ATP를 통해 심부 조직 내 천연 박테리아의 생체 내 생물 발광 이미징

Nature Communications 14권, 기사 번호: 2331(2023) 이 기사 인용

2649 액세스

4 알트메트릭

측정항목 세부정보

대부분의 기존 생물발광 이미징 방법은 생체 내에서 조작된 박테리아의 위치만 시각화할 수 있으며 일반적으로 천연 박테리아의 이미징을 배제합니다. 여기에서 우리는 박테리아 특이적 ATP 결합 카세트 설탕 수송체를 활용하여 박테리아의 독특한 탄소원에서 히치하이킹하여 루시퍼라제와 루시페린을 내재화합니다. 일반적으로 합성된 생물발광 프로브는 포도당 폴리머(GP), 루시퍼라제, Cy5 및 ICG 변형 실리콘 나노입자로 만들어지며, 기판은 GP 및 D-루시페린 변형 실리콘 나노입자로 만들어집니다. 시험관 내에서 프로브를 거의 내부화하지 않는(즉, 흡수율의 ~2%) 수송체에 돌연변이가 있는 박테리아와 비교할 때, 다양한 박테리아는 약 50%의 높은 흡수율로 프로브를 강력하게 삼킬 수 있습니다. 특히, 개발된 전략은 세균성 안내염 환자로부터 수집된 10종의 병원체를 포함하는 인간 유리체의 생체외 생물발광 이미징을 가능하게 합니다. 이 플랫폼을 사용하여 우리는 생쥐의 세균성 및 비세균성 신염과 대장염을 더욱 구별하는 반면, 화학발광 대응물은 이를 구별할 수 없습니다.

미생물은 건강과 질병에 많은 중요한 역할을 합니다1,2,3,4,5,6. 생체 내 박테리아 활동은 숙주 유기체 내 위치에 따라 크게 영향을 받습니다. 컴퓨터 단층촬영(CT), 자기공명영상(MRI) 등 기존 임상 영상 방법은 체내 세균 감염에 대한 비침습적 영상을 제공할 수 있다. 그러나 상대적으로 낮은 선택성으로 인해 세균 감염으로 인한 염증과 암이나 자가면역 질환과 같은 다른 원인으로 인한 염증을 구별할 수 없습니다7,8,9,10. 최근 광학 이미징 기술은 분자 수준11,12,13,14에서 국소적, 정성적, 정량적 세균 정보를 제공할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 광학 이미징 방법인 형광 이미징은 실시간 광학 여기가 필요하지만 생물학적 조직의 배경 자가형광으로 이어질 수 있어 신호-배경 비율이 상대적으로 열악할 수 있습니다.

외부 광 조사가 제거된 생물발광 이미징(BLI)은 낮은 배경, 높은 감도와 같은 형광 이미징에 비해 몇 가지 장점을 제공합니다. 현재까지 박테리아 탐지를 위한 생물발광 시스템은 기본적으로 두 가지 유형으로 분류될 수 있습니다: (1) 루시퍼라제를 발현하기 위해 박테리아의 유전 공학을 포함하는 내인성 BLI 시스템; (2) 외인성 BLI 시스템에서는 자가발광이 박테리아 용해에 의해 생성된 박테리아 아데노신 삼인산(ATP)의 존재 하에서 외인성 루시퍼라제에 의해 촉매되는 외인성 루시페린 또는 갇힌 루시페린 기질의 산화로부터 발생합니다. BLI의 큰 발전에도 불구하고 박테리아 이미징에는 다음과 같은 본질적인 단점이 있습니다. "첫째, 내인성 BLI 시스템은 박테리아의 유전적 변형이 필요합니다. 두 번째, 외인성 BLI 시스템은 박테리아 세포를 파괴하여 박테리아를 소비해야 합니다. 세포내 ATP", 따라서 살아있는 박테리아를 이미지화할 수 없습니다.

생물발광을 통해 생체 내에서 다양한 천연 박테리아를 시각화하는 이론적으로는 유망하지만 방법론적으로 미개발된 방법은 생물발광 리포터를 박테리아 세포에 선택적으로 전달하여 박테리아 내부의 ATP를 직접 소비하는 것입니다. 흥미롭게도 "트로이 목마" 항생제 전략은 박테리아 철 수송체를 통해 사이드로포어 연결 항생제를 박테리아 세포질로 전달할 수 있습니다. 이전 연구에서 우리는 보충 표 142,43,44,45에 요약된 바와 같이 포도당 폴리머(GP) 변형 나노프로브가 박테리아 특이적 ABC 수송 경로를 통해 다양한 박테리아로 내재화될 수 있음을 입증했습니다. 그러나 생물발광 지표를 박테리아에 선택적으로 전달하기 위해 "트로이 목마" 전략을 사용하는 것은 우리가 아는 한 이전에 보고된 바가 없습니다.