噬菌體的過去、現在與未來

胡福泉

陸軍軍醫大學基礎醫學院 微生物學教研室（重慶 400038）

噬菌體（bacteriophage）是寄生在細菌體內的病毒。它們在細菌細胞中完成復制后可以導致宿主細胞的裂解，因此被命名為“噬菌體”，即它們可以“吃細菌”的意思。這一名稱極大地吸引了人們在歷史上對于噬菌體長久不衰的研究與關注。本文在此簡述噬菌體的發現、噬菌體研究在推動科學進步上的歷史貢獻、噬菌體在疾病治療中的應用、噬菌體在疾病診斷中以及其他領域中的應用。

1 噬菌體的發現

噬菌體是地球上最富多樣性的生命體，它們存在于我們生活周圍的土壤、水體、空氣、海洋、飲用水、食品等環境中[1]。可以說，只要有細菌的地方，就會有噬菌體存在[2]。有文獻報道，地球生物圈中的噬菌體數量可達1030～1032個。噬菌體對于維持地球生物圈中的微生菌群及其生態系統的平衡有著極為重要的作用，因此對人類的生存及其健康有著極為重要的意義，是值得我們高度關注和深入研究的生命現象。

人們公認噬菌體是由Frederick Twort和Félix d’Hérelle 分別在1915 和1917 發現的[3]。在噬菌體被人類發現前已有種種跡象表明噬菌體的存在。19世紀末，恒河流域爆發了罕見的霍亂流行。但這次流行并沒有迅速蔓延，而是很快自動消失了。當時，研究這次疫情的英國細菌學專家Ernest H.Hankin 發現：城市上游水體中霍亂菌為10 萬個/毫升，下游則僅為90個毫升。因此他推測恒河水中可能存在著可以將霍亂病菌殺滅的物質。1896年Hankin報道印度的贊木納河及恒河的水中存在對霍亂病菌具有殺菌活性的物質；這種活性具有可濾過性，且可被煮沸所破壞，但當時他推測可能是一種化學物質。Emmerich等（1901）報道有些細菌培養物在存放期間可以發生自溶解，用這種自溶解物可治愈同種細菌引起的實驗感染動物。但這時人們還沒有明確意識到“噬菌體”這種東西的存在。

Frederick Twort 于1915 年在國際著名雜志柳葉刀上發表了一篇文章，他當時試圖在無活細胞的固體培養基上培養牛痘苗病毒。在一次偶然的試驗中，他發現培養基上長出的污染菌落發生了“透明化變”（glassy transformation）。他將透明變菌落取一小點接種到其他菌落上，后者也發生了透明化轉變。他用吉姆薩染色透明化變的菌落，在顯微鏡下觀察，發現細菌變成了一些更小的顆粒。Twort 在討論中做推論：很可能存在一種比細菌更小的且在超顯微鏡下看不到的“小病毒”（small virus），它們在細菌胞中生長，形成一種具有“生長力”（power of growth）的“不定形體”（no definite individuals），它們可引起細菌的急性傳染病。今天看來，Twort當時所看到“透明變”區域，正是我們今天所說的“噬斑”。他指出導致菌落透明化變的因子具有生長力，并使用了“virus”一詞，已經接近噬菌體的本質。

同一時期，Felix d’Herelle正在進行另一項獨立研究。當時，D’Herelle 被征召去研究法國軍隊中爆發的痢疾。他取痢疾病人的大便進行過濾，以尋找那種可以在痢疾桿菌體內生長的“看不見的病毒”（invisible virus）。他驚奇地發現，這種不可見病毒可引起細菌培養物溶解，可使菌落變成透明區。他指出：這種不可見因子可以繁殖，細菌溶解是這種病毒繁殖的結果。總結自己的研究，D’Herelle于1917報道：發現了一種對細菌具有拮抗性的微生物（a microbe antagonisitic to bacteria）；他把菌落透明變區首次稱之為“噬斑”（plaques）；把引起噬斑的東西稱為“超微病毒”（ultraviruses）；認為它們可入侵細菌，在細菌體內繁殖并“消費”（expense）細菌；他第一次把這些超微病毒稱之為噬菌體（bacteriophage）；他提出噬菌體可作為傳染病的治療因子。

