In de sciencefictionfilm Fantastic Voyage uit 1966, een onderzeeër wordt gekrompen en in het lichaam van een wetenschapper geïnjecteerd om een ​​bloedstolsel in zijn hersenen te repareren. Hoewel de film misschien nog steeds fictie is, onderzoekers van Caltech maken stappen in deze richting:ze hebben, Voor de eerste keer, creëerde bacteriële cellen met het vermogen om geluidsgolven te reflecteren, doet denken aan hoe onderzeeërs sonar reflecteren om hun locaties te onthullen.

Het uiteindelijke doel is om therapeutische bacteriën in het lichaam van een patiënt te kunnen injecteren, bijvoorbeeld als probiotica om darmziekten te helpen behandelen of als gerichte tumorbehandelingen - en vervolgens ultrasone machines te gebruiken om de gemanipuleerde bacteriën te raken met geluidsgolven om beelden te genereren die de locaties van de microben onthullen. De foto's zouden artsen laten weten of de behandelingen de juiste plaats in het lichaam hadden bereikt en goed werkten.

"We zijn de bacteriële cellen aan het ontwikkelen zodat ze geluidsgolven naar ons kunnen terugkaatsen en ons hun locatie kunnen laten weten zoals een schip of onderzeeër sonar verstrooit wanneer een ander schip ernaar zoekt, " zegt Mikhail Shapiro, assistent-professor chemische technologie, Schlinger geleerde, en Heritage Medical Research Institute-onderzoeker. "We willen de bacteriën kunnen vragen, 'Waar ben je en hoe gaat het met je?' De eerste stap is het leren visualiseren en lokaliseren van de cellen, en de volgende stap is om met hen te communiceren."

De resultaten zullen worden gepubliceerd in het nummer van 4 januari van het tijdschrift Natuur . De hoofdauteur is Raymond Bourdeau, een voormalig postdoctoraal wetenschapper in Shapiro's lab.

Het idee om bacteriën als medicijn te gebruiken is niet nieuw. Probiotica zijn ontwikkeld om aandoeningen van de darm te behandelen, zoals prikkelbare darmziekte, en sommige vroege onderzoeken hebben aangetoond dat bacteriën kunnen worden gebruikt om kankercellen aan te vallen en te vernietigen. Maar het visualiseren van deze bacteriecellen en het communiceren met hen - zowel om informatie te verzamelen over wat er in het lichaam gebeurt als om de bacteriën instructies te geven over wat ze vervolgens moeten doen - is nog niet mogelijk. Beeldvormingstechnieken die afhankelijk zijn van licht, zoals het maken van foto's van cellen die zijn getagd met een 'reportergen' dat codeert voor groen fluorescerend eiwit, werken alleen in weefselmonsters die uit het lichaam zijn verwijderd. Dit komt omdat licht niet kan doordringen in diepere weefsels zoals de darm, waar de bacteriecellen zouden verblijven.

Shapiro wil dit probleem oplossen met ultrasone technieken omdat geluidsgolven dieper in lichamen kunnen reizen. Hij zegt dat hij ongeveer zes jaar geleden een eureka-moment had toen hij hoorde over met gas gevulde eiwitstructuren in waterbewonende bacteriën die het drijfvermogen van de organismen helpen reguleren. Shapiro veronderstelde dat deze structuren, gasblaasjes genoemd, zou geluidsgolven kunnen terugkaatsen op manieren waardoor ze te onderscheiden zijn van andere soorten cellen. Inderdaad, Shapiro en zijn collega's toonden aan dat de gasblaasjes kunnen worden afgebeeld met echografie in de ingewanden en andere weefsels van muizen.

Het volgende doel van het team was om de genen voor het maken van gasblaasjes van de waterbewonende bacteriën over te dragen naar een ander type bacteriën - Escherichia coli, die vaak wordt gebruikt in microbiële therapieën, zoals probiotica.

"We wilden de E coli bacteriën om zelf de gasblaasjes te maken, "zegt Shapiro. "Ik heb dit willen doen sinds we ons het potentieel van gasblaasjes realiseerden, maar onderweg kwamen we enkele wegversperringen tegen. Toen we het systeem eindelijk aan het werk kregen, we waren extatisch."

Een van de uitdagingen die het team aanging, was de overdracht van de genetische machinerie voor gasblaasjes in E coli . Ze probeerden eerst gasblaasgenen over te dragen die geïsoleerd waren uit een in water levende bacterie genaamd Anabaena flos-aquae, maar dit werkte niet - de E coli slaagde er niet in de blaasjes te maken. Ze probeerden het opnieuw met behulp van gasblaasjesgenen van een nauwere verwant van E coli , een bacterie genaamd Bacillus megaterium. Dit is ook niet gelukt, omdat de resulterende gasblaasjes te klein waren om geluidsgolven efficiënt te verstrooien. Eindelijk, het team probeerde een mix van genen van beide soorten - en het werkte. De E coli zelf gasblaasjes gemaakt.

De genen van de gasblaasjes coderen voor eiwitten die als bakstenen of kraanvogels werken bij het bouwen van de uiteindelijke blaasjesstructuur - sommige eiwitten zijn de bouwstenen van de blaasjes, terwijl sommige helpen bij het daadwerkelijk samenstellen van de structuren. "Eigenlijk, kwamen we erachter dat we de stenen van Anabaena flos-aquae en de kraanvogels van Bacillus megaterium nodig hebben om de E coli om gasblaasjes te kunnen maken, ' zegt Bourdeau.

Daaropvolgende experimenten van het team toonden aan dat de gemanipuleerde E coli kon inderdaad worden afgebeeld en gelokaliseerd in de ingewanden van muizen met behulp van echografie.

"Dit is het eerste akoestische reportergen voor gebruik in ultrasone beeldvorming, ", zegt Shapiro. "We hopen dat het uiteindelijk voor echografie zal doen wat groen fluorescerend eiwit heeft gedaan voor op licht gebaseerde beeldvormingstechnieken, dat is om de beeldvorming van cellen echt te revolutioneren op manieren die voorheen niet mogelijk waren."

De onderzoekers zeggen dat de technologie binnenkort beschikbaar moet zijn voor wetenschappers die onderzoek doen bij dieren, hoewel het nog vele jaren zal duren om de methode voor gebruik bij mensen te ontwikkelen.