В процессе воспаления в желудочно-кишечном тракте выделяется большое количество низкомолекулярных соединений, например, оксид азота и сероводород – важнейшие сигнальные молекулы и медиаторы воспаления. Однако из-за высокой реакционной способности и короткого времени жизни в организме их очень трудно обнаружить. Одним из решений этой проблемы является использование биосенсоров из живых генетически модифицированных бактерий, которые нашли широкое применение для детекции низкомолекулярных соединений в клинических образцах (например, в сыворотке или моче) и внутри организма. Большинство современных методов, основанных на подобных биосенсорах, зависят от возможности точно определять экспрессию бактериальных генов, РНК или ДНК в стуле и не способны оценивать уровень метаболитов в реальном времени из локализованных областей внутри тела.

Ученые из Массачусетского технологического института усовершенствовали технологию и разработали устройство, способное определять маркеры воспаления в желудочно-кишечном тракте. Оно включает в себя генетически модифицированные пробиотические биосенсоры на основе бактерий E.coli, фотодиодную матрицу, выполняющую роль фотодетектора, и считывающий чип (Рис. 1). Устройство доставляется в организм в составе специальных капсул объемом всего лишь 1.4 см³.

Рисунок 1. Внешний вид и устройство капсулы. Внутри корпуса капсулы, напечатанного с помощью 3D-принтера, содержbтся бактериальная камера. Тонкая прозрачная защитная пленка необходима для размещения бактерий вблизи светочувствительного электронного чипа. Двусторонняя клейкая пленка обеспечивает плотное прилегание биосенсоров к проницаемой внешней мембране фильтра

Бактерии в составе сенсоров обладают молекулярной специфичностью: они способны реагировать на определенные молекулы, связанные с воспалением, например, оксид азота, перекись водорода, тетратионат и тиосульфат. Взаимодействие бактерий с таргетными молекулами сопровождается люминесценцией. Это возможно благодаря встроенному в геном

E.coli оперона luxCDABE, полученного из биолюминесцентной бактерии Photorhabdus luminescens. Этот оперон кодирует люциферазу (LuxA и LuxB). Клетки, экспрессирующие кластер, могут спонтанно излучать свет с длиной волны 490 нм. Считывающие элементы, встроенные в устройство, преобразуют свет, излучаемый инкапсулированными бактериями, в специальный сигнал (Рис. 2).

Рисунок 2. Биосенсоры (BS), реагирующие на маркеры воспалительного заболевания кишечника (BM). Система генетической памяти на основе рекомбиназы используется для тестирования бактериальных биосенсоров на животных моделях. Затем биосенсоры модифицируют таким образом, чтобы они могли люминесцировать, и упаковывают в капсулу, которая защищает клетки от воздействия низкого pH желудка и связывает их с миниатюрной электроникой. При прохождении через желудочно-кишечный тракт биосенсорные бактерии детектируют метаболиты (маркеры воспаления), а датчики передают сигнал люминесценции по беспроводной сети на внешнее устройство. GFP – зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein)

Отличительной особенностью данного устройства является возможность обеспечивать биосенсорный мониторинг in vivo, то есть в реальном времени. Методика была апробирована на моделях воспаления у мышей и свиней. Миниатюрная беспроводная биоэлектронная капсула позволяет безопасно и с низким энергопотреблением обрабатывать данные и передавать их на портативное устройство, например, смартфон. Мультидиагностическое устройство может использоваться для выявления воспалительных заболеваний желудочно-кишечного тракта на ранних стадиях и отслеживания их прогрессирования, для оценки эффективности терапии, в том числе диеты, и мониторинга химической композиции внутренней среды кишечника и, наконец, разработки и адаптации стратегий персонализированной терапии и дистанционного наблюдения за состоянием пациента.

Источник: Inda-Webb M.E. et al. Sub-1.4 cm3 capsule for detecting labile inflammatory biomarkers in situ // Nature. 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06369-x