Nature Methods
双声道超声波成像实现基因表达多重检测

小赛推荐：

本研究通过蛋白质工程开发了两个具有不同压力响应特性的声学报告基因，实现非侵入式、高分辨率的深层组织超声波多重成像，为活体生物成像提供新策略。

 

文献概述

本文《双声道超声波成像实现基因表达多重检测》，发表于《Nature Methods》杂志，回顾并总结了一种新型的超声波基因表达成像技术。该技术基于声学报告基因(ARGs)，能够实现深层组织中基因表达的高分辨率成像，突破了传统荧光成像的深度限制，为体内生物成像提供了一种便携、低成本且高时间分辨率的替代方案。

背景知识

荧光蛋白成像技术彻底改变了活体系统研究，但其应用局限于浅表组织或体外样本，由于光散射和衰减，无法用于深层组织成像。超声波成像则利用声波与组织的良好相互作用，能够实现几厘米的成像深度和约100 µm的空间分辨率。近年来，声学报告基因(ARGs)编码气体囊泡蛋白结构，为超声波成像提供了一种基因编码工具，但此前仅限于单一信号读出。本研究旨在通过蛋白质工程手段开发具有不同声学压力响应特性的新型ARGs，实现基因表达的多重检测。这一技术突破类似于荧光蛋白的光谱分离技术，为活体研究开辟了新的可能性。

 

提供基因敲除小鼠模型定制服务，涵盖全身基因敲除及特定组织条件性敲除，适用于基因功能及疾病模型研究。

了解更多

 

研究方法与实验

通过理性蛋白质设计和定向进化，研究团队改造了GvpC蛋白以调整气体囊泡的机械稳定性，从而改变其声学响应阈值。利用高通量细胞内声学筛选平台，研究人员筛选出两个具有不同压力响应特性的ARG变体：bARG560和bARG710。这些变体通过其非线性超声信号在不同压力条件下的变化进行区分。

关键结论与观点

• 改造的bARG560在非线性超声成像中表现出更低的声学阈值（560±38 kPa）和更高的信号强度（5,900±660 a.u.），相比野生型ARG（bARGSer）显著提升。
• 通过进一步定向进化，研究人员筛选出bARG710，其非线性超声阈值为710±32 kPa，与bARG560形成双重压力响应，实现多重成像。
• 在活体实验中，bARG560和bARG710可分别用于区分鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)和大肠杆菌Nissle 1917(E. coli Nissle)的肠道菌群，以及区分肿瘤定植细菌的不同亚群，无需破坏性压力处理。
• 研究还展示了通过基因电路设计，bARG560和bARG710可响应四环素诱导，用于可视化细胞状态转换，进一步拓展其应用范围。
• 在活体小鼠模型中，该技术成功区分了肠道和肿瘤中的不同微生物群体，证明其在深层组织成像中的可行性。

研究意义与展望这一研究为超声波成像技术提供了多重检测能力，类似于荧光蛋白在光学显微镜中的应用。未来，该技术可进一步拓展至哺乳动物细胞，实现细胞状态、信号通路或治疗响应的多重可视化。此外，结合更多声学变体，超声波成像有望实现更复杂生物系统的高维分析，推动非侵入式体内成像技术的发展。

 

构建基因编辑大鼠模型，提供从基因编辑到繁殖的一站式服务，适用于疾病机制、药物研发等研究。

了解更多

 

结语

本研究成功开发了新一代声学报告基因(bARG560和bARG710)，实现超声波成像的多重化，突破了传统超声基因成像的单一信号限制。通过基因工程改造GvpC蛋白，研究团队赋予气体囊泡不同的压力响应特性，使它们在不同超声压力下产生可区分的非线性信号。这一技术在体外和活体小鼠模型中均表现出色，能够有效区分不同微生物种类和细胞状态，为深层组织的非侵入式成像提供了全新工具。该方法为基因表达、细胞动态及生物治疗的活体监测开辟了新方向，有望在未来推动超声波成像在生物医学研究中的广泛应用。

 

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