Imagens de bioluminescência in vivo de bactérias naturais em tecidos profundos via ATP

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 2331 (2023) Citar este artigo

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A maioria dos métodos de imagem de bioluminescência existentes só pode visualizar a localização de bactérias modificadas in vivo, geralmente impedindo a imagem de bactérias naturais. Aqui, aproveitamos os transportadores de açúcar de cassete de ligação de ATP específicos de bactérias para internalizar a luciferase e a luciferina, pegando carona na fonte única de carbono das bactérias. Normalmente, as sondas bioluminescentes sintetizadas são feitas de polímero de glicose (GP), luciferase, Cy5 e nanopartículas de silício modificadas por ICG e seus substratos são feitos de nanopartículas de silício modificadas por GP e D-luciferina. Em comparação com bactérias com mutações nos transportadores, que dificilmente internalizam as sondas in vitro (ou seja, ~2% da taxa de captação), várias bactérias podem englobar as sondas de forma robusta com uma alta taxa de captação de cerca de 50%. Notavelmente, a estratégia desenvolvida permite imagens de bioluminescência ex vivo de vítreo humano contendo dez espécies de patógenos coletados de pacientes com endoftalmite bacteriana. Ao usar esta plataforma, diferenciamos ainda mais a nefrite e colite bacteriana e não bacteriana em camundongos, enquanto suas contrapartes quimioluminescentes são incapazes de distingui-las.

Os microrganismos têm muitos papéis vitais na saúde e na doença1,2,3,4,5,6. A atividade bacteriana in vivo é fortemente influenciada por sua localização dentro do organismo hospedeiro. Os métodos de imagem clínica existentes, como tomografia computadorizada (TC), ressonância magnética (MRI) e podem fornecer imagens não invasivas de infecções bacterianas no corpo. No entanto, devido à sua seletividade relativamente pobre, eles são incapazes de distinguir a inflamação causada por infecções bacterianas da inflamação causada por outras causas, como câncer ou doenças autoimunes7,8,9,10. Recentemente, técnicas de imagem óptica podem fornecer informações bacterianas localizadas, qualitativas e quantitativas no nível molecular11,12,13,14. Como o método de imagem óptica mais amplamente utilizado, a imagem de fluorescência requer excitação óptica em tempo real, no entanto, pode levar à autofluorescência de fundo de tecidos biológicos, resultando em uma relação sinal-fundo relativamente pobre15,16,17.

Atribuída à eliminação de uma irradiação de luz externa, a imagem de bioluminescência (BLI) apresenta várias vantagens sobre a imagem de fluorescência, como menor fundo, maior sensibilidade18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28. Até o momento, os sistemas bioluminescentes para detecção de bactérias podem ser basicamente categorizados em dois tipos: (1) o sistema BLI endógeno, que envolve a engenharia genética de bactérias para expressar luciferases29,30,31,32,33; (2) o sistema BLI exógeno, no qual a autoluminescência vem da oxidação da luciferina exógena ou substratos de luciferina enjaulada catalisada pela luciferase exógena na presença de trifosfato de adenosina (ATP) bacteriano produzido pela lise de bactérias34. Apesar do grande progresso do BLI, ele apresenta deficiências intrínsecas na imagem bacteriana, como segue: "primeiro, os sistemas BLI endógenos precisam de modificação genética das bactérias; segundo, os sistemas BLI exógenos precisam da destruição das células bacterianas para consumir o ATP intracelular", sendo assim incapaz de imaginar bactérias vivas29,30,31,32,33,34.

Uma maneira teoricamente promissora, mas metodologicamente subdesenvolvida, de visualizar várias bactérias naturais in vivo com bioluminescência é entregar seletivamente o repórter bioluminescente em células bacterianas, consumindo diretamente o ATP dentro das bactérias. Curiosamente, a estratégia antibiótica do "cavalo de Tróia" poderia fornecer antibióticos ligados a sideróforos no citoplasma bacteriano através dos transportadores de ferro bacterianos35,36,37,38,39,40,41. Em nosso trabalho anterior, demonstramos que nanossondas modificadas com polímero de glicose (GP) podem ser internalizadas em várias bactérias por meio da via transportadora ABC específica de bactérias, conforme resumido na Tabela Suplementar 142,43,44,45. No entanto, o uso de uma estratégia de "cavalo de Tróia" para entregar seletivamente indicadores bioluminescentes em bactérias, até onde sabemos, não foi relatado antes.