Биолюминесцентная визуализация in vivo природных бактерий в глубоких тканях с помощью АТФ

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2331 (2023) Цитировать эту статью

2666 Доступов

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Большинство существующих методов биолюминесцентной визуализации могут визуализировать только расположение сконструированных бактерий in vivo, что обычно исключает визуализацию природных бактерий. Здесь мы используем специфичные для бактерий кассетные транспортеры сахара, связывающие АТФ, для интернализации люциферазы и люциферина, путешествуя автостопом к уникальному источнику углерода бактерий. Обычно синтезируемые биолюминесцентные зонды изготавливаются из полимера глюкозы (GP), люциферазы, Cy5 и ICG-модифицированных кремниевых наночастиц, а их подложки - из кремниевых наночастиц, модифицированных GP и D-люциферином. По сравнению с бактериями с мутациями в транспортерах, которые с трудом усваивают зонды in vitro (т.е. ~2% от скорости поглощения), различные бактерии могут активно поглощать зонды с высокой скоростью поглощения, составляющей около 50%. Примечательно, что разработанная стратегия позволяет ex vivo биолюминесцентно визуализировать стекловидное тело человека, содержащее десять видов патогенов, собранных у пациентов с бактериальным эндофтальмитом. Используя эту платформу, мы дополнительно дифференцируем бактериальные и небактериальные нефриты и колиты у мышей, в то время как их хемилюминесцентные аналоги не способны их различить.

Микроорганизмы играют важную роль в здоровье и болезнях1,2,3,4,5,6. На активность бактерий in vivo сильно влияет их расположение в организме хозяина. Существующие методы клинической визуализации, такие как компьютерная томография (КТ), магнитно-резонансная томография (МРТ), могут обеспечить неинвазивную визуализацию бактериальных инфекций в организме. Однако из-за своей относительно плохой селективности они не способны отличить воспаление, вызванное бактериальными инфекциями, от воспаления, вызванного другими причинами, такими как рак или аутоиммунные заболевания7,8,9,10. В последнее время методы оптической визуализации могут предоставить локализованную, качественную и количественную информацию о бактериях на молекулярном уровне11,12,13,14. Как наиболее широко используемый метод оптической визуализации, флуоресцентная визуализация требует оптического возбуждения в реальном времени, однако она может привести к фоновой автофлуоресценции биологических тканей, что приводит к относительно плохому соотношению сигнал-фон15,16,17.

Благодаря исключению внешнего светового облучения биолюминесцентная визуализация (БЛИ) имеет ряд преимуществ перед флуоресцентной визуализацией, таких как более низкий фон, более высокая чувствительность18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. На сегодняшний день биолюминесцентные системы для обнаружения бактерий можно в основном разделить на два типа: (1) эндогенная система BLI, которая включает в себя генную инженерию бактерий для экспрессии люцифераз29,30,31,32,33; (2) экзогенная система BLI, в которой самолюминесценция возникает в результате окисления субстратов экзогенного люциферина или клеточного люциферина, катализируемого экзогенной люциферазой в присутствии бактериального аденозинтрифосфата (АТФ), образующегося в результате лизиса бактерий34. Несмотря на большой прогресс BLI, у него есть существенные недостатки в визуализации бактерий, а именно: «во-первых, эндогенные системы BLI нуждаются в генетической модификации бактерий; во-вторых, экзогенные системы BLI нуждаются в разрушении бактериальных клеток, чтобы потреблять бактерии. внутриклеточный АТФ», таким образом, не имея возможности визуализировать живые бактерии29,30,31,32,33,34.

Теоретически многообещающий, но методологически неразработанный способ визуализации различных природных бактерий in vivo с помощью биолюминесценции заключается в избирательной доставке биолюминесцентного репортера в бактериальные клетки, непосредственно потребляющем АТФ внутри бактерий. Интересно, что стратегия антибиотиков «троянского коня» может доставлять связанные с сидерофорами антибиотики в цитоплазму бактерий через транспортеры железа бактерий35,36,37,38,39,40,41. В нашей предыдущей работе мы продемонстрировали, что нанозонды, модифицированные полимером глюкозы (GP), могут быть интернализованы в различные бактерии через специфичный для бактерий путь транспортера ABC, как показано в дополнительной таблице 142,43,44,45. Однако, насколько нам известно, об использовании стратегии «троянского коня» для избирательной доставки биолюминесцентных индикаторов в бактерии ранее не сообщалось.