Nature封面：监听细菌的“顺风耳”

微生物群落已经在人类身体里生活了数百万年，它们和人类一起进化，能感知人体内外环境的变化，反映出人体健康水平，也与不少疾病直接相关。以最近研究火热的肠道菌群为例，它们与人类的多种疾病有关，例如肥胖、哮喘、肠道炎症、多发性硬化、帕金森症等等，甚至还能决定抗癌免疫疗法是否有效。另外，科学家们也开始使用经过基因改造的细菌来进行疾病的治疗和诊断，例如治疗癌症。要想深入理解人体的微生物群落，以及精确控制细菌疗法和诊断方法，准确、无创地监测它们是关键之一。

不过，监测肠道深处的细菌是一个巨大的挑战。肠道本身非常曲折，而其中生活的微生物群落更是使肠道像热带雨林一样复杂。细菌的体积又非常小，监测肠道中的细菌就如同在热带雨林中找一只蚊子，难度可想而知。虽然人类依靠显微镜为核心的光学成像技术能够很好地观察细菌，但光成像的缺点在于穿透性差，只能看到表面一层物质。什么检测手段穿透性好、方便而且对身体没有损伤呢？最常见的就是超声波了，医院里的B超、彩超都是用超声波检测体内器官的方法，一般原理是超声波发生器对检测部位发出超声波，超声波撞到待测组织或器官便会反射回信号接收器，结果软件处理，便能给出实时的组织、器官动态图片。但细菌这么小，超声波管用吗？

近日，美国加州理工学院（California Institute of Technology）的Mikhail G. Shapiro（点击查看介绍）研究团队利用超声波成像技术，创造性地发展了一种能够无创、实时监测体内细菌下落的“顺风耳”。他们利用基因工程技术把“声学报告基因（acoustic reporter genes）”转入细菌中，使得工程菌可以形成一种充气的蛋白质纳米结构——“气泡（gas vesicles）”。在工程菌中，这些气泡可以反射超声波，从而帮助在体内深处检测和定位这些细菌。检测深度超过10 cm，分辨率小于100 μm，可检测体积密度低于0.01%的工程菌。这种类似声纳原理的解决方案以封面文章的形式发表在近期的Nature 上。

图片来源：Nature

在自然界中，气泡这种充气的蛋白质纳米结构广泛存在于很多水生光合微生物体内，可以帮助它们浮在水面吸收阳光。作者仔细研究了编码这些蛋白质的基因簇，并将其转入大肠杆菌（Escherichia coli）和鼠伤寒沙门氏杆菌（Salmonella typhimurium）进行表达，在这两种工程菌中形成了可以反射超声波的气泡。投射电镜（TEM）照片表明，表达了声学报告基因的大肠杆菌（下图左）内部充满了气泡，与野生型（下图右）完全不同。

表达声学报告基因的细菌（左）以及对照组野生型细菌（右）TEM图像。图片来源：Nature

超声波向可能有细菌存在的区域发出后，碰到细菌里的气泡便会发射回来。但如何保证反射回来的信号不是因为碰到了其他东西呢？作者对细菌施加声脉冲以产生压力引发气泡破碎，气泡破碎之后内中气体会溶解，这时候超声波便不会被反射，超声信号消失。用这种方法可以确定哪些反射声波是源自气泡，极大提高了信噪比（下图a）。而且，作者还非常机智且精细地设计了气泡组成，使得两种气泡破碎所需的压力不同，这样就可以同时检测两种（甚至多种）含有不同气泡的细菌。如此以来在监测肠道内多种细菌在时间和空间上的分布（下图b）。

超声波检测细菌内气泡原理图（a）及潜在应用（b）。图片来源：Nature

作为一种新方法，自然要diss一番老方法。

研究者比较了超声波法和发光分子成像法监测细菌位置的能力，使用的细菌是来自肠道深处的菌株，平时很难用光学方法看到。在小鼠模型中，超声波表现给力，能够提供高水平的空间分辨率，而且可以探测到发光法无力触及的深度区域。

超声法检测到小鼠结肠中的细菌（左），而发光法只能显示细菌在腹腔中，不能提供进一步的细节（右）。图片来源：Nature

肿瘤内部的缺氧环境对沙门氏菌等厌氧菌很有吸引力，这些细菌很容易在肿瘤内部富集。因此，科学家们也试图利用这种细菌来诊断和治疗癌症（点击阅读相关）。以往对这些诊断和治疗方法的监测和评估往往通过发光法进行，但这种方法却无法用于更深处的肿瘤，除非进行手术。与之相比，超声法一样表现出了巨大的优势。在小鼠体内肿瘤的深处，作者同样获得了经基因改造表达气泡的鼠伤寒沙门氏菌的清晰超声图像。

超声法检测到小鼠体内肿瘤中的细菌，气泡破碎前（左）和气泡破碎后（右）。图片来源：Nature

用超声波检测细菌的灵敏度也非常高。实验表明超声成像技术对高度稀释的细菌群落也有效。检测大肠杆菌信号时，浓度低至5 X 10⁷个细胞/毫升也能清晰地监测细菌的位置。

本文的超声法还有希望与另一种基于声波的成像技术——光声成像（photoacoustic imaging）相结合，除了可以精确地给细菌定位，还能同时获得周围组织的详细信息。

此外，作者还设想了超声法的更多可能应用。比如，通过选择性地控制声学报告基因的表达，工程菌可以被设计成在特定的肠道生理和环境条件下或者与特定细菌相互作用时发出超声信号，以此监测肠道的生理环境和肠道菌群的变化。还比如，超声法还可能用于调查土壤中微生物群落的分布情况，高效、精确地分析土壤中的微生物生态系统。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Acoustic reporter genes for noninvasive imaging of microorganisms in mammalian hosts

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

导师介绍

Mikhail G. Shapiro

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

（本文由氘氘斋供稿）