然而，D’Herelle有關噬菌體的觀點，一經提出，就挑戰了細菌學家Jules Bordet 的觀點。Jules Bordet在1919剛獲得諾貝爾獎，他的貢獻是發現了血清成分抗體及補體的溶菌作用。于是Bordet 及其同事立即著手研究噬菌體及其溶菌作用。Bordet 認為所謂“噬菌體”不過是一種溶解酶而不是微粒性超顯微的微生物。Bordet 發動了對D’Herelle 關于噬菌體觀點的攻擊。他立即用Twort 的文章挑戰D’Herelle 發現噬菌體的優先權。D’Herelle 則回應稱：Twort 觀察到的現象與他自己所研究的噬菌體溶菌現象是有本質不同的。而Bordet的挑戰反而激發了D’Herelle進行了一系列有關噬菌體本質的研究。這種激烈爭議延續了十年之久。而Twort 則是被動的卷入了這場戰爭，他扮演的是這場“Twort-D’Herelle”爭議戰中Bordet 的替身。1932 年，D’Herelle 和André Gratia（Bordet 的代表）同意進行一場科學決斗：在一個獨立的實驗室，由高度受人尊敬的獨立科學家作為雙方的代表：他們是Paul-Christian Flu（萊頓熱帶醫學研究所所長）和E.Renaux（Liege 大學的微生物學教授），由他們對Twort 的物質和D’Herelle 的物質，進行“平行比較”（side-by-side comparison）。最后，他們得到的結論是：Twort 現象和D’Herelle 現象是相同的。因此，在這之后，人們公認Twort 和D’Herelle 是噬菌體共同發現人。在噬菌體發現近100 年之際（2015年9月），Nature Reviews Microbiology發表了長篇綜述性文章以紀念Twort和D’Herelle在發現噬菌體中的歷史貢獻[4]。

2 噬菌體研究在推動科學進步上的歷史貢獻

噬菌體一經發現，人們就期待它在抗細菌感染中發揮重大作用。然歷史來到了1928年，亞歷山大·弗萊明發現了青霉素。當時青霉素堪稱抗感染的萬能藥，能將大部分細菌感染疾病治好。隨后一大批其他類抗生素也相繼被發現和應用。由于抗生素在抗細菌感染中的有效性、廣譜性和廉價性，人們找到了抗感染的金鑰匙。在隨后的幾十年中，噬菌體用于抗感染治療的研究和應用沒有再受到人們的重視。

然而無心插柳柳成蔭，噬菌體研究卻在生命科學領域結出了碩果。由于噬菌體個體微小，容易培養，且易于遺傳操作。因此，噬菌體成為人們研究生命現象的理想對象和材料[5]。科學家們利用噬菌體作為研究對象，以探索生命現象的許多規律，并取得了巨大成功[6]。美國冷泉港被奉為分子生物學的“圣地”，其實冷泉港學習班的頭兩期就是有關噬菌體的學習班，隨后才轉為分子生物學學習班。后來該學習班的講義衍化成為了“分子克隆”（molecular cloning）一書,現已成為現代分子生物學的“圣經”。可以說人類在生命科學領域內所取得的許多偉大成果、以及奠定今天分子生物學基礎的許多重要理論和技術都與噬菌體研究密切相關。這些重要成就包括：

Luria and Delbrück 1943 年利用噬菌體完成“彷徨試驗”（fluctuation test），揭示了細菌的突變是發生在噬菌體選擇之前，噬菌體作為選擇因素不過是把突變子選擇出來而已。基于此他們提出了“突變與選擇理論”。

Hershey and Chase 等1952 年通過用放射性元素P32標記噬菌體DNA、用S35標記噬菌體衣殼蛋白。在噬菌體繁殖的子代中發現了P32，并沒有發現S35的存在，從而證實了遺傳的物質基礎是DNA,這一工作獲得了1969年諾貝爾生理學與醫學獎。

1955 年Seymour Benzer 通過對T4 噬菌體rII基因精細結構的解讀，揭示了生物遺傳學中“三聯密碼子”。

1961 年，Fran?ois Jacob and Jacques Monod 報道了大腸桿菌的乳糖酶調控系統，指出乳糖酶受底物誘導表達，且乳糖酶的表達受到DNA-結合蛋白（抑制子）、激活子以及終止子的調控，這些工作充分利用了基于噬菌體的載體，以λ噬菌體為范例，揭示了基因表達調控的通路。為此，Jacob,Monod and Andrè Lwoff獲得1965諾貝爾生理學與醫學獎。

1960s 晚期及1970s 初期，Wende 等發現了細菌的限制性修飾（restriction–modification，R-M）系統。DNA 修飾（常常是甲基化修飾）是為了保護大腸桿菌自身的DNA 免受限制性內切酶的切割。后來Smith等發現II-型限制性內切酶切割位點的序列特異性以及Weiss 等人發現了T4 噬菌體鏈接酶，這些工作直接為分子克隆技術的誕生奠定了必備基礎。為此，Werner Arber,Daniel Nathans and Hamilton Smith獲得1978年諾貝爾生理學與醫學獎。

