噬菌体疗法：再度兴盛谋什么？

rentianyixu

● 噬菌体生物学不仅仅是一种模式生物系统，还是有助于人体健康的一种治疗方法，人们称之为“噬菌体疗法2.0版”。

所谓噬菌体疗法，是使用噬菌体——感染细菌并在其内部复制的病毒——来治疗致病性细菌带来的疾病。这种方法在西方医学的前分子生物学时代有短暂的历史，在20世纪中期前后消亡，其原因主要是来自美国医学会对其效果的批判和化学抗生素药的发明应用。现在，全球抗生素耐药性危机和对人体微生物区系重要性的新认识已经使人们对噬菌体疗法的兴趣重新复活，不仅是经典意义上的治疗细菌感染，还在于其潜在的调控微生物区系的作用。由美国国立过敏与传染病研究所（NIAID）主办的噬菌体治疗学2015年年会是一届有里程碑意义的会议，不仅有噬菌体生物学家参加，还有来自私营企业、公共和政府研究组织、临床医生和联邦管理界人士参加。会议的主题由噬菌体应用的可操作性讨论取代了传统的抗生素治疗方案的讨论，有些与会者还主张应该全速前进，这种主张主要来自于生物技术产业，而一些临床医生则对此抱着明显的怀疑态度。无论如何，在会后，参会者们深信不疑地认为，“噬菌体疗法2.0版”正在路上。
在这种新的动力推动下的发展，人们主要关注有尾类噬菌体目，它是生物圈内数量最多、最具有多样性的生物学实体。它们有一头一尾，头是长约15至500千碱基对的线性双链DNA分子，在大多数情况下，除了尾之外还有尾纤维。噬菌体与被其蚕食的细菌上的表面突出物（受体）发生特异性的接触，使用的是尾自己或尾纤维，或者两者兼有。一旦其DNA通过其尾巴注射入细胞内时，噬菌体就发生了复制循环，当其达到顶峰时宿主发生溶解，释放出后代病毒颗粒、典型的达到数百个。一些有尾噬菌体目噬菌体比较温和、具有溶解原性，还有附加的能力，通过形成静止的原噬菌体变成宿主基因组的稳定成分。

