前沿 | 突破!用细菌,实现肿瘤DNA非侵入检测

2023-08-18 09:08:36 6

美国加州大学圣地亚哥分校Jeff Hasty、南澳大利亚健康和医学研究所Susan L. Woods及Daniel L. Worthley共同通讯在Science在线发表题为“Engineered bacteria detect tumor DNA”的研究论文,该研究设计了一种肿瘤DNA工程细菌检测器,利用天然活性的贝氏不动杆菌来检测来自结直肠癌(CRC)细胞、类器官和肿瘤基因组的供体DNA。

该研究在体外通过共培养实验表征了生物传感器的功能,然后在体内用传感器细菌传递给携带结直肠肿瘤的小鼠进行验证。在小鼠CRC模型中,该研究观察到从肿瘤到传感器细菌的水平基因转移。这种靶向的、CRISPR识别水平基因转移(CATCH)的细胞检测能够对特定的无细胞DNA进行生物检测。

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细菌工程促进了活细胞诊断和治疗方法的发展,包括对肠道炎症、肠道出血、病原体和缺氧肿瘤做出反应的微生物。细菌可以进入整个胃肠道,产生粪便或尿液。细胞记忆,如双稳态开关或基因组重排,使细菌能够随时间存储信息。一些细菌天生具有转化能力,可以直接从其环境中提取细胞外DNA样本。自然能力是水平基因转移(HGT)的一种机制,即生物之间的遗传物质交换,而不是垂直的“亲本到后代”传播。HGT在微生物中很常见。它也可能发生从微生物到动物和植物,并在相反的方向,从真核生物到原核生物。然而,细菌通过HGT检测和响应哺乳动物DNA的正向工程尚未被探索。

该文描述的传感器细菌表明,活体生物传感器可以检测肠道中CRC脱落的特定哺乳动物DNA,无需样品制备或处理。工程供体盒不需要CATCH生物传感器来检测、区分和报告目标序列,尽管最终的天然DNA生物传感器将需要改进的信号背景比来可靠地检测整个基因组DNA中的序列。同源臂和CRISPR间隔器是模块化的,因此该策略可以很容易地用于检测和分析任意感兴趣的目标序列。

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机理模式图(图源自Science)

体外DNA分析有助于检测和管理重要的人类疾病,包括癌症和感染。然而,体外传感需要潜在的侵入性样品去除,许多DNA诊断不能达到临床相关的序列分辨率,更先进的技术仍然过于昂贵,无法在所有环境中常规使用。在体内对肠道进行直接取样可能具有重要的优势。胃肠道含有显著的脱氧核糖核酸酶(DNase)活性,这限制了啮齿动物和人类游离DNA的寿命,从而可能降低下游粪便样本的信息含量。

原位细菌生物传感器可以在DNA释放后被局部DNA酶降解之前捕获并保存DNA。CATCH最令人兴奋的方面可能是,与体外诊断不同,一旦捕获目标DNA,它就可以与纳米体、肽或其他小分子的直接和基因型互补递送相结合,用于治疗癌症或感染。CATCH允许细胞检测无细胞DNA,因此可能在未来的合成生物学应用中证明有用,无论何时何地,DNA检测和分析都很重要。(来源:生物谷