噬菌體及其裂解酶防控家畜細菌性疾病的研究進展

謝平林

摘 要：細菌性疾病是長期困擾家畜養殖業發展的重大難題。隨著抗生素和消毒劑的廣泛應用及濫用，家畜生產中主要致病性細菌逐漸產生耐藥性，使細菌性疾病的防控變得愈加困難。噬菌體及其裂解酶具有特異性強、抗菌效力強、安全性高及篩選周期短等優勢，近年來其作為天然抗菌劑的研究受到廣泛關注。本文就噬菌體及其裂解酶在防控家畜細菌性疾病方面的應用研究進展進行綜述，以期為噬菌體及其裂解酶在家畜健康生產領域的深入研究及應用提供一定的參考。

關鍵詞：噬菌體;裂解酶;細菌性疾病;防控

中圖分類號：S851.33 文獻標志碼：A 文章編號：1001-0769（2020）08-0059-05

2017年，我國畜牧生產總產值超過? 3.2萬億元，其中豬肉產量居世界首位，占比達46.19%，可是未來市場發展并不樂觀。目前，畜禽規模化生產對病原菌的防治常常局限于使用消毒劑和抗生素，因其濫用而導致藥物殘留與耐藥菌大量出現的問題十分嚴重[1]。過去已經得到良好控制的疾病再次對畜禽健康構成嚴重的威脅，養殖業也遭受了巨大的經濟損失[2]。

目前利用有益微生物來防控病原菌的感染日益受到重視。噬菌體是一類能特異性侵襲細菌、支原體、螺旋體和真菌等病原體的病毒，自1915年由英國Twort發現后，就被用于研究細菌感染的防治。噬菌體個體微小，在地球上分布廣泛且種類豐富。人們普遍認為噬菌體既對植物、動物和人類無害和無耐藥性，也不會污染環境，安全性高[3]。噬菌體裂解酶最早于20世紀50年代得到確定，與噬菌體僅作用于病原菌一樣，裂解酶不會影響動物體細胞，并不影響有益或無害的動物寄生菌。相比抗生素和消毒劑，裂解酶具有更好的特異性，裂解譜又大于噬菌體的，通常認為裂解酶攻擊細菌的速度極快，以致細菌很難對其產生抗性[4]。

因此，噬菌體及其裂解酶作為新型的天然抗菌劑和消毒劑具有一定的優勢。本文重點介紹噬菌體及其裂解酶在家畜細菌性疾病防控中的相關研究進展，展示噬菌體及其裂解酶在規模化健康生產中良好的應用前景。

1? 噬菌體及其裂解酶替代抗生素和化學消毒劑的優勢

近年來，為應對消毒劑與抗生素濫用造成的超級細菌出現和動物性食品藥物殘留等問題，世界多國頒布了相關的法律法規或措施來推動“無抗生素進程”。我國農業農村部于2017年6月頒發了《全國遏制動物源細菌耐藥行動計劃》。后抗生素時代即將來臨，噬菌體及其裂解酶的獨特優勢正好可以應對抗生素和化學消毒劑所遇到的治療瓶頸，是首選的替代品。

噬菌體及其裂解酶能有效地感染和裂解其宿主菌，無殘留，無耐藥性，是天然的生物消毒劑與抗菌劑[5]。與抗生素和化學消毒劑相比，噬菌體及其裂解酶有很多顯著的優勢[6]：不僅抗菌效果強，不易引起動物源性致病菌產生耐藥性，特異性強，副作用少，安全性較高，自我增殖快，篩選周期短，研發成本低，而且種類極為豐富，取材方便，例如每1 mL水中噬菌體的含量可達2×108個[7]。還可針對性地篩選噬菌體與裂解酶用作預防性制劑。但迄今為止，已經被分離和應用的噬菌體數量非常有限。因此，裂解性噬菌體在控制致病菌感染和解決耐藥性問題上有較大的開發空間[8]。

