细菌对肠道炎症的记忆

2019-07-18 275细菌

微生物群,即存在于体内的微生物群,会影响人类健康和疾病,研究人员正在考虑将它们用作下一代诊断和治疗的新方法。今天,来自正常微生物群的细菌已被用于其修饰或减毒形式的益生菌和癌症治疗。科学家们利用微生物对环境和疾病相关刺激的感知和反应的自然能力,以及将新功能植入微生物的易用性。这对于像炎症性肠病(IBD)这样的慢性炎症性疾病尤其有益,这些疾病仍然难以非侵入性监测。然而,在开发活体诊断和治疗方法方面存在一些挑战,包括生成不会崩溃且能够长期监测生物分子的健壮传感器。

改造细菌

为了利用微生物群中的细菌作为生物标志物传感器,需要对它们的基因组进行合成遗传回路的修饰,或插入共同工作以实现反应功能的基因。其中一些基因改变可能削弱或破坏正常的信号通路。即使在益生菌能够耐受这些变化的情况下,工程细胞也可能出现生长延迟,并被微生物组的其他成分所取代。因此,益生菌和工程治疗微生物被迅速从体内清除,这使得它们不适合长期监测和调节机体的组织环境。

细菌传感器

由Pamela Silver博士领导的威斯生物启发工程研究所的一个团队设计了一个功能强大的细菌传感器,该传感器在一种可记录小鼠肠道炎症长达六个月的定置菌株中具有稳定的基因回路。这项研究为先前与活诊断相关的挑战提供了一个解决方案,并可能使它们更接近于在人类患者中使用。研究结果发表在《自然生物技术》杂志上。

Silver,他是威斯研究所的核心成员也是哈佛医学院生物化学和系统生物学教授,认为由于肠道无法通过非侵入性的方式进入,而且易受炎症的影响,如慢性炎症性肠病,因此肠道被认为是该系统的第一个应用。“我们认为肠道是一个黑盒子,很难看到,但我们可以用细菌照亮这些黑暗的地方。从病人和医生都有极大的兴趣,把我们推到构建传感器肠道炎症性肠病和结肠癌等疾病的生物标记物,“Silver说,“我们相信,我们的工作开辟了巨大的可能性,可以利用我们的诊断工具的灵活性和模块化,并将工程生物体的应用扩大到广泛的应用领域。”

细菌传感器工作原理

该团队工作的关键是在电路中引入一个记忆模块,该模块能够检测感兴趣的分子,并在刺激消失很久之后对这种暴露做出反应。由于细菌可以迅速从肠道中清除,研究小组使用了一种属于小鼠微生物群的细菌,并对其进行了改造,使其包含能够检测四硫酸盐的记忆元素。四硫酸盐是一种短暂的代谢分子,在发炎的小鼠肠道内产生的结果,肠道感染致病菌(如伤寒沙门氏菌和小肠结肠炎耶尔森菌)或影响炎症的遗传缺陷的结果。

Wyss团队设计的合成遗传电路包含一个“触发元件”,该元件采用自然系统,专门识别细胞中的生物标志物(在本例中为四硫酸盐),或者在没有预先传感器的情况下使用合成方法开发。电路中的第二个元素是“记忆元素”,它类似于一个开关,是由一种攻击细菌的病毒改造而来的。它由两个基因(简单地说就是A和B)组成,这两个基因根据刺激是否存在而相互调控。在四硫酸盐传感器中,当没有四硫酸盐时,基因A的产物阻断了基因B的表达。当炎症过程中产生四硫酸盐并被触发因子感知时,A水平下降,B基因被诱导并开始阻断A基因的表达。B基因的表达也与报告基因结合,报告基因只有在打开记忆元件时才会将无色的细菌变成蓝色。在第一次接触四硫酸盐后很长时间内,开关仍可保持开状态。

在验证了传感器在细菌液体培养中的功能后,这项研究的第一作者David Riglar博士,能够表明,它在小鼠模型中检测到四硫酸盐引起的肠道炎症是由感染伤寒链球菌引起的,在给药六个月后发现了含有传感器的益生菌。通过对粪便物质的简单分析,确定合成电路的记忆状态为开,其DNA不变且稳定。“我们的方法是利用细菌的感知能力来监测不健康组织或器官的环境。通过添加保留记忆的基因回路,我们设想给人类提供一种益生菌,通过简单和非侵入性的粪便测试来记录疾病的进展,”Riglar说。

Silver的团队计划将这项工作扩展到检测人类肠道炎症,并开发新的传感器来检测各种其他条件的信号。

引用

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering at Harvard. "Remembrance of things past: Bacterial memory of gut inflammation: Stable engineered bacteria that retain long-term memory of gut inflammation could be used as living diagnostics for chronic intestinal diseases and other conditions." ScienceDaily. ScienceDaily, 29 May 2017.
www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170529133711.htm.

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