保护性颗粒让工程益生菌能够报告肠道疾病
相信你的直觉吗?您的医生也可能会。被设计用于感知和报告肠道炎症迹象的益生菌可以提供您系统内部运作的第一手知识——前提是它们在此过程中没有被杀或分散。
根据《生物材料》上发表的一项研究，为了使这种情况成为临床现实，莱斯大学生物工程师开发了一个平台，允许工程生物传感器细菌在动物模型中安全地通过胃肠道(GI)。旨在产生荧光蛋白以响应疾病生理迹象的“好”细菌在大鼠肠道内表现良好，并受到藻酸盐颗粒的保护。通过将合成生物学与创造性生物材料设计相结合，莱斯大学教员JeffreyTabor和OmidVeiseh的研究小组设计了一个平台，该平台最终可以部署在临床环境中，不仅可以用于诊断
炎症性肠病(IBD)，还可以监测疾病进展、评估治疗反应并帮助提供针对个体患者独特肠道微生物组的护理。
“在我们的概念验证研究中，我们选择了炎症性肠病，这是一种自身免疫性疾病，会导致疼痛和反复发作的炎症发作，”塔博尔实验室系统、合成和物理生物学研究生ElenaMusteata说。“但肠道健康在人体中发挥着许多重要作用，影响新陈代谢、免疫、大脑功能和其他系统。随着我们发现更多针对不同疾病的生物标志物，我们可以使用这个平台来诊断和监测许多不同的健康状况。”
该平台可以帮助取代IBD通常漫长而复杂的诊断过程，该过程涉及结肠镜检查和活组织检查等侵入性、耗时的程序，并在一定程度上依赖于主观自我监测，并且程序更加简单和快捷。Veiseh实验室的生物工程研究生SamiraAghlara-Fotovat
表示：“通过我们的系统，患者理论上可以收到胶囊处方，并在摄入后简单地取出粪便样本，从而无需重复进行结肠镜检查或活检。”“使用这样的平台可以更容易地监测疾病随时间的进展或跟踪患者对特定治疗的反应。”
Musteata表示，更快的诊断可以为患者带来更好的治疗效果：“尤其是IBD，尽量减少症状出现和治疗之间的延迟非常重要，”她说。“有一种方法可以在短时间内评估肠道健康状况，然后采取行动，确实可以在慢性炎症和其他肠道相关疾病的临床管理方面取得重大进展。”
该平台可能改善患者治疗效果的另一个原因是能够根据患者的生理机能定制治疗方案。
Aghlara-Fotovat说：“如果将来我们封装多种生物传感器菌株，我们就可以了解特定人的炎症状况，然后利用该信息开发更个性化的诊断和治疗。”虽然细菌通过基因编程来检测胃肠道中的疾病生物标志物
并不是什么新鲜事，但一旦进入体内，它们就面临着在低pH值、破坏性酶和胆汁盐等恶劣条件下生存的挑战。此外，游离细菌可以在肠道中广泛分散，使得分析变得更加困难并且可能不太准确。
Musteata说：“我们的研究表明，将生物传感器细菌封装在保护性藻酸盐颗粒中，可以使其在活体动物中保持强大的生存能力和诊断功能。”“我们描述了封装对我们实验室先前开发的硫代硫酸盐敏感细菌菌株的活力、种群动态和性能的影响。”
该工程菌株响应硫代硫酸盐(一种与肠道炎症相关的化合物)而产生荧光绿色蛋白，使得通过测量细菌穿过动物胃肠道后的荧光来评估结肠炎症成为可能。
“我们发现封装为工程细菌的肠道生物传感提供了多种优势，”Musteata说。“首先，由于胶囊是宏观的，它们比游离细菌更容易识别和分析。此外，由于细菌在空间上集中在胶囊内，因此它们的报告基因表达比相同数量的游离细菌更容易可视化。最后，封装可以保护细菌免受环境危害。例如，我们能够提高益生菌大肠杆菌在酸性条件下的存活率。”
虽然开发和优化该平台是一个具有挑战性的过程，但研究人员强调必须确保其可重复性，作为最终临床使用的先决条件。
“在我们开发平台的过程中，我们无数次封装细菌，并在此过程中优化过程的每一步。为了制造出可临床转化的产品，需要对很多方面进行很好的表征，”Aghlara-Fotovat说。
“看到两种令人兴奋的技术结合在一起并扩展其现有功能真是太酷了，”她补充道。
Musteata表示，她珍视“不仅设计生物传感器细菌作为潜在诊断工具，而且在跨学科项目上密切合作，寻求将这些系统转化为医疗应用”的工作经验。
“即使在10年前，工程益生菌充当小型诊断机器人，可以在您的体内移动并检测您的疾病状态的想法在很大程度上还停留在科幻小说的领域。然而，赖斯大学和许多其他机构的研究小组现在在部署这种技术方面取得了真正的进展，”穆斯蒂塔说。
塔博尔是生物工程和生物科学教授。Veiseh是莱斯大学生物工程副教授和得克萨斯州癌症预防与研究所学者。
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