Forskere designer bakterier til at reflektere sonarsignaler til ultralydsbilleddannelse

I science fiction-filmen Fantastic Voyage fra 1966, en ubåd bliver krympet og sprøjtet ind i en videnskabsmands krop for at reparere en blodprop i hans hjerne. Selvom filmen muligvis stadig er fiktion, forskere ved Caltech gør fremskridt i denne retning:de har, for første gang, skabte bakterieceller med evnen til at reflektere lydbølger, minder om, hvordan ubåde reflekterer ekkolod for at afsløre deres placeringer.

Det ultimative mål er at kunne injicere terapeutiske bakterier i en patients krop – f.eks. som probiotika til at hjælpe med at behandle sygdomme i tarmen eller som målrettede tumorbehandlinger – og brug derefter ultralydsmaskiner til at ramme de konstruerede bakterier med lydbølger for at generere billeder, der afslører mikrobernes placering. Billederne ville fortælle lægerne, om behandlingerne nåede det rigtige sted i kroppen og virkede korrekt.

"Vi konstruerer bakteriecellerne, så de kan kaste lydbølger tilbage til os og fortælle os deres placering, som et skib eller en ubåd spreder sonar, når et andet skib leder efter det, " siger Mikhail Shapiro, adjunkt i kemiteknik, Schlinger Scholar, og Heritage Medical Research Institute Investigator. "Vi vil gerne være i stand til at spørge bakterierne, 'Hvor er du, og hvordan har du det?' Det første skridt er at lære at visualisere og lokalisere cellerne, og næste skridt er at kommunikere med dem."

Resultaterne vil blive offentliggjort i tidsskriftets 4. januar-udgave Natur . Hovedforfatteren er Raymond Bourdeau, en tidligere postdoc i Shapiros laboratorium.

Tanken om at bruge bakterier som medicin er ikke ny. Probiotika er udviklet til behandling af tarmsygdomme, såsom irritabel tarmsygdom, og nogle tidlige undersøgelser har vist, at bakterier kan bruges til at målrette og ødelægge kræftceller. Men at visualisere disse bakterieceller såvel som at kommunikere med dem - både for at indsamle oplysninger om, hvad der sker i kroppen og give bakterierne instruktioner om, hvad de skal gøre nu - er endnu ikke muligt. Billeddannelsesteknikker, der er afhængige af lys - såsom at tage billeder af celler mærket med et "reporter-gen", der koder for grønt fluorescerende protein - virker kun i vævsprøver fjernet fra kroppen. Dette skyldes, at lys ikke kan trænge ind i dybere væv som tarmen, hvor bakteriecellerne ville opholde sig.

Shapiro ønsker at løse dette problem med ultralydsteknikker, fordi lydbølger kan rejse dybere ind i kroppen. Han fortæller, at han havde et eureka-øjeblik for omkring seks år siden, da han lærte om gasfyldte proteinstrukturer i vandlevende bakterier, der hjælper med at regulere organismernes opdrift. Shapiro antog, at disse strukturer, kaldet gasvesikler, kunne sprette lydbølger tilbage på måder, der gør dem adskilt fra andre typer celler. Ja, Shapiro og hans kolleger demonstrerede, at gasvesiklerne kan afbildes med ultralyd i tarmene og andet væv hos mus.

Holdets næste mål var at overføre generne til fremstilling af gasvesikler fra de vandlevende bakterier til en anden type bakterier - Escherichia coli, som er almindeligt anvendt i mikrobiel behandling, såsom probiotika.

"Vi ville gerne undervise i E coli bakterier til selv at lave gasvesiklerne, " siger Shapiro. "Jeg har ønsket at gøre dette lige siden vi indså potentialet i gasvesikler, men vi ramte nogle vejspærringer undervejs. Da vi endelig fik systemet til at virke, vi var ekstatiske."

En af de udfordringer, holdet ramte, involverede overførslen af ​​det genetiske maskineri for gasvesikler til E coli . De forsøgte først at overføre gas-vesikelgener isoleret fra en vandlevende bakterie kaldet Anabaena flos-aquae, men dette virkede ikke - den E coli undlod at lave vesiklerne. De forsøgte igen at bruge gas-vesikelgener fra en nærmere slægtning til E coli , en bakterie kaldet Bacillus megaterium. Det lykkedes heller ikke fordi de resulterende gasvesikler var for små til effektivt at sprede lydbølger. Endelig, holdet prøvede en blanding af gener fra begge arter – og det virkede. Det E coli lavet gasvesikler på egen hånd.

Gasvesikelgenerne koder for proteiner, der fungerer som enten mursten eller kraner i opbygningen af ​​den endelige vesikelstruktur - nogle af proteinerne er vesiklernes byggesten, mens nogle hjælper med faktisk at samle strukturerne. "I bund og grund, vi fandt ud af, at vi skal bruge murstenene fra Anabaena flos-aquae og kranerne fra Bacillus megaterium for at E coli at være i stand til at lave gasvesikler, siger Bourdeau.

Efterfølgende eksperimenter fra holdet viste, at den konstruerede E coli kunne faktisk afbildes og lokaliseres i tarmene på mus ved hjælp af ultralyd.

"Dette er det første akustiske reportergen til brug i ultralydsbilleddannelse, " siger Shapiro. "Vi håber, at det i sidste ende vil gøre for ultralyd, hvad grønt fluorescerende protein har gjort for lysbaserede billeddannelsesteknikker, som virkelig skal revolutionere billeddannelsen af ​​celler på måder, der ikke var mulige før."

Forskerne siger, at teknologien snart bør være tilgængelig for forskere, der forsker i dyr, selvom det vil tage mange år endnu at udvikle metoden til brug for mennesker.