噬菌體療法：再度興盛謀什么？

均昱/編譯

噬菌體療法：再度興盛謀什么？

均昱/編譯

●噬菌體生物學(xué)不僅僅是一種模式生物系統(tǒng)，還是有助于人體健康的一種治療方法，人們稱之為“噬菌體療法2.0版”。

所謂噬菌體療法，是使用噬菌體——感染細菌并在其內(nèi)部復(fù)制的病毒——來治療致病性細菌帶來的疾病。這種方法在西方醫(yī)學(xué)的前分子生物學(xué)時代有短暫的歷史，在20世紀中期前后消亡，其原因主要是來自美國醫(yī)學(xué)會對其效果的批判和化學(xué)抗生素藥的發(fā)明應(yīng)用?，F(xiàn)在，全球抗生素耐藥性危機和對人體微生物區(qū)系重要性的新認識已經(jīng)使人們對噬菌體療法的興趣重新復(fù)活，不僅是經(jīng)典意義上的治療細菌感染，還在于其潛在的調(diào)控微生物區(qū)系的作用。由美國國立過敏與傳染病研究所（NIAID）主辦的噬菌體治療學(xué)2015年年會是一屆有里程碑意義的會議，不僅有噬菌體生物學(xué)家參加，還有來自私營企業(yè)、公共和政府研究組織、臨床醫(yī)生和聯(lián)邦管理界人士參加。會議的主題由噬菌體應(yīng)用的可操作性討論取代了傳統(tǒng)的抗生素治療方案的討論，有些與會者還主張應(yīng)該全速前進，這種主張主要來自于生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，而一些臨床醫(yī)生則對此抱著明顯的懷疑態(tài)度。無論如何，在會后，參會者們深信不疑地認為，“噬菌體療法2.0版”正在路上。

在這種新的動力推動下的發(fā)展，人們主要關(guān)注有尾類噬菌體目，它是生物圈內(nèi)數(shù)量最多、最具有多樣性的生物學(xué)實體。它們有一頭一尾，頭是長約15至500千堿基對的線性雙鏈DNA分子，在大多數(shù)情況下，除了尾之外還有尾纖維。噬菌體與被其蠶食的細菌上的表面突出物（受體）發(fā)生特異性的接觸，使用的是尾自己或尾纖維，或者兩者兼有。一旦其DNA通過其尾巴注射入細胞內(nèi)時，噬菌體就發(fā)生了復(fù)制循環(huán)，當(dāng)其達到頂峰時宿主發(fā)生溶解，釋放出后代病毒顆粒、典型的達到數(shù)百個。一些有尾噬菌體目噬菌體比較溫和、具有溶解原性，還有附加的能力，通過形成靜止的原噬菌體變成宿主基因組的穩(wěn)定成分。

重新啟動噬菌體療法

經(jīng)典的噬菌體療法有賴于分離和使用發(fā)現(xiàn)自環(huán)境中的天然噬菌體，這種趨勢在近期文獻中占有顯著比例。在研究中，噬菌體從病原性細菌菌株中分離出來、并且篩查這些宿主的范圍，然后利用動物模型作離體或在體的評價，有時候?qū)⒏黝悊畏N（個）噬菌體進行不同方案的混合以覆蓋最廣泛的宿主范圍。除了噬菌體外，已經(jīng)和正在涌現(xiàn)出兩種噬菌體相關(guān)治療方法：溶素和尾菌素。壁溶解酶類，又叫溶素，先后被噬菌體使用來完成DNA的滲透通過細胞的包膜、然后參與宿主溶解過程且釋放子孫后代病毒顆粒。這些酶類可以很快地殺死革蘭氏陽性菌，顯示出屬（genus）水平的特異性，而且，到目前為止，還沒有產(chǎn)生抗性生物體。尾菌素，也就是噬菌體尾巴樣殺菌酶，實質(zhì)上是“無頭”的噬菌體。在與某種受體吸附在一起后，尾菌素顆粒對宿主細胞包膜產(chǎn)生致死性損害效應(yīng)、因而存在和表現(xiàn)出一擊致命的效能。工程化處理的尾菌素可以再靶向異種性宿主，具有幾種固有的優(yōu)勢，那就是它們可以被使用而不用顧忌重組DNA的環(huán)境釋放問題，可以以一種確定的劑量進行注射。

在一種濃濃的臨床與商業(yè)化氣氛中，幾家噬菌體治療公司的近期合并已經(jīng)為臨床產(chǎn)品研發(fā)帶來了更加專注的流程化管理。研究工作的開展是合乎邏輯的，那些已經(jīng)難以用傳統(tǒng)抗生素療法進行治療的細菌性病原體正在接受“噬菌體療法”，其中大多數(shù)是早期的，包括有綠膿桿菌、金黃色葡萄球菌和艱難梭菌。上述所有三種基于噬菌體的戰(zhàn)略（噬菌體療法、尾菌素和溶素）目前已經(jīng)正在商業(yè)化，其產(chǎn)品目前涵蓋了臨床前研發(fā)的不同階段。多項臨床I期和II期試驗已經(jīng)進行并多有進展?？赡艿脑?，這些項目中最大的應(yīng)該是雄心勃勃的“燒傷噬菌體”研究，對噬菌體作為一種對燒傷傷口感染的治療方法進行評估。幾家公司已經(jīng)研發(fā)和市場銷售了控制食品傳染性病原體如大腸桿菌0157:H7和單增李斯特菌。這些研發(fā)作為噬菌體應(yīng)用的早期版本受到了人們的關(guān)注，主要原因出自于靶細菌的遺傳學(xué)同質(zhì)性和注冊登記噬菌體作為食物加工輔劑時的較低管理障礙。

