные эндоскопические методы, которые предоставляют информацию только в один момент времени. Чтобы решить эту проблему, Каролина Тропини, микробиолог из Университета Британской Колумбии (Канада), и ее сотрудники создали кишечные бактерии, которые будут ослаблять свою флуоресценцию в условиях заболевания. Их система, описанная в журнале Cell, представляет собой биосенсоры, которые могут непрерывно и неинвазивно контролировать осмолярность кишечника у мышей, что свидетельствует о полезности микробиома в качестве инструмента для отслеживания состояния кишечника.

Такие кишечные факторы, как рН, солевой баланс и уровень кислорода, формируют среду кишечника, и любые изменения приводят к заболеваниям. «Понимание этих изменений в кишечнике необходимо для разработки стратегий диагностики и лечения заболеваний кишечника», - говорит Тропини. «Для этого нам нужны высокочувствительные измерения, когда эти изменения происходят, в том числе до появления симптомов. Полезные бактерии, которые естественным образом обитают в кишечнике и поддерживают его здоровье, очень чувствительны к местным условиям и эволюционировали, чтобы долго процветать в этой среде». Поэтому исследователи обратились к кишечной бактерии Bacteroides thetaiotaomicron, которой можно генетически манипулировать в лаборатории.

Обычные биосенсоры флуоресцируют в стрессовых условиях, но активаторы (промоторы) B. thetaiotaomicron не могли излучать заметные уровни свечения. Чтобы обойти эту проблему, Тропини и ее коллеги изменили систему, создав транскрипционную цепь с подавляемыми промоторами, которые включали флуоресценцию по умолчанию и выключали ее при определенных условиях. Далее исследователи попытались определить гены B. thetaiotaomicron, которые включаются в ответ на нарушения в работе кишечника, такие как осмотический стресс, когда молекулы непереваренной пищи накапливаются и втягивают воду в кишечник, вызывая диарею и воспаление. Они проанализировали транскриптомы бактерий, культивируемых в условиях высокой осмолярности, и выявили 10 генов, активность которых была повышена.

Затем исследователи сконструировали биосенсоры осмолярности, поместив промоторы этих генов в разработанную ими схему транскрипционного репортера на основе флуоресценции. По их замыслу, в нормальных условиях клетки должны были продуцировать зеленый флуоресцентный белок (GFP), а при увеличении осмотического стресса свечение должно ослабевать. В соответствии с этим штаммы биосенсоров, выращенные в среде с высокой осмолярностью, демонстрировали более низкую экспрессию GFP по сравнению с бактериями, выращенными в нормальной среде. Наконец, исследователи протестировали свою систему in vitro, скормив биосенсорные штаммы безмикробным мышам и воздействуя на животных химическими веществами, вызывающими осмотический стресс. Проточная цитометрия образцов кала животных показала, что повышенный осмотический стресс снижает интенсивность флуоресценции бактерий.

«Мы обнаружили, что биосенсор точно регистрирует осмотический стресс в кишечнике, улавливая даже тонкие изменения, которые не вызывают клинических симптомов, таких как диарея», - рассказывает Тропини. «Он оставался стабильным и реагировал на изменения в течение нескольких недель, что означает, что он может отслеживать состояние кишечника в течение длительного времени и потенциально обнаруживать заболевание до появления симптомов». Хотя резидентная микробиота может препятствовать стабильной колонизации биосенсорных штаммов in vivo, это ограничение можно преодолеть с помощью генно-инженерных подходов, отмечают авторы статьи. В целом эксперименты позволяют предположить, что ученые могут адаптировать биосенсорную систему для получения информации о других состояниях кишечника.

«Хотя на ранних этапах применения биосенсорная система, вероятно, будет использоваться для мониторинга заболеваний желудочно-кишечного тракта, долгосрочной целью является персонализированный подход, при котором можно отслеживать аспекты здоровья кишечника пациента с течением времени и выявлять ранние признаки дисбаланса или дисфункции», - отметила Тропини.