飼養環境防疫消毒是控制、預防和消滅畜禽疫病的主要技術手段。噬菌體及其裂解酶是一類生物消毒劑，與物理消毒法和化學消毒法相比，具有獨特的優勢。化學消毒法雖適用范圍廣，但存在諸多問題，如穩定性差、刺激性大、腐蝕性較強、易殘留污染環境和破壞生態等，而物理消毒法則使用范圍窄且清除不徹底。另外，由于物理消毒法與化學消毒法難以消除在環境中形成芽孢和耐藥的細菌，極大地限制了其在家畜生產上的應用。噬菌體及其裂解酶憑借其滅菌高效、作用時間長和安全環保等優點[9]，能廣泛適用于地面、土壤、水體、空氣以及物體表面（如畜禽棚舍、籠具、器械和車輛）等，對飼養環境中致病菌的防控具有重要意義。

動物生產、食品保鮮加工和醫學臨床等領域不斷有一些噬菌體和裂解酶制劑獲得應用，由此可見，噬菌體及其裂解酶制劑作為一種理想的致病菌防治途徑，其發展前景十分廣闊[10]。

2? 噬菌體及其裂解酶防治家畜細菌性疾病的相關研究

在家畜的眾多細菌性疾病中，最常見且最廣泛的疾病是由感染大腸埃希菌引起的疾病。2007年，一種噬菌體已獲得美國農業部批準使用，對牛體隱蔽部位進行噴灑和清洗，以減少飼養過程中大腸埃希菌的污染，這為在家畜的細菌性疾病防治中應用噬菌體和裂解酶制劑鋪平了道路[11]。

Smith等英國學者開展了利用兩種噬菌體及其混合制劑防治牛腹瀉性大腸埃希菌病的研究。試驗結果表明，口服單一劑量105 PFU/mL的噬菌體能有效治愈由大腸埃希菌O9：K30感染引起的初生牛犢腹瀉。而給未經清潔的牛舍噴灑102 PFU/mL的兩種噬菌體混合制劑后，也可起到很好的預防效果[12]。對試驗牛犢的微生物檢測表明，噬菌體在牛犢小腸內可迅速大量増殖，并高效殺滅大腸埃希菌，使其數量降到幾乎無害的范圍。

Smith等還研究了噬菌體對引起羊羔腹瀉的大腸埃希菌的控制作用。試驗給出生 8 h～16 h的羊羔口服感染致病性大腸埃希菌，8 h之后口服1010 PFU/mL噬菌體雞尾酒制劑。檢測結果表明，該制劑能顯著減少羊羔小腸內大腸埃希菌的數量，并可使腹瀉病死率降低28.6%[13]。

Wall等開展了利用多種噬菌體混合制劑控制豬沙門菌感染的研究，試驗以口服方式對出欄豬和3～4周齡仔豬接種噬菌體混合制劑。結果顯示，口服109 PFU/mL混合制劑后，仔豬回腸、盲腸和扁桃體中的沙門菌數減少了99%～99.9%[14]，該制劑還能有效殺滅出欄豬回腸和盲腸中的沙門菌。

豬鏈球菌病是一直困擾我國養豬業的主要傳染病之一，龐亮亮嘗試以噬菌體療法解決這一難題。經小鼠感染模型試驗證實，噬菌體SMP療法對感染了豬鏈球菌的小鼠能起到很好的保護效果，這為噬菌體療法在養殖業中的應用提供了理論基礎[15]。

大腸桿菌O157：H7是一種人畜共患的食源性致病菌，反芻動物是其主要宿主與傳染源。在反芻動物的飼養過程中，噬菌體療法可有效控制大腸桿菌O157：H7在反芻動物體內的定植，有效降低該致病菌進入食物鏈的風險[16]。Stanford等利用聚合物包裹噬菌體制成微囊，以抵抗外界的酸性環境。經口服噬菌體微囊治療后，肉牛體內大腸桿菌的數量顯著減少[17]。這種新劑型為噬菌體在家畜生產領域的應用和推廣奠定了堅實的基礎。

乳房炎是危及奶牛生產最常見的細菌性疾病，金黃色葡萄球菌是其主要致病菌。李隴平等發現噬菌體對金黃色葡萄球菌引起的奶牛乳房炎具有顯著的預防作用[18]。孫利利等利用噬菌體治療奶牛乳房炎，試驗在不使用抗生素的條件下通過乳頭管將? ? 106 PFU/mL的金黃色葡萄球菌噬菌體輸入患病奶牛的乳室，經2～5次處理，患病奶牛都可恢復正常的泌乳能力[19]。

