噬菌体工程让抗菌疗法重获新生

来源：news medical | 作者：Liji Thomas | 2019-10-4 | 翻译：聚生物

抗生素耐药性是一种迅速发展的现象，给公共卫生规划人员带来了巨大的麻烦。然而，一项新的研究证明了一种新的杀死细菌的方法，这种方法使用的是一种被称为噬菌体的自然细菌感染病毒，这种病毒会杀死它们的宿主。研究人员面临的瓶颈是快速识别和修饰已知的噬菌体，使之成为对付传染性细菌的武器。新方法通过使用一个通用框架来处理这个问题，可以在这个框架上进行修改。

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噬菌体及其行为

噬菌体专门识别目标细菌，通过尾部纤维附着在目标细菌上，导致细菌细胞壁迅速溶解或破坏。这一特性对于利用不依赖于抗生素的机制进行抗菌攻击是非常宝贵的。这可能意味着它们可以摧毁耐多种药物的菌株。此外，它们专注于细菌本身，避免偏离目标或无意中对身体造成伤害。它们不影响正常健康的细菌，由于它们的生物学特性，不会造成明显的毒性，并且允许开发过程更细、更便宜。噬菌体自我复制，但一旦任务完成就消失了。

噬菌体大约在1915年就被发现了，它们作为抗菌药物的使用历史也很古老。尽管早期的结果很好，但缺乏良好的试验设计，且所获得的各种治疗结果，以及抗生素革命的发生，使噬菌体从人们的视线中消失。然而，对几种常用抗生素的耐药性的研究激发了人们对这种高度特异性和有效的抗菌治疗的新兴趣。

噬菌体工程是有必要的，它通过将基因修饰插入到一个常见的尾部纤维结构上，以增强可攻击噬菌体的多样性。它还有助于克服导致噬菌体抗药性的细菌机制，破坏细菌生物膜，削弱噬菌体附着于目标细菌的能力，以及所谓的旨在降低细菌毒力或生存潜力的抗致病机制。

捕获噬菌体的尾巴

第一批这样的噬菌体于2015年投入使用。这是一种针对大肠杆菌的T7噬菌体。科学家们发现，他们可以在T7噬菌体中插入特定的基因，该噬菌体编码其他类型的尾纤维-这种蛋白质可以帮助噬菌体与目标宿主细胞上的细胞表面受体特异结合。这将使他们能够修改噬菌体，使其对任何选择的细菌具有选择性。

然而，上述工程过程既不高效也不迅速。因此，他们继续致力于改进这种方法，使他们能够创造出特制的噬菌体来对抗任何想要的细菌。改进方法是成功的，并形成了当前基于噬菌体的攻击策略的基础。

目前的研究提出了一种快速修改噬菌体基因构成的策略，以刺激杀死各种不同的大肠杆菌菌株。这项研究背后的麻省理工学院的研究人员在病毒锁定细菌细胞的尾部纤维蛋白中产生了突变。这些突变可以被调整以扩大噬菌体作用的宿主范围，同时降低细菌对噬菌体感染触发保护机制的能力。

本研究提出了一种快速改变噬菌体遗传组成的策略，以刺激杀死各种不同的大肠杆菌菌株。这项研究背后的麻省理工学院研究人员产生了尾纤维蛋白的突变，病毒通过这种蛋白锁定细菌细胞。这些突变可以定制，以扩大宿主的范围，噬菌体可以采取行动，同时降低细菌触发保护机制，以防止噬菌体感染的能力。

尾纤维方法是基于该技术合成和测试大量尾纤维类型的能力。从先前的研究中已经知道了尾纤维的结构，它是由一种叫做β片的蛋白质组成的。蛋白质中的β片是通过环状结构连接的。

科学家们启动了一项系统的计划，改变蛋白质片段中形成环的氨基酸，同时保持β片的完整。这在很大程度上保持了蛋白质结构的不变，同时也使它们能够修补噬菌体与细菌具有明确相互作用的尾部纤维区域。

最后，他们提出了大约1000万种尾纤维的变异体，它们是用几种不同的大肠杆菌菌株筛选出来的，这些菌株对原噬菌体的感染表现出抗药性。例如，一株具有突变的脂多糖(LPS)受体基因，导致缺失或短受体。这使得它们对天然噬菌体具有抵抗力，但对某些工程噬菌体很敏感。这个证据来自于几种经过修饰的噬菌体，这些噬菌体对培养的大肠杆菌是致命的。其中，一种噬菌体甚至成功地消灭了感染小鼠皮肤中的两株菌株，抵抗自然噬菌体的杀灭。

研究员蒂莫西·卢：“与抗生素相比，噬菌体是一种非常不同的杀死细菌的方式，是抗生素的补充，而不是试图取代它们。”

研究小组期待着采用同样的策略来克服大肠杆菌对噬菌体耐药性的其他机制。这将产生新的噬菌体菌株，以对抗其他有害生物。此外，噬菌体是对抗某些特定肠道细菌引起的健康问题的有效工具。由于噬菌体和细菌靶标的数量很大，正如Yehl所说，“这只是个开始”。

噬菌体抗菌药的未来

美国食品药品监督管理局已经批准了几种噬菌体来消灭食品中的致病菌，但由于难以确定针对目标菌的合适噬菌体，其在治疗传染病中的应用受到限制。这就是为什么目前的研究重点是开发一种病毒支架或基本框架，可以很容易地修改，以杀死不同的细菌株或克服其他类型的细菌噬菌体抗药性。用陆先生的话说，最主要的优势是噬菌体提供了一种基本武器，可以定制为“有针对性地杀死和降低复杂生态系统中的细菌水平”。

基于噬菌体的抗菌作用需要解决的缺点是体积大、免疫原性强，导致识别迅速、疗效丧失。此外，细菌宿主之间的基因转移可能会导致新的抗噬菌体细菌的出现，更糟的是，还可能导致抗生素耐药性的出现，或者增加对人类宿主的殖民和感染能力。

文献来源：

Phage-derived antibacterials: harnessing the simplicity, plasticity, and diversity of phages. Bio Kim, Eun Sook Kim, Yeon-Ji Yoo, Hee-Won Bae, In-Young Chung, and You-Hee Cho. Viruses. 2019 Mar; 11(3): 268. Published online 2019 Mar 18. doi: 10.3390/v11030268. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6466130/

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