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

●噬菌體生物學不僅僅是一種模式生物系統，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——感染細菌并在其內部復制的病毒——來治療致病性細菌帶來的疾病。這種方法在西方醫學的前分子生物學時代有短暫的歷史，在20世紀中期前后消亡，其原因主要是來自美國醫學會對其效果的批判和化學抗生素藥的發明應用。現在，全球抗生素耐藥性危機和對人體微生物區系重要性的新認識已經使人們對噬菌體療法的興趣重新復活，不僅是經典意義上的治療細菌感染，還在于其潛在的調控微生物區系的作用。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家參加，還有來自私營企業、公共和政府研究組織、臨床醫生和聯邦管理界人士參加。會議的主題由噬菌體應用的可操作性討論取代了傳統的抗生素治療方案的討論，有些與會者還主張應該全速前進，這種主張主要來自于生物技術產業，而一些臨床醫生則對此抱著明顯的懷疑態度。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展，人們主要關注有尾類噬菌體目，它是生物圈內數量最多、最具有多樣性的生物學實體。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時，噬菌體就發生了復制循環，當其達到頂峰時宿主發生溶解，釋放出后代病毒顆粒、典型的達到數百個。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定成分。

重新啟動噬菌體療法

經典的噬菌體療法有賴于分離和使用發現自環境中的天然噬菌體，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，有時候將各類單種（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，已經和正在涌現出兩種噬菌體相關治療方法：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，還沒有產生抗性生物體。尾菌素，也就是噬菌體尾巴樣殺菌酶，實質上是“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生致死性損害效應、因而存在和表現出一擊致命的效能。工程化處理的尾菌素可以再靶向異種性宿主，具有幾種固有的優勢，那就是它們可以被使用而不用顧忌重組DNA的環境釋放問題，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化氣氛中，幾家噬菌體治療公司的近期合并已經為臨床產品研發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，那些已經難以用傳統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略（噬菌體療法、尾菌素和溶素）目前已經正在商業化，其產品目前涵蓋了臨床前研發的不同階段。多項臨床I期和II期試驗已經進行并多有進展。可能的話，這些項目中最大的應該是雄心勃勃的“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。幾家公司已經研發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。這些研發作為噬菌體應用的早期版本受到了人們的關注，主要原因出自于靶細菌的遺傳學同質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。

持續不斷的發展動力需要的下一步是對管理環境的審慎再評估。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。噬菌體本質上來說對真核細胞是無害的，所以與噬菌體治療學相關的健康風險主要來源于源細菌溶胞產物內的殘骸和將病毒顆粒導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則應該得到制定。例如，溶素原性噬菌體的使用應該得到禁止，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該建立，這適用于被推薦做治療學之用的任何噬菌體，部分地說是因為這是任何治療學應用的最小障礙，而且促使噬菌體的組合可以被組裝、不太可能產生耐藥性宿主、形成針對單個受體的缺陷。

應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域的發展。到目前為止，幾乎所有的已發表臨床前噬菌體治療學研究已經做到了每項研究都使用他們自己的噬菌體。大型醫院應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、它們是怎樣發揮功用的知之甚少。幾項新的晚近噬菌體治療學研究計劃正在試圖充分運用現代合成生物學技術新穎有力的工具，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上產生“理想的”殺手噬菌體、并針對各種各樣的病原體進行優化。在這一點上，噬菌體生物學的研究仍然還是一種深度有寬度無的新學科，其大部分內容還是來自于對經典噬菌體如T4、T7和λ噬菌體的研究，這些實驗室菌株得到了馴養、適合于進行遺傳學研究（易于出研究結果）。盡管它有著深度和嚴謹性，這些研究還是過于狹窄和過時、不能成為一種穩定的基礎建設物（如海上平臺）來迎接噬菌體基因組學海嘯的到來，而研究噬菌體作為一種抗菌素系統的應用或工程學可以從較成熟的K-12大腸桿菌中得到啟發。

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報器。噬菌體是如何轉運進入它們的細菌靶物、并寄居在細菌內部微環境的，它們在人體內細菌正常的生理學狀態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，噬菌體已經進化出一些特征，可資探索人體組織的表面架構，來改善細菌的捕食行為。這一發現指出了噬菌體工程化應用的巨大前景，噬菌體生物學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。與化學抗生素不同的是，噬菌體是具備驚人的多樣性和適應性的生物學實體。這既是好消息又是壞消息，尤其是這樣的現狀給我們帶來的利好：噬菌體基因的大多數還是不知道其功能的。總之，如果噬菌體生物學要實現其支持人類健康事業中的全部潛能，警慎、勤奮、嚴謹和耐心都是必不可少的。

[資料來源：Science][責任編輯：彥隱]

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