Ultrasensitive ultrasound imaging of gene expression with signal unmixing

基因表达 超声波 计算生物学 基因 超声成像 生物 遗传学 医学 放射科
作者
Daniel P. Sawyer,Avinoam Bar‐Zion,Arash Farhadi,Shirin Shivaei,Bill Ling,Audrey Lee‐Gosselin,Mikhail G. Shapiro
出处
期刊:Nature Methods [Nature Portfolio]
卷期号:18 (8): 945-952 被引量:74
标识
DOI:10.1038/s41592-021-01229-w
摘要

Acoustic reporter genes (ARGs) that encode air-filled gas vesicles enable ultrasound-based imaging of gene expression in genetically modified bacteria and mammalian cells, facilitating the study of cellular function in deep tissues. Despite the promise of this technology for biological research and potential clinical applications, the sensitivity with which ARG-expressing cells can be visualized is currently limited. Here we present burst ultrasound reconstructed with signal templates (BURST)—an ARG imaging paradigm that improves the cellular detection limit by more than 1,000-fold compared to conventional methods. BURST takes advantage of the unique temporal signal pattern produced by gas vesicles as they collapse under acoustic pressure above a threshold defined by the ARG. By extracting the unique pattern of this signal from total scattering, BURST boosts the sensitivity of ultrasound to image ARG-expressing cells, as demonstrated in vitro and in vivo in the mouse gastrointestinal tract and liver. Furthermore, in dilute cell suspensions, BURST imaging enables the detection of gene expression in individual bacteria and mammalian cells. The resulting abilities of BURST expand the potential use of ultrasound for non-invasive imaging of cellular functions. Acoustic reporter genes can be imaged with high sensitivity using the BURST imaging sequence, allowing the detection of single cells under optimal conditions.
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