Nature Methods
基因表达的多重超声成像技术

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该研究通过理性蛋白质设计和定向进化，开发了两种新型声学报告基因（bARG560和bARG710），能够根据其声学压力响应特征进行区分，实现了基因表达的双声超声成像。该技术为体内细胞状态和种群的高分辨率多重成像提供了新工具，拓展了超声在生物医学成像中的应用范围。

 

文献概述
本文《Multiplexed ultrasound imaging of gene expression》，发表于《Nature Methods》杂志，回顾并总结了声学报告基因（ARGs）的发展及其在深部组织成像中的潜力。文章介绍了如何通过删除和优化gvpC基因，开发出具有不同声学响应特性的下一代ARGs，从而实现了在不破坏气泡结构的前提下对细胞种群或状态的区分成像。

背景知识
荧光蛋白的多样性推动了光学成像的多重化，而超声成像因光散射和衰减问题，在深层组织研究中具有独特优势。然而，早期的ARGs仅能产生单一的声学信号，限制了其在多重成像中的应用。本研究通过改造GvpC蛋白的结构，调控气泡壳的刚度，从而改变其在超声波下的力学响应，实现不同压力阈值的基因表达检测，为超声成像的多重化奠定了基础。研究团队通过高通量的声学筛选方法，优化基因构建并进行定向进化，最终获得两种具有不同非线性超声响应的ARGs。这些新开发的声学报告基因可用于区分益生菌种群、细胞状态转换，以及在小鼠模型中追踪肿瘤定植的细菌。该研究突破了ARGs在信号多样性上的限制，为超声成像的生物医学应用提供了更丰富的工具。

 

基因敲除小鼠模型构建，通过基因敲除技术研究基因的全身功能，适用于疾病模型构建、药物靶点验证及毒性测试。

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研究方法与实验
研究团队首先基于已有的ARG系统（bARGSer）删除gvpC基因以降低气泡壳的刚度，从而获得更低的非线性成像阈值。随后，他们使用错误倾向PCR生成gvpC突变文库，并通过声学筛选鉴定具有不同压力响应的突变体。最终筛选出具有L154P突变的bARG710，其非线性信号阈值较bARG560更高，但信号强度相当。通过构建表达不同ARGs的益生菌株，研究人员在小鼠模型中验证了这些声学报告基因的多重成像能力，包括区分肠道微生物和可视化细胞状态转换。

关键结论与观点

• 删除gvpC基因可显著降低气泡壳的机械刚度，从而降低非线性成像压力阈值，提高成像灵敏度。
• 通过高通量声学筛选和定向进化，获得了具有不同压力响应特性的gvpC突变体，其中bARG710具有更高的非线性阈值，使其在特定压力范围内可区分于bARG560。
• 在小鼠模型中，bARG560和bARG710分别在肠道和肿瘤定植实验中成功区分两种益生菌种群，且在细胞状态切换实验中可动态检测不同基因表达状态。
• 新开发的bARGs在不破坏气泡结构的前提下实现多重成像，突破了早期ARGs的单一信号限制。

研究意义与展望
本研究为超声成像提供了新的基因报告工具，使体内多重成像成为可能。未来，该技术有望扩展至哺乳动物细胞，甚至开发更多声学信号类型，从而推动超声在生物医学成像中的应用，尤其是在肠道微生物研究、肿瘤微环境追踪和细胞治疗监测等领域。

 

基因敲入与人源化小鼠模型服务，适用于模拟人类疾病、研究基因在特定条件下的功能，以及开发全人源化抗体小鼠。

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结语
该研究成功开发了两种具有不同压力响应特性的声学报告基因（bARG560和bARG710），为超声成像技术在基因表达追踪中的多重化应用提供了新方法。通过理性设计和定向进化，研究人员显著优化了气泡壳的非线性响应，使其在特定压力下产生可区分的超声信号。在活体小鼠模型中，该技术成功区分了两种益生菌种群，并可视化了细胞状态切换，为体内多重成像提供了有力工具。该成果为超声成像在生物医学领域的进一步发展奠定了基础，特别是在肠道微生物、肿瘤微环境和细胞治疗研究中具有广泛应用前景。

 

Nivin N Nyström, Zhiyang Jin, Marisa E Bennett, Margaret B Swift, and Mikhail G Shapiro. Multiplexed ultrasound imaging of gene expression. Nature Methods.