超级细菌专题（四）：多元化的噬菌体疗法

专题四：改进型的噬菌体对抗超级细菌

写在前面
上一期推送简单介绍了噬菌体特性及利用噬菌体抑制或杀死多重耐药菌的临床治疗事例。相比于裂解酶，噬菌体应用于治疗细菌感染的最大优势是能适应于多重环境。而部分细菌对应的裂解酶存在在复杂环境中失去酶活性的弊端。因此，当前情况下，就治疗的实用性角度和适应性角度来说，噬菌体疗法仍然在非抗生素疗法中占据了重要地位。由此，本专题在专门针对噬菌体疗法撰写多篇推送以详细介绍噬菌体在治疗超级细菌感染中取得的成果、面临的困难和取得的改进等。

工程化噬菌体能够高效杀伤多重耐药菌

        在与细菌抗生素耐药性的斗争中，许多科学家一直在尝试利用噬菌体感染并杀死细菌。噬菌体杀死细菌的机制与抗生素不同，它们只能靶向特定一类或几类菌株。但是在噬菌体群体中并非每一个个体都具备同样高的目标细菌靶向能力。这使得使用噬菌体疗法治疗多重耐药菌感染当前只能是潜在的克服多重耐药性问题的选择方法，并没有成为可以完全替代抗生素的方法。因此，快速发现和优化具有明确高度靶向性的噬菌体“药物”成为了一部分科学家高度关注的挑战性问题。
        在一项发表在Cell杂志上的研究中，来自MIT的团队指出，他们通过对与宿主细胞结合的蛋白进行突变，从而对噬菌体进行快速编程，以杀死多种不同类型的大肠杆菌。此外，研究人员发现，这些工程化的噬菌体具备高效稳定杀菌活性且不会引起细菌耐药性改变。原文链接(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6924272/)

图1.工程改造噬菌体及其杀菌活性测定

利用噬菌体进行微生物组编辑

        大约75%的重度酒精性肝炎患者在确诊后90天内死亡。这种疾病在临床上的常规疗法是使用皮质类固醇质量，但疗效不佳。因此，临床上建议在酒精性肝炎确诊后进行肝移植是唯一的有效的治疗方法，而肝移植并非每一位患者都能享受有效供体。众所周知，酒精本身对肝细胞具有直接伤害。但是Schnabl及其团队曾发现酒精还可以通过另外一种方式间接对肝细胞产生二次伤害。即酒精减少了天然的肠道抗生素。他们团队通过实验发现在酒精作用下细菌更容易在小鼠肝脏中生长，从而加剧了酒精引起的肝病。因此，Schnabl及团队由此实验现象提出了两个主要问题：肠道微生物如何导致肝损伤？噬菌体是否可以用于减少这些细菌，从而缓解酒精性肝病？
        他们通过深入研究发现酒精性肝炎中，肝细胞受到粪肠球菌（Enterococcus faecalis）分泌的溶细胞素（cytolysin）的伤害，而粪肠球菌在健康人体肠道中属于罕见微生物。通过微生物组测序发现酒精性肝炎患者的肠道中能够产生溶细胞素的粪肠球菌丰度相对于健康人更高。此外还发现酒精性肝炎患者的症状与其肠道微生物中的粪肠球菌丰度呈现正相关。进一步他们团队通过临床样本发现大约80％的酒精性肝炎患者的粪便中存在粪肠球菌，其中30％的患者呈溶细胞素阳性。
        接下来，这些研究人员从污水中分离出四种不同的噬菌体，这些噬菌体能特异性地攻击产生溶细胞素的粪肠球菌。当他们用这些噬菌体对小鼠进行治疗时，产生溶细胞素的粪肠球菌被根除，酒精引起的肝病也被消除。靶向其他细菌或不产生溶细胞素的粪肠球菌的对照噬菌体则不会产生这种效果。原文链接(https://www.nature.com/articles/s41586-019-1742-x)
        因为这项研究的发表，开辟了利用噬菌体编辑肠道微生物组从而调节疾病治疗的新道路。

图2.利用噬菌体特异性杀伤粪肠球菌从而辅助治疗酒精性肝炎。(A)分离的4种噬菌体电镜扫描结果。(B,C)灌胃噬菌体与否，有无粪肠球菌感染的血清ALT水平和甘油三酯含量。（备注：血清ALT是指血清中谷丙转氨酶水平，这种酶是肝细胞中含有的，通常只有在肝细胞受损时转氨酶从肝细胞中释放转移至血液中。因此谷丙转氨酶水平在医院的常规体检中是肝功能六项筛查判断肝脏是否健康的重要一项）。(C)灌胃噬菌体与否及有无粪肠球菌感染的代表性肝脏HE染色切片。(E, F, G)肝细胞中炎症相关的IL1b、CXCL1和Col1a1的mRNA表达水平。(H)用细胞定量pcr检测肝脏中溶细胞素阳性的小鼠比例。

噬菌体遗传改造以更好地治疗耐药菌感染

        在这项研究属于一例临床治疗案例。其背景是一名来自英国的患有囊性纤维化（CF，一种肺部遗传疾病）的女孩感染了一种分枝杆菌菌株，这种分枝杆菌菌株与结核分枝杆菌属于近缘菌株。这名女孩在感染此菌之前一直在服用抗生素来控制导致与囊性纤维化遗传疾病相关的并发症的细菌感染。在她接受双肺移植治疗囊性纤维化后随即遭受了这种分枝杆菌感染。在Hatfull研究团队接收她治疗时，这种分枝杆菌已经遍布她全身，且无任何有效抗生素可以治疗它。Hatfull一直在研究噬菌体，他希望可以利用噬菌体治疗这个由分枝杆菌导致的感染。他开始分析他收集的噬菌体，看看是否有噬菌体可以杀死这种引起这名病人感染的细菌。随即，他的团队发现了三种噬菌体可以抑制这种分支杆菌生长。一种噬菌体能够感染并杀死让这名患者感染的菌株。另外两种噬菌体效果不好，为了提高这两种噬菌体的杀菌能力，Hatfull利用基因组数据分析了这两种噬菌体的基因组特征。通过基因组分析，Hatfull敲除了这两种效果不好的噬菌体基因组上的一个基因。经过基因组编辑，这两种被改造的噬菌体杀分支杆菌的活性得到了显著提升。
        不仅如此，Hatfull团队采取了噬菌体鸡尾酒疗法，即将这三种噬菌体（两种经过遗传改造的，一种原本就有良好杀菌活性的）配置成噬菌体混合物，并测试了它对患者皮肤的安全性。这种噬菌体混合物通过静脉注射给予这名女孩。几周后，她的症状显著好转。原文链接(https://www.nature.com/articles/s41591-019-0437-z)

写在后面的
本期推送以介绍噬菌体治疗超级细菌感染中的新方法。之所以选择这三篇研究以介绍，主要是想突出噬菌体与抗生素在治疗方法上的不同。噬菌体作为一种细菌病毒可以进行基因组编辑从而改变自身的杀菌活性。噬菌体也可以作为一种生物元件从而对微生物组进行编辑。这种治疗方法是抗生素达不到的。当然，除了临床的治疗的应用。噬菌体在农业方面也有相当多的应用，下一期推送将针对农业中超级细菌的噬菌体疗法进行详细介绍。