持續(xù)不斷的發(fā)展動力需要的下一步是對管理環(huán)境的審慎再評估。在這個方面，NIAID會議上管理界人士的積極參與互動是令人鼓舞的。噬菌體本質(zhì)上來說對真核細胞是無害的，所以與噬菌體治療學(xué)相關(guān)的健康風(fēng)險主要來源于源細菌溶胞產(chǎn)物內(nèi)的殘骸和將病毒顆粒導(dǎo)入人體組織時的免疫后遺癥參與因子。雖然如此，一些噬菌體特異性的規(guī)則應(yīng)該得到制定。例如，溶素原性噬菌體的使用應(yīng)該得到禁止，主要的原因是它們通常會攜帶改變它們宿主的病原性潛能的基因。另外，宿主受體的身份和一致性應(yīng)該建立，這適用于被推薦做治療學(xué)之用的任何噬菌體，部分地說是因為這是任何治療學(xué)應(yīng)用的最小障礙，而且促使噬菌體的組合可以被組裝、不太可能產(chǎn)生耐藥性宿主、形成針對單個受體的缺陷。

應(yīng)該追求噬菌體菌株收集品的標準化和噬菌體在科研使用中的一致性，這些努力將有助于該領(lǐng)域的發(fā)展。到目前為止，幾乎所有的已發(fā)表臨床前噬菌體治療學(xué)研究已經(jīng)做到了每項研究都使用他們自己的噬菌體。大型醫(yī)院應(yīng)該建立對用于極端事由、慈善用途的噬菌體菌株的驗證和收集，在很多情況下，細菌病原體已經(jīng)得到了鑒定，可以針對噬菌體文庫檢測其敏感性。與許多其他窄譜抗菌素的情形一樣，噬菌體的特異性要求建立快速鑒定細菌性病原體的方法并提供使用，這一點對于與噬菌體療法相關(guān)的任何情境來說都是必要的。

20世紀40年代噬菌體療法被棄用，很大程度上歸咎于那時人們對噬菌體是什么、它們是怎樣發(fā)揮功用的知之甚少。幾項新的晚近噬菌體治療學(xué)研究計劃正在試圖充分運用現(xiàn)代合成生物學(xué)技術(shù)新穎有力的工具，比如離體基因組組裝或基于酵母的基因工程平臺，其基本思路是有效噬菌體的毒力和特異性特征可以得到鑒定、然后在分選和組合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生“理想的”殺手噬菌體、并針對各種各樣的病原體進行優(yōu)化。在這一點上，噬菌體生物學(xué)的研究仍然還是一種深度有寬度無的新學(xué)科，其大部分內(nèi)容還是來自于對經(jīng)典噬菌體如T4、T7和λ噬菌體的研究，這些實驗室菌株得到了馴養(yǎng)、適合于進行遺傳學(xué)研究（易于出研究結(jié)果）。盡管它有著深度和嚴謹性，這些研究還是過于狹窄和過時、不能成為一種穩(wěn)定的基礎(chǔ)建設(shè)物（如海上平臺）來迎接噬菌體基因組學(xué)海嘯的到來，而研究噬菌體作為一種抗菌素系統(tǒng)的應(yīng)用或工程學(xué)可以從較成熟的K-12大腸桿菌中得到啟發(fā)。

除了受體識別之外，許多噬菌體需要與其他宿主成份進行親密的互動，比如分子伴娘和轉(zhuǎn)錄因子，來完成它們的生命周期。并且，如果要使噬菌體的常規(guī)工程化變成事實，這些互動必須在更大的詳細程度上進行認識。而且，對于考慮治療學(xué)的效果來說，瓊脂板上的菌斑形成和搖床里細菌的溶解不太像是一種良好的預(yù)報器。噬菌體是如何轉(zhuǎn)運進入它們的細菌靶物、并寄居在細菌內(nèi)部微環(huán)境的，它們在人體內(nèi)細菌正常的生理學(xué)狀態(tài)下是如何與細菌相互作用的，這些問題值得重視。另外，有新的報告稱，噬菌體已經(jīng)進化出一些特征，可資探索人體組織的表面架構(gòu)，來改善細菌的捕食行為。這一發(fā)現(xiàn)指出了噬菌體工程化應(yīng)用的巨大前景，噬菌體生物學(xué)正在走出其模式生物體作為一種研究工具的歷史角色，帶給我們諸多的驚奇。與化學(xué)抗生素不同的是，噬菌體是具備驚人的多樣性和適應(yīng)性的生物學(xué)實體。這既是好消息又是壞消息，尤其是這樣的現(xiàn)狀給我們帶來的利好：噬菌體基因的大多數(shù)還是不知道其功能的?？傊绻删w生物學(xué)要實現(xiàn)其支持人類健康事業(yè)中的全部潛能，警慎、勤奮、嚴謹和耐心都是必不可少的。

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：彥隱]

本文作者瑞蘭德·揚（Ryland Young），供職于得州農(nóng)工大學(xué)噬菌體技術(shù)中心、生物化學(xué)和生物物理學(xué)系；簡森·吉爾（Jason J.Gill），供職于得州農(nóng)工大學(xué)噬菌體技術(shù)中心和動物科學(xué)系。