當前，噬菌體與裂解酶療法在防治家畜細菌性疾病方面的效果良好，有著獨特優勢，但該技術還屬于探究階段，尚不成熟。隨著相關研究的深入和分子生物學技術的成熟，上述問題必將得到逐步解決，噬菌體與裂解酶療法在規模化健康生產中將展示出更加廣闊的應用前景。

3? 噬菌體及其裂解酶對家畜飼養環境消毒相關研究

目前，我國因傳染病死亡的豬占6%～8%，每年造成上百億的經濟損失。飼養環境消毒是對成本和疾病的有效控制，但傳統化學消毒劑的不當使用和濫用必然會讓消毒劑如抗生素一樣出現耐藥性細菌，而且更為嚴重[20]，尤為重要的是對畜禽舍環境的消毒處理基本每周都要進行，微生物的耐藥性會顯著影響消毒效果[21]，因此急需新型的生物消毒劑。

生物膜很容易生成并覆蓋在畜禽舍籠具、運輸車輛、器械及料槽等物體表面，會導致長期的污染問題。據研究，協同使用李斯特菌噬菌體和季銨鹽化合物能有效降低不銹鋼與聚丙烯表面李斯特菌的數量。有研究發現在水凝膠導管模型（銅綠假單和表皮葡萄球菌生物膜）上噴灑3種噬菌體的混合制劑，能顯著減少模型表面生物膜的生成與再生[22]。由此可見，利用噬菌體及其裂解酶對飼養設施及器械的預處理可有效提高安全性。

國內外眾多動物試驗已經證實，噬菌體雞尾酒制劑可高效殺滅環境中和動物體內的大腸桿菌，從而有效控制大腸桿菌感染[23]。徐焰等進行了噬菌體XY殺滅環境水樣內大腸埃希氏菌效果的試驗[24]，消毒效果十分顯著。

綜上所述，作為一種新型的生物消毒劑，噬菌體、裂解酶或其混合制劑（雞尾酒法）可有效抑制和殺滅空氣中和各種材質表面上的致病菌，可滿足不同家畜生產環境的消毒需求。

4? 噬菌體及其裂解酶治療研究趨勢

篩選裂解性強的噬菌體（如宿主譜廣，吸附速度快，繁殖速率高），純化用于治療。由于噬菌體的特異性，不能滿足多重感染的治療，將多種病原菌的特異噬菌體混合制備成噬菌體“雞尾酒”制劑，或者聯合應用抗生素與噬菌體，可拓寬裂菌譜。鑒于噬菌體治療存在的局限性如受機體免疫系統影響及特異性強，通過分子生物學手段重建噬菌體是噬菌體療法研究的核心事項。目前，隨著噬菌體表面展示技術日益成熟和應用普遍，在特異性抗體的表達、特異性功能蛋白的制備以及基因工程載體的修飾等方面不斷顯示出其各種優勢。此類分子克隆方法可結合噬菌體療法在防控多種家畜疫病方面發揮更好的免疫和治療作用。

裂解酶作為一種新型的抗菌藥劑，越來越多的經原核表達方法純化的裂解酶被用于治療細菌性疾病，尤其是對常規方法或傳統方法難以防控的耐藥菌研發其高效的噬菌體裂解酶具有更加重要的現實意義。裂解酶對宿主細菌作用迅速，通過基因工程技術可以產生大量的酶，比噬菌體有更寬的裂解譜，具有更廣的應用前景。對裂解酶進行設計、改造與修飾等基因工程技術可解決裂解酶存在的某些不足。連接不同裂解酶的結合域與催化域，產生嵌合體裂解酶。該類裂解酶不僅有較廣的裂解譜，較高的滅菌活性，還能在不同pH環境中殺滅病原菌。此外，裂解酶還可和乙二胺四乙酸、檸檬酸和抗生素等聯合作用。上述方法不但拓寬了其裂解譜，而且提高了其裂解活性，使之成為解決耐藥性難題的有效途徑。

在蛋白質工程和基因重組等生物技術發展迅速的今天，越來越多的科學家和企業家都深信在不久的將來，這一領域會不斷出現新的成果，并將迎來噬菌體及其裂解酶防控家畜細菌性疾病的新階段。

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