Оптоэлектронная капсула и генноинженерные бактерии обмениваются световыми сигналами в кишечнике

Кишечный микробиом играет ключевую роль в здоровье человека. Однако диагностика и терапия, основанные на свойствах микробиома, ограничены сложностью управления микроорганизмами в ЖКТ. Все чаще обсуждается использование миниатюрных электронных устройств, которые бы собирали информацию в среде ЖКТ и контролировали терапевтическую активность бактерий. Авторы нового исследования, в котором испытывается такое устройство, аффилиированы в китайских научных центрах, однако в его основу легли работы лаборатории Тима Лю в Массачусетском технологическом институте. (Подробнее на PCR.NEWS.)

В работах, опубликованных ранее, для мониторинга кровотечения или повышения уровня оксида азота в ЖКТ модифицированные бактерии, люминесцирующие в присутствии маркера, помещали в глотаемую капсулу. В новом исследовании модифицированные бактерии находятся вне капсулы, а коммуникация двусторонняя: бактерии подают световые сигналы оптоэлектронной капсуле, капсула — бактериям. Наблюдать за коммуникацией можно в приложении смартфона через Bluetooth.

Авторы сконструировали на основе штамма Escherichia coli Nissle 1917 бактерии двух типов. Сенсорные штаммы люминесцировали в ответ на повышенные уровни оксида азота, нитрита или нитрата. (В присутствии этих соединений активировался ген люциферазы.) Терапевтические штаммы реагировали на свет, испускаемый капсулой, и производили наноантитела против фактора некроза опухолей (ФНО).

Капсула содержала светодиод для подачи сигналов, активирующих оптогенетические бактериальные цепи, фотоэлектронный умножитель и схему усиления сигнала для регистрации бактериальных сигналов, а также беспроводной передатчик Bluetooth. Все устройства питались от трех таблеточных батареек. Размер капсулы — 33 × 14 мм, то есть несколько крупнее самых стандартных лекарственных капсул.

В различных моделях капсула успешно обнаружила биолюминесценцию. Затем для проверки концепции авторы индуцировали колит у свиней введением декстрансульфата натрия, колонизировали их кишечники сенсорными и терапевтическими E. coli и вводили животным в ЖКТ капсулу, которая регистрировала и подавала световые сигналы. После проглатывания капсула проходила через пищеварительный тракт свиньи весом 50–90 кг примерно за пять дней, сохраняя при этом связь через Bluetooth. Для более продолжительного эксперимента последовательно вводили две капсулы.

Через приложение можно было включить встроенный в капсулу светодиод, и терапевтические E. coli, имеющие светочувствительные генные сети, секретировали противовоспалительное нанотело против ФНО.

Микробиоэлектронная диагностика воспаления прошла успешно: уровень сигнала значимо повышался уже на третий день после введения декстрансульфата натрия, а затем возрастал еще сильнее. Результаты были сопоставимы с показателями сывороточных воспалительных биомаркеров С-реактивного белка и амилоида А и превзошли показатели широко используемого клинического биомаркера фекалий кальпротектина — достоверное повышение его уровня у животных не регистрировалось до пятого дня после вмешательства.

Терапевтическая часть была менее успешной, однако уровень нанотел в кишечнике вырос после индукции зеленым светом, а уровень ФНО снизился. Симптомы колита у свиней, получивших терапевтические бактерии и светящуюся капсулу, были несколько менее выраженными по сравнению с контрольными животными, тоже колонизированными терапевтическими бактериями, но без индукции светом. Однако изменение маркеров воспаления в крови и кале не было значимым, и ни один из показателей не свидетельствовал о полном выздоровлении. Но интересно, что биолюминесцентные «сигналы бедствия» от бактерий, реагирующих на маркеры воспаления, стали слабее.

Эта технология, позволяющая управлять поведением живых бактерий внутри организма млекопитающего, может способствовать развитию малоинвазивной диагностики и прецизионной терапии на основе микроорганизмов. Однако для перехода к клиническому применению еще необходимо решить ряд проблем, отмечается в комментарии Nature Microbiology.

Во-первых, как сенсорные, так и терапевтические штаммы содержат высококопийные плазмиды, а регулирующие органы не рекомендуют использовать плазмидные генно-инженерные схемы из соображений биобезопасности — риска горизонтального переноса генов, с одной стороны, и инактивации в ЖКТ, с другой. Во-вторых, Escherichia coli Nissle 1917 — неколонизирующая бактерия, поэтому потребуется ее постоянный прием. Кроме того, она может продуцировать колибактин, вызывающий повреждение ДНК, и эту потенциальную опасность необходимо устранить до перехода к исследованиям на человеке. В-третьих, энергопотребление капсулы во время регистрации биолюминесценции было высоким, а срок ее службы ограниченным.

Таблетку, которая вводит мРНК в стенку желудка, создали в МТИ