噬菌體載體為基因克隆提供了解決方案。λ噬菌體載體是強大的表達載體，Collins等利用λ噬菌體構建了粘粒（Cosmid）,這使得大片段DNA 克隆成為可能。基于P1噬菌體構建的人工染色體（artificial chromosomes），被用于克隆更大的DNA 片段。基于M13噬菌體載體的構建、T7 噬菌體DNA 聚合酶的發現，為今天DNA高保真測序提供了解決方案。

噬菌體技術使得通過細菌基因的突變來研究基因功能成為可能。例如，λ自殺載體（在宿主菌中不能自主復制）可用于遞送轉座子，用于隨機致突變研究。利用M13 及fd 噬菌體可以實現定點突變（site-directed mutagenesis）研究。又如Mu 噬菌體在大腸桿菌中可隨機轉座，用于制備轉座子文庫。它們都是研究基因功能的強有力工具。

噬菌體在基因組測序技術的建立與發展中舉足輕重，生物的全基因組測序首先就是在噬菌體中實現的。第一個被測序清楚的生物是由Walter Fiers 等于1976 年完成的ssRNA 噬菌體MS2。緊接著，1977年Fred Sanger 團隊完成了ssDNA 噬菌體ΦX174 的基因組測序。1982年該團隊又完成了dsDNA噬菌體λ的全基因組測序。在λ噬菌體測序中建立了鳥槍法文庫，使用的限制性內切酶、T4連接酶、M13噬菌體載體，全都是噬菌體產物。所建立的這些測序方法與流程后來被用于大腸桿菌及人類基因以及其他許多生物基因組的測序。

噬菌體展示（phage display）技術被譽為生物工程技術領域的奇葩。Smith 等利用噬菌體展示將編碼某種生物活性肽或蛋白的基因替換噬菌體的衣殼蛋白基因，從而把具有應用價值的目標基因表達在噬菌體顆粒表面，實現大規模制備具有商業價值的生物活性肽或蛋白質產品。

最近，炙手可熱的CRISPR-Cas9 基因編輯技術是源于人們對噬菌體與細菌相互作用的深刻理解而建立起來的一種先進技術[17-18]。這種技術利用了細菌對噬菌體的免疫機制，采用任意人工合成的“引導RNA”（guiding RNA）序列與Cas9 蛋白形成的復合物。在“引導RNA”的指引下，Cas9 可在基因組序列上的任一位置實現人工切割與編輯。

噬菌體也催生了現代合成生物學（synthetic biology）技術。2003 年，Venter 等通過人工合成并組裝了噬菌體ΦX174 基因組，這是首個通過合成生物學技術合成的生物基因組。合成生物學旨在通過人工合成一些具有某種性質（或功能）的“基因元件”，再把所需的元件組裝在“底盤”（chassis）上，從而讓微生物表達與生產成人們所需要的產品。

噬菌體整合酶、重組酶被常被用于催化兩個序列的“位點特異性重組”（site-specific recombination）。基于噬菌體P1 的Cre–loxP 位點特異重組系統已在真核細胞或細菌中實現了精細的遺傳操作。

而T7 噬菌體RNA 聚合酶已被用于合成生物學中的“回路設計”（circuit design）。因此，將噬菌體用于電池、存儲器，生物計算機（biocomputor）等已不再是科幻小說中的事。

基于上述事實，可以毫不夸張地說，沒有噬菌體的研究及其相關知識積累，就不會有今天的分子生物學技術、基因工程技術、合成生物學技術及基因編輯技術。

3 噬菌體在疾病治療中的應用

噬菌體治療（phagotherapy）是指利用噬菌體來治療細菌引起的感染[9-11]。D’Herelle在研究法國軍隊士兵中爆發的痢疾時，發現恢復期痢疾病人之糞便中的噬菌體滴度最高，他認為病人的恢復與噬菌體的作用有關。在1919 年夏天，他又使用噬菌體來預防雞感染禽傷寒桿菌，并于1921年首次報告了用噬菌體來控制禽傷寒的流行。同年，Bruynoghe and Maisin報告使用葡萄球菌噬菌體來治療皮膚癤子。此外噬菌體還被用來治療死亡率很高的多殺巴斯德菌（pasteurella multocida）引起的牛出血性敗血癥。D’Herelle 于1920 s 想將噬菌體治療延伸到人體治療。在進行人體治療之前，他口服了痢疾桿菌噬菌體懸液，在自己身上做安全性試驗；在沒有任何局部和全身反應情況下，他又給合作伙伴和他的家人注射了噬菌體懸液。在證實了噬菌體確實無害之后，他用痢疾桿菌噬菌體治療了痢疾病人（1926）。

