Nature封面：監聽細菌的「順風耳」

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不過，監測腸道深處的細菌是一個巨大的挑戰。腸道本身非常曲折，而其中生活的微生物群落更是使腸道像熱帶雨林一樣複雜。細菌的體積又非常小，監測腸道中的細菌就如同在熱帶雨林中找一隻蚊子，難度可想而知。雖然人類依靠顯微鏡為核心的光學成像技術能夠很好地觀察細菌，但光成像的缺點在於穿透性差，只能看到表面一層物質。什麼檢測手段穿透性好、方便而且對身體沒有損傷呢？最常見的就是超聲波了，醫院裡的B超、彩超都是用超聲波檢測體內器官的方法，一般原理是超聲波發生器對檢測部位發出超聲波，超聲波撞到待測組織或器官便會反射回信號接收器，結果軟體處理，便能給出實時的組織、器官動態圖片。但細菌這麼小，超聲波管用嗎？

近日，美國加州理工學院（California Institute of Technology）的Mikhail G. Shapiro研究團隊利用超聲波成像技術，創造性地發展了一種能夠無創、實時監測體內細菌下落的「順風耳」。他們利用基因工程技術把「聲學報告基因（acoustic reporter genes）」轉入細菌中，使得工程菌可以形成一種充氣的蛋白質納米結構——「氣泡（gas vesicles）」。在工程菌中，這些氣泡可以反射超聲波，從而幫助在體內深處檢測和定位這些細菌。檢測深度超過10 cm，解析度小於100 μm，可檢測體積密度低於0.01%的工程菌。這種類似聲納原理的解決方案以封面文章的形式發表在近期的Nature上。

圖片來源：Nature

在自然界中，氣泡這種充氣的蛋白質納米結構廣泛存在於很多水生光合微生物體內，可以幫助它們浮在水面吸收陽光。作者仔細研究了編碼這些蛋白質的基因簇，並將其轉入大腸桿菌（Escherichia coli）和鼠傷寒沙門氏桿菌（Salmonella typhimurium）進行表達，在這兩種工程菌中形成了可以反射超聲波的氣泡。投射電鏡（TEM）照片表明，表達了聲學報告基因的大腸桿菌（下圖左）內部充滿了氣泡，與野生型（下圖右）完全不同。

表達聲學報告基因的細菌（左）以及對照組野生型細菌（右）TEM圖像。圖片來源：Nature

超聲波向可能有細菌存在的區域發出後，碰到細菌里的氣泡便會發射回來。但如何保證反射回來的信號不是因為碰到了其他東西呢？作者對細菌施加聲脈衝以產生壓力引發氣泡破碎，氣泡破碎之後內中氣體會溶解，這時候超聲波便不會被反射，超聲信號消失。用這種方法可以確定哪些反射聲波是源自氣泡，極大提高了信噪比（下圖a）。而且，作者還非常機智且精細地設計了氣泡組成，使得兩種氣泡破碎所需的壓力不同，這樣就可以同時檢測兩種（甚至多種）含有不同氣泡的細菌。如此以來在監測腸道內多種細菌在時間和空間上的分布（下圖b）。

超聲波檢測細菌內氣泡原理圖（a）及潛在應用（b）。圖片來源：Nature

作為一種新方法，自然要diss一番老方法。

研究者比較了超聲波法和發光分子成像法監測細菌位置的能力，使用的細菌是來自腸道深處的菌株，平時很難用光學方法看到。在小鼠模型中，超聲波表現給力，能夠提供高水平的空間解析度，而且可以探測到發光法無力觸及的深度區域。

超聲法檢測到小鼠結腸中的細菌（左），而發光法只能顯示細菌在腹腔中，不能提供進一步的細節（右）。圖片來源：Nature

腫瘤內部的缺氧環境對沙門氏菌等厭氧菌很有吸引力，這些細菌很容易在腫瘤內部富集。因此，科學家們也試圖利用這種細菌來診斷和治療癌症（點擊閱讀相關）。以往對這些診斷和治療方法的監測和評估往往通過發光法進行，但這種方法卻無法用於更深處的腫瘤，除非進行手術。與之相比，超聲法一樣表現出了巨大的優勢。在小鼠體內腫瘤的深處，作者同樣獲得了經基因改造表達氣泡的鼠傷寒沙門氏菌的清晰超聲圖像。

超聲法檢測到小鼠體內腫瘤中的細菌，氣泡破碎前（左）和氣泡破碎後（右）。圖片來源：Nature

用超聲波檢測細菌的靈敏度也非常高。實驗表明超聲成像技術對高度稀釋的細菌群落也有效。檢測大腸桿菌信號時，濃度低至5 X 107個細胞/毫升也能清晰地監測細菌的位置。

本文的超聲法還有希望與另一種基於聲波的成像技術——光聲成像（photoacoustic imaging）相結合，除了可以精確地給細菌定位，還能同時獲得周圍組織的詳細信息。

此外，作者還設想了超聲法的更多可能應用。比如，通過選擇性地控制聲學報告基因的表達，工程菌可以被設計成在特定的腸道生理和環境條件下或者與特定細菌相互作用時發出超聲信號，以此監測腸道的生理環境和腸道菌群的變化。還比如，超聲法還可能用於調查土壤中微生物群落的分布情況，高效、精確地分析土壤中的微生物生態系統。

Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts

Nature,2018,553, 86-90, DOI: 10.1038/nature25021

導師介紹

Mikhail G. Shapiro

http://www.x-mol.com/university/faculty/470

（本文由氘氘齋供稿）

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