Verräterisches Leuchten: Biosensor in Darmbakterien macht Überwachung der Darmgesundheit möglich

Forschende von der University of British Columbia haben im Labor Darmbakterien so verändert, dass ihre Fluoreszenz bei Krankheit abnimmt und somit eine Überwachung der Darmgesundheit ermöglichen.

„Unsere Biosensoren könnten die Vorhersage des Verlaufes von Krankheiten im Darm verbessern und frühe Veränderungen erkennen, die präventive Maßnahmen ermöglichen“, erläutert Juan Camilo Burckhardt, Doktorand am Institut für Mikrobiologie und Immunologie (MBIM) der Universität British Columbia (UBC; Kanada), einer der Erstautoren. Ihre Forschungsergebnisse haben die Wissenschaftler kürzlich im Journal „Cell“ veröffentlicht.

Bei den derzeitig eingesetzten Standardmethoden zur Untersuchung des Darms handele es sich um invasive Verfahren, die nur eine Momentaufnahme der Darmgesundheit liefern, erläutern die Autoren. Den an der UBC entwickelte Biosensor testen die Forschenden aktuell an Mäusen. Nach Ansicht des Teams stellt er eine neue Technologie für die nicht invasive, kontinuierliche Überwachung anhand von Stuhlproben dar.

Nutzung „guter“ Darmbakterien

„Nützliche Bakterien, die natürlicherweise im Darm vorkommen und die Darmgesundheit fördern, reagieren sehr empfindlich auf lokale Bedingungen und haben sich so entwickelt, dass sie in dieser Umgebung langfristig überleben können“, erklärt Erstautorin Dr. Giselle McCallum, die als Doktorandin an der Studie mitgearbeitet hat. „Der Einbau von Biosensoren in diese Bakterien ermöglicht es Forschenden daher, die Darmflora kontinuierlich zu überwachen, ohne sie zu stören.“

Das Team sah in genetisch modifizierbare Kommensalen wie Bacteroides thetaiotaomicron (B. theta) vielversprechende Grundlagen für die Entwicklung von Biosensoren, mit denen sich das Darmmilieu auf ungünstige Veränderungen hin überwachen lässt. Für eine präzise Messung und Auswertung entwickelten die Wissenschaftler genetische Werkzeuge für B. theta. Dazu zählen reprimierbare Promotoren für die regulierbare Expression fluoreszierender Proteine und ein DNA-basiertes System zur Modulation der Repressoraktivität. Außerdem entwickelte man einen modularen, fluoreszenzbasierten Transkriptionsreporter-Schaltkreis sowie eine alternative Plasmid-Integrationsmethode. Das Team konzentrierte sich auf B. theta, weil es sich im Labor leicht modifizieren lässt, und identifizierten Gene des Bakteriums, die in Reaktion auf pathologische Störungen im Darm – etwa bei Zöliakie und Chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen – aktiviert werden.

Einen wichtigen Störfaktor stellt osmotischer Stress dar: Wenn der Darm Nahrung nicht richtig aufnehmen kann, reichern sich unverdaute Moleküle an und ziehen Wasser in den Darm. Dies kann zu Durchfall, Entzündungen und einer möglichen Verschlimmerung der ursprünglichen Erkrankung führen. Die getesteten Biosensoren konnten eine durch Malabsorption bedingte erhöhte Darmosmolalität erkennen, was sich in vitro sowie in einem Mausmodell für osmotische Diarrhoe validieren ließ. Die Biosensoren ermöglichten laut den Forschenden eine langfristige, nicht invasive Erfassung der Darmosmolalität mittels Einzelzellfluoreszenz.

„Das Verständnis dieser Darmveränderungen ist essenziell für die Weiterentwicklung unserer Diagnose- und Behandlungsstrategien für die Darmgesundheit“, sagt Seniorautorin Dr. Carolina Tropini, Assistenzprofessorin am MBIM und an der Fakultät für Biomedizintechnik. „Dafür benötigen wir hochempfindliche Messungen, während diese Veränderungen auftreten, also auch bevor Symptome sichtbar werden.“

Verknüpfung leuchtender Proteine

Biosensoren werden üblicherweise hergestellt, indem Bakterien so verändert werden, dass sie unter Stress leuchten. Bei B. theta ist dieses Leuchten jedoch zu schwach, um es nachzuweisen. Um dieses Problem zu lösen, kehrten die Forscher das System um: Sie veränderten die Bakterien so, dass sie unter normalen Bedingungen hell leuchten und dieses Leuchten unter Stress schwächer wird. Ein höherer osmotischer Stress im Darm führt somit zu einem schwächeren Leuchten, wodurch die Forscher den Stress anhand der Signalabschwächung messen können.

Anschließend testete das Team seinen Biosensor an Mäusen und analysierte Stuhlproben, um die Leuchtintensität einzelner Bakterienzellen zu messen.

„Wir haben festgestellt, dass der Biosensor osmotischen Stress im Darm präzise erfasst und sogar subtile Veränderungen misst, die keine klinischen Symptome wie Durchfall verursachen“, berichtet Burckhardt. „Er blieb über Wochen stabil und reagierte zuverlässig. Das bedeutet, dass der Biosensor das Darmmikrobiom langfristig überwachen und Krankheiten möglicherweise erkennen kann, bevor Symptome auftreten.“

Ausblick in die Zukunft

Die Wissenschaftler wollen ihren Biosensor nun anpassen, um auch andere Darmerkrankungen zu erfassen. Sie hoffen, auch Sensoren entwickeln zu können, die mehrere Veränderungen gleichzeitig messen können ‒ wie Sauerstoff-, Temperatur- und pH-Werte im Darm.

„Während sich erste Anwendungen wahrscheinlich auf die Überwachung von Magen-Darm-Erkrankungen konzentrieren werden, ist das langfristige Ziel ein personalisierter Ansatz, mit dem Menschen Aspekte ihrer Darmgesundheit im Zeitverlauf verfolgen und Frühwarnzeichen für Ungleichgewichte oder Funktionsstörungen erkennen können“, erklärt Tropini.

Die Forschenden hegen die Hoffnung, dass ihre Studie den Grundstein für eine Reihe lebender Biosensoren der nächsten Generation legt, darunter bakterielle Systeme, die Medikamente nur dann abgeben, wenn spezifische krankheitsbedingte Veränderungen festgestellt werden.