重新启动噬菌体疗法

经典的噬菌体疗法有赖于分离和使用发现自环境中的天然噬菌体，这种趋势在近期文献中占有显著比例。在研究中，噬菌体从病原性细菌菌株中分离出来、并且筛查这些宿主的范围，然后利用动物模型作离体或在体的评价，有时候将各类单种（个）噬菌体进行不同方案的混合以覆盖最广泛的宿主范围。除了噬菌体外，已经和正在涌现出两种噬菌体相关治疗方法：溶素和尾菌素。壁溶解酶类，又叫溶素，先后被噬菌体使用来完成DNA的渗透通过细胞的包膜、然后参与宿主溶解过程且释放子孙后代病毒颗粒。这些酶类可以很快地杀死革兰氏阳性菌，显示出属（genus）水平的特异性，而且，到目前为止，还没有产生抗性生物体。尾菌素，也就是噬菌体尾巴样杀菌酶，实质上是“无头”的噬菌体。在与某种受体吸附在一起后，尾菌素颗粒对宿主细胞包膜产生致死性损害效应、因而存在和表现出一击致命的效能。工程化处理的尾菌素可以再靶向异种性宿主，具有几种固有的优势，那就是它们可以被使用而不用顾忌重组DNA的环境释放问题，可以以一种确定的剂量进行注射。
在一种浓浓的临床与商业化气氛中，几家噬菌体治疗公司的近期合并已经为临床产品研发带来了更加专注的流程化管理。研究工作的开展是合乎逻辑的，那些已经难以用传统抗生素疗法进行治疗的细菌性病原体正在接受“噬菌体疗法”，其中大多数是早期的，包括有绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌和艰难梭菌。上述所有三种基于噬菌体的战略（噬菌体疗法、尾菌素和溶素）目前已经正在商业化，其产品目前涵盖了临床前研发的不同阶段。多项临床I期和II期试验已经进行并多有进展。可能的话，这些项目中最大的应该是雄心勃勃的“烧伤噬菌体”研究，对噬菌体作为一种对烧伤伤口感染的治疗方法进行评估。几家公司已经研发和市场销售了控制食品传染性病原体如大肠杆菌0157:H7和单增李斯特菌。这些研发作为噬菌体应用的早期版本受到了人们的关注，主要原因出自于靶细菌的遗传学同质性和注册登记噬菌体作为食物加工辅剂时的较低管理障碍。
持续不断的发展动力需要的下一步是对管理环境的审慎再评估。在这个方面，NIAID会议上管理界人士的积极参与互动是令人鼓舞的。噬菌体本质上来说对真核细胞是无害的，所以与噬菌体治疗学相关的健康风险主要来源于源细菌溶胞产物内的残骸和将病毒颗粒导入人体组织时的免疫后遗症参与因子。虽然如此，一些噬菌体特异性的规则应该得到制定。例如，溶素原性噬菌体的使用应该得到禁止，主要的原因是它们通常会携带改变它们宿主的病原性潜能的基因。另外，宿主受体的身份和一致性应该建立，这适用于被推荐做治疗学之用的任何噬菌体，部分地说是因为这是任何治疗学应用的最小障碍，而且促使噬菌体的组合可以被组装、不太可能产生耐药性宿主、形成针对单个受体的缺陷。
应该追求噬菌体菌株收集品的标准化和噬菌体在科研使用中的一致性，这些努力将有助于该领域的发展。到目前为止，几乎所有的已发表临床前噬菌体治疗学研究已经做到了每项研究都使用他们自己的噬菌体。大型医院应该建立对用于极端事由、慈善用途的噬菌体菌株的验证和收集，在很多情况下，细菌病原体已经得到了鉴定，可以针对噬菌体文库检测其敏感性。与许多其他窄谱抗菌素的情形一样，噬菌体的特异性要求建立快速鉴定细菌性病原体的方法并提供使用，这一点对于与噬菌体疗法相关的任何情境来说都是必要的。
20世纪40年代噬菌体疗法被弃用，很大程度上归咎于那时人们对噬菌体是什么、它们是怎样发挥功用的知之甚少。几项新的晚近噬菌体治疗学研究计划正在试图充分运用现代合成生物学技术新颖有力的工具，比如离体基因组组装或基于酵母的基因工程平台，其基本思路是有效噬菌体的毒力和特异性特征可以得到鉴定、然后在分选和组合的基础上产生“理想的”杀手噬菌体、并针对各种各样的病原体进行优化。在这一点上，噬菌体生物学的研究仍然还是一种深度有宽度无的新学科，其大部分内容还是来自于对经典噬菌体如T4、T7和λ噬菌体的研究，这些实验室菌株得到了驯养、适合于进行遗传学研究（易于出研究结果）。尽管它有着深度和严谨性，这些研究还是过于狭窄和过时、不能成为一种稳定的基础建设物（如海上平台）来迎接噬菌体基因组学海啸的到来，而研究噬菌体作为一种抗菌素系统的应用或工程学可以从较成熟的K-12大肠杆菌中得到启发。
除了受体识别之外，许多噬菌体需要与其他宿主成份进行亲密的互动，比如分子伴娘和转录因子，来完成它们的生命周期。并且，如果要使噬菌体的常规工程化变成事实，这些互动必须在更大的详细程度上进行认识。而且，对于考虑治疗学的效果来说，琼脂板上的菌斑形成和摇床里细菌的溶解不太像是一种良好的预报器。噬菌体是如何转运进入它们的细菌靶物、并寄居在细菌内部微环境的，它们在人体内细菌正常的生理学状态下是如何与细菌相互作用的，这些问题值得重视。另外，有新的报告称，噬菌体已经进化出一些特征，可资探索人体组织的表面架构，来改善细菌的捕食行为。这一发现指出了噬菌体工程化应用的巨大前景，噬菌体生物学正在走出其模式生物体作为一种研究工具的历史角色，带给我们诸多的惊奇。与化学抗生素不同的是，噬菌体是具备惊人的多样性和适应性的生物学实体。这既是好消息又是坏消息，尤其是这样的现状给我们带来的利好：噬菌体基因的大多数还是不知道其功能的。总之，如果噬菌体生物学要实现其支持人类健康事业中的全部潜能，警慎、勤奋、严谨和耐心都是必不可少的。

[资料来源：Science]

本文来源：

Science 4 December 2015, 350(6265): 1163-1164

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本文作者瑞兰德·扬（Ryland Young），供职于得州农工大学噬菌体技术中心、生物化学和生物物理学系；简森·吉尔（Jason J. Gill），供职于得州农工大学噬菌体技术中心和动物科学系。

本文发表于《世界科学》2016年第3期。

图注（附图见于原文）：重新启动噬菌体疗法。（A－C）三种类型的有尾噬菌体目。（A）足噬菌体T7，有短粗的尾；（B）肌噬菌体T4，有收缩性的尾；（C）λ虹噬菌体，有灵活的尾；(D) 尾菌素（收缩类尾）；（E和F）同一个视野下的炭疽杆菌，加入1 μg/ml的溶素之前和之后3秒钟的图像。

来源：科学网 李升伟