Fluorescencyjne bakterie w diagnostyce chorób przewodu pokarmowego

Naukowcy z University of British Columbia (UBC) opracowali bakterie jelitowe, które w obecności choroby zmniejszają swoją fluorescencję.

Wyniki badań, opublikowane na łamach Cell, wskazują, że takie podejście może istotnie usprawnić diagnostykę chorób przewodu pokarmowego poprzez wykorzystanie bakterii naturalnie bytujących w jelitach.

„Nasze biosensory mogą poprawić zdolność przewidywania przebiegu chorób jelit, identyfikując bardzo wczesne zmiany, które mogą umożliwić wdrożenie działań profilaktycznych” – podkreśla współpierwszy autor badania Juan Camilo Burckhardt, doktorant w Department of Microbiology and Immunology (MBIM).

Obecnie złotym standardem w ocenie stanu jelit pozostają metody inwazyjne, które dostarczają jedynie pojedynczego „zdjęcia” zdrowia jelit w danym momencie. Opracowany na UBC biosensor, testowany dotychczas w modelu mysim, stanowi nową technologię umożliwiającą nieinwazyjne i ciągłe monitorowanie stanu jelit na podstawie próbek kału.

Wykorzystanie „dobrych” bakterii jelitowych

„Korzystne bakterie, które naturalnie zasiedlają jelita i wspierają zdrowie przewodu pokarmowego, są niezwykle wrażliwe na lokalne warunki środowiskowe i ewoluowały tak, by funkcjonować w nich długoterminowo” – wyjaśnia współpierwsza autorka pracy dr Giselle McCallum, realizująca badania jeszcze jako doktorantka. „Budowanie biosensorów właśnie w tych bakteriach pozwala na ciągłe monitorowanie środowiska jelit bez jego zaburzania.”

Zespół badawczy skoncentrował się na Bacteroides thetaiotaomicron (B. theta), autochtonicznej bakterii jelitowej, którą stosunkowo łatwo modyfikować w warunkach laboratoryjnych. Naukowcy zidentyfikowali w jej genomie geny aktywowane w odpowiedzi na zaburzenia jelitowe typowe dla chorób przewodu pokarmowego, takich jak celiakia czy nieswoiste choroby zapalne jelit.

Jednym z kluczowych zaburzeń jest stres osmotyczny. W sytuacji, gdy jelito nie jest w stanie prawidłowo wchłaniać składników pokarmowych, niestrawione cząsteczki gromadzą się w świetle jelita i „ściągają” wodę do jego wnętrza. Może to prowadzić do biegunki, nasilenia stanu zapalnego oraz progresji choroby podstawowej.

„Zrozumienie tych zmian w jelitach jest kluczowe dla rozwoju skuteczniejszych strategii diagnostycznych i terapeutycznych” – podkreśla starsza autorka badania dr Carolina Tropini, adiunkt w MBIM oraz School of Biomedical Engineering. „Do tego potrzebujemy niezwykle czułych pomiarów, wykonywanych w momencie zachodzenia zmian, również zanim pojawią się objawy kliniczne.”

Odwrócona logika świecenia białek

Klasyczne biosensory bakteryjne są projektowane tak, aby bakterie zaczynały świecić w odpowiedzi na stres. W przypadku B. theta sygnał fluorescencyjny okazał się jednak zbyt słaby, by był użyteczny. Aby obejść to ograniczenie, naukowcy zastosowali strategię odwrotną: bakterie świecą intensywnie w warunkach prawidłowych, natomiast ich fluorescencja słabnie w sytuacji stresu.

Wzrost stresu osmotycznego w jelitach skutkuje więc osłabieniem sygnału, co umożliwia ilościowy pomiar stopnia zaburzenia na podstawie intensywności fluorescencji.

Zespół przetestował biosensor w modelu mysim, analizując próbki kału i mierząc natężenie świecenia w pojedynczych komórkach bakteryjnych.

„Zaobserwowaliśmy, że biosensor bardzo precyzyjnie raportuje stres osmotyczny w jelitach, wychwytując nawet subtelne zmiany, które nie prowadziły jeszcze do objawów klinicznych, takich jak biegunka” – relacjonuje Burckhardt. „Co istotne, system pozostawał stabilny i responsywny przez wiele tygodni, co oznacza możliwość długoterminowego monitorowania środowiska jelit i potencjalnego wykrywania choroby zanim rozwiną się objawy.”

Kierunki dalszego rozwoju

Badacze planują obecnie adaptację biosensora do monitorowania innych parametrów środowiska jelitowego. W przyszłości możliwe będzie tworzenie systemów raportujących jednocześnie wiele zmian, takich jak stężenie tlenu, temperatura czy pH w jelicie.

„Choć początkowe zastosowania będą prawdopodobnie dotyczyć monitorowania chorób przewodu pokarmowego, naszym długoterminowym celem jest podejście spersonalizowane, w którym pacjenci mogliby śledzić wybrane aspekty zdrowia jelit w czasie i identyfikować wczesne sygnały zaburzeń równowagi” – zaznacza dr Tropini.

Autorzy mają nadzieję, że ich badanie stworzy podstawy dla rozwoju nowej generacji żywych biosensorów, w tym systemów bakteryjnych zdolnych do dostarczania leków wyłącznie w momencie wykrycia określonych, chorobowo istotnych zmian w organizmie.

Źródło: Cell, A Bacteroides synthetic biology toolkit to build an in vivo malabsorption biosensor
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2025.12.052