Капсула-детектор с люминесцентными бактериями выявляет маркеры воспаления ЖКТ

При бактериальных инфекциях желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) и приеме антибиотиков накапливаются биомаркеры, сигнализирующие об интенсивных окислительных процессах: активные формы кислорода, оксид азота (NO), тиосульфат и тетратионат. Выявление подобных соединений важно для диагностики заболеваний ЖКТ. Так, при диагностике воспалительного заболевания кишечника уровни биомаркеров у разных людей значительно варьирую, так что лучше сразу оценивать панель маркеров, связанных с окислением. Однако в организме эти молекулы долго не существуют, что затрудняет их выявление. Авторы нового исследования, опубликованного в Nature, разработали специальные капсулы, позволяющие выявлять в кишечнике оксид азота, сероводород и другие молекулы, ассоциированные с воспалением. Внутри капсул находятся бактерии, которые реагируют на искомые вещества люминесценцией, которую могут регистрировать ученые.

За основу были взяты пробиотические бактерии Escherichia coli Nissle 1917 с сенсорами NO, перекиси водорода, тиосульфата и тетратионата. Чтобы оценить, насколько бактериальные сенсоры могут быть эффективны, проходя через ЖКТ, авторы использовали мышиную модель колита. Бактериальные клетки, несущие сенсоры маркеров воспаления, светились в их присутствии благодаря GFP. Оказалось, что у мышей с колитом в фекалии попадает гораздо больше GFP-положительных бактериальных клеток, чувствительных к NO, чем у здоровых мышей. Таким образом, бактерии позволяют выявлять NO в ЖКТ больных мышей. Схожие результаты были получены и для других маркеров воспаления, а также на свиньях.

Затем авторы заключили бактерии-сенсоры и фоточувствительную электронику в одну капсулу объемом менее 1,4 см³. Бактерии от среды отделяла пористая мембрана, которая удерживала их внутри, при этом не препятствовала прохождению нутриентов и аналитов. Вместо GFP, который экспрессировали бактерии-сенсоры, ученые внедрили в них оперон luxCDABE из бактерии Photorhabdus luminescens. При встрече с NO бактерии светились, что можно было детектировать. Схожие системы были получены для активных форм кислорода, тиосульфата и тетратионата.

Работу капсулы проверили в тонком кишечнике живых свиней. Капсула передавала сигнал в реальном времени беспроводным способом изнутри тела свиньи на записывающее устройство. Детектировать молекулы таким способом можно в течение четырех часов. Система получилась точная и быстрая: так, в случае тетратионата после введения капсулы период латентности составил 1 час, а через 120 минут чувствительность и специфичность системы достигли 100%. Сравнение проводили с прямым измерением в кишечнике свиньи.

Система, созданная авторами работы, позволяет детектировать биолюминесцентный сигнал всего с 1 мкл бактериальной культуры. Авторы работы считают, что созданные ими капсулы позволят облегчить диагностику заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Автономный сенсор измеряет уровень кишечных метаболитов в реальном времени