上海交通大學醫學院楊朝勇&王煒Acc. Chem. Res.:腸道中的共生微生物和致病細菌的成像

【引言】

作為一個新發現的器官，在過去的二十年中，腸道菌群得到了廣泛的研究，它們在宿主眾多器官和系統的生理病理過程中的高度多樣化和基礎性的作用逐漸被揭示。但是，當前大多數研究嚴重依賴于DNA測序的方法。為了真正了解共生和致病性腸道細菌表現出的復雜功能，我們需要更強大的方法和工具，其中最適合的成像策略是能夠在不同環境中接近該生態系統原位狀態的策略。盡管 “暗物質”這一說法經常被用來指許多腸道細菌的不可培養性，但它也可用于描述在腸道中可視化這些微生物時的巨大困難。為了開發合適的，多功能的化學和生物學工具來對腸道細菌進行成像，科研工作者在過去的幾年中付出了巨大的努力。

【成果簡介】

在此綜述中，上海交通大學醫學院楊朝勇&王煒重點介紹了其團隊和其他實驗室在開發腸道中共生微生物和致病菌可視化策略方面的最新進展。首先，作者總結了在開發抗生素衍生的熒光探針方面所做的努力，該探針直接結合特定的細菌表面結構，以實現選擇性標記不同種類的腸道細菌。接下來，詳細討論了，基于代謝標記的非天然糖和穩定同位素的成像策略，在不同情景中和多種尺度上對腸道細菌進行成像。然后，文章介紹了基于核酸染色的細菌成像，使用一般的核酸結合試劑或選擇性標記技術（例如熒光原位雜交（FISH））來滿足各種應用場景中腸道菌群研究的需求。近年來，由于一系列新技術的進步，核酸染色這種經典的成像策略也迎來了復興。此外，盡管在許多的腸道共生細菌中進行基因操作存在極大的困難，但科學界最近在利用熒光蛋白和聲響應蛋白等報告基因來改造腸道細菌方面也做出了巨大的努力。最后，文章還介紹了對這一新興領域當前的局限性以及發展趨勢的看法。該成果以題為“Imaging Commensal Microbiota and Pathogenic Bacteria in the Gut”發表在Acc. Chem. Res.上。

【圖文導讀】

Figure 1.用于研究腸道細菌的成像工具主要包括抗生素衍生的熒光探針、代謝標記探針、核酸染色探針和基因編碼的報告基因

（a）萬古霉素（Vanco）衍生的熒光探針靶向革蘭氏陽性菌細胞壁肽聚糖中的D-Ala-D-Ala結構，多粘菌素B（PxB）和十三碳素A（TriA）衍生的熒光探針則分別結合到革蘭氏陰性菌的脂多糖和脂質II結構上。（b）熒光D-氨基酸探針（FDAA）可通過細菌轉肽酶代謝摻入到肽聚糖五肽結構末端。攜帶生物正交基團的非天然糖可通過補救合成途徑整合到細菌表面的多糖結構中，隨后利用點擊化學進行熒光標記成像。腸道菌群覓食帶有同位素標記的宿主粘蛋白后，可被質譜成像。（c）也可使用核酸染色探針（例如DAPI染色和FISH熒光探針）對腸道細菌進行成像。（d）或者利用遺傳操作工具使腸道細菌表達熒光蛋白、熒光素酶或者氣泡，來對腸道細菌進行熒光成像或超聲成像。

Figure 2.抗生素衍生的熒光探針用于成像腸道菌群

（a-b）萬古霉素（Vanco）和多粘菌素B（PxB）熒光衍生物的結構式。（c）PxB-Cy3探針（綠色）和Vanco-Cy5探針（紅色）分別靶向標記小鼠腸道菌群的陰性菌和陽性菌。（d）十三碳素A（TriA）熒光衍生物的結構式。（e）TriA-TAMRA（紅色）和Vanco-BODIPY（綠色）分別標記小鼠腸道菌群的陰性菌和陽性菌。

Figure 3.FDAA的代謝標記探針用于成像腸道細菌

（a）FDAA探針在細菌細胞壁的合成代謝過程中摻入到肽聚糖五肽結構末端。（b）熒光成像觀察小鼠結腸組織切片中HADA標記的糞腸球菌。（c）兩種FDAA熒光的標記情況反映了糞菌移植后植入菌的存活情況。（d）STAMP標記策略與FISH染色相結合可以揭示小鼠不同腸道細菌在體原位的生長分裂模式。（e）FDAA的熒光標記強度（紅色線）與模式菌株的生長代謝水平（藍色線）高度相關。（f）將近紅外二區熒光連接的D-型氨基酸（DAA-NIR-II）探針標記的沙門氏菌移植到小鼠腸道中，可活體成像觀察沙門氏菌在腸道中的活動軌跡。（g）3D重構結果顯示植入菌（紅色/藍色）在腸道組織上的生物地理信息。

Figure 4.其他代謝標記策略用于成像腸道細菌

（a）將攜帶生物正交基團的非天然氨基酸代謝摻入基因工程改造的大腸桿菌的表面蛋白，連接熒光團后，可成像追蹤腸道中的大腸桿菌。（b-c）利用代謝寡糖工程(MOE)對腸道細菌進行成像。（d）RNA探針代謝標記腸道細菌新合成的RNA。（e）NanoSIMS成像覓食了同位素標記的宿主黏蛋白的腸道細菌。

Figure 5.核酸染色用于成像腸道菌群

（a）利用DAPI染色成像小鼠腸腔中的腸道細菌。（b）基于CLASI-FISH策略同時成像觀察腸道切片上15種腸道細菌的空間分布。（c）改進的HiPR-FISH策略能夠同時成像腸道中1024種腸道細菌。

Figure 6.遺傳操作工具用于成像腸道細菌

（a）構建合成生物學平臺，對定殖在小鼠腸道中的6種擬桿菌屬菌株進行成像。（b）利用基因工程技術使大腸桿菌形成充氣的蛋白質納米結構（氣泡）來反射超聲波，進而超聲成像小鼠體內的大腸桿菌。（c）MAGIC策略通過操縱移動基因元件庫，可對哺乳動物腸道菌群進行原位基因操作。

【小結】

在這篇綜述中，上海交通大學醫學院楊朝勇&王煒重點介紹了其團隊和其他課題組在過去五年中開發的對腸道共生和致病性細菌進行成像的化學生物學工具和新方法，并提供了對這一研究領域中的挑戰和趨勢的看法。

文獻鏈接：Imaging Commensal Microbiota and Pathogenic Bacteria in the Gut, Acc. Chem. Res.,?2021, DOI:10.1021/acs.accounts.1c00068

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。 ?