引起最廣泛注意的是后來D’Herelle 使用直接淋巴結注射噬菌體治愈了4 例腹股溝淋巴結腺鼠疫（bubonic plague）。這一結果1925 年報道在法國雜志《La presse médical》上。之后，英國政府邀請D’Herelle到印度孟買研究使用噬菌體治療霍亂流行。來自印度1920 s and 1930 s的報告顯示，口服噬菌體治療使得霍亂病人癥狀的嚴重程度、持續時間、以及死亡率明顯降低。1924年，巴西Oswaldo Cruz 研究所生產了抗痢疾噬菌體制劑，用于治療痢疾患者。1926 年，George Eliava和D’Herelle在前蘇聯格魯吉亞第比利斯建立了噬菌體研究所（Eliava Tbilisi Institute of Bacteriophage）。后來在1970 s，有幾個WHO 資助的在巴基斯坦進行的研究顯示，高劑量的噬菌體治療與四環素治療有同等效果。這一時期，一些公司也開始在市場上銷售噬菌體制劑。其中，第比利斯噬菌體研究所一直堅持噬菌體治療的研究與應用，是現今國際上歷史最長和規模最大的噬菌體治療研究機構。1940 s年代，美國的Eli Lilly公司也曾生產了7種人用噬菌體制劑，用于治療葡萄球菌、鏈球菌和大腸桿菌等細菌感染。后來，由于抗生素的出現，噬菌體治療被西方國家所忽略。這段期間，噬菌體治療的研究主要存在于前蘇聯有關國家，如波蘭、格魯吉亞、俄羅斯等國境內。

在我國，新中國建立之初，抗生素非常匱乏。我國也開始了噬菌體治療的研究和實踐。大連生物制品研究所、武漢生物制品研究所都在我國開展過噬菌體制劑的生產與應用。1958 年，勞動模范邱財康在大煉鋼鐵期間不幸嚴重燒傷，感染了綠膿桿菌，在生命垂危之際，我國微生物學界老前輩余賀江氵教授率領的醫療小組利用噬菌體成功地搶救了邱財康的生命。當時人民日報報道了此事，這一事跡也被拍成電影《春滿人間》。

當前，噬菌體治療再度受到人們的關注。主要原因是隨著抗生素的廣泛使用甚至濫用，耐藥性細菌不斷出現且廣泛流行，甚至出現了多耐藥、泛耐藥菌株及超級細菌（superbug）。超級細菌感染變得無藥可用，細菌的耐藥性已構成對人類的嚴重威脅。人類在抗生素之外，迫切需要尋求更多的抗感染手段。在此背景下，人類再次把目光投向了噬菌體治療。2013 年全球第一個噬菌體裂解酶產品Gladskin 上市，用于治療MRSA感染。目前還有多個噬菌體裂解酶已進入臨床研究階段。2013 年美國FDA 批準Intralytix公司研發的沙門氏菌噬菌體制劑SalmoFresh?為公認安全產品，并批準其上市。2014 年，美國NIH認可噬菌體可作為抗耐藥的手段之一。2014 年，歐盟斥資520萬歐元啟動噬菌體治療細菌感染的跨國臨床研究計劃Phagoburn。2014年，法國、比利時和荷蘭的科學家使用噬菌體治療大腸桿菌和綠膿桿菌的燒傷患者。2017年美國圣地亞哥全球衛生研究所的專家Steffanie Strathdee 利用噬菌體成功救治了其丈夫的超級細菌感染。目前，我國上海市公共衛生中心噬菌體研究所朱同玉領導的小組在利用噬菌體治療耐藥性細菌如鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌、肺炎克雷佰菌等引起的難治性感染取得成功，在我國開啟了噬菌體治療的新征程。

如果對噬菌體治療加以分析，我們不難看出其具有幾方面的優越性：首先，噬菌體對細菌的侵染具有高度特異性，不會殺滅目標菌種之外的細菌，這就避免了噬菌體的使用不會導致“菌群失調”一類醫源性疾病的發生；第二，噬菌體在體內清除目標菌后，會由于失去宿主菌，不能再復制，因而會從病人體內消失，不會發生蓄積中毒；第三，噬菌體只感染細菌，不進入人體細胞，不會擾亂人體細胞代謝，迄今尚未發現噬菌體治療帶來毒副反應；第四，噬菌體在細菌體內復制后，其遺傳物質與宿主菌基因組間可發生重組，成為細菌多樣性的驅動力；第五，由于噬菌體感染不進入人體細胞，目前尚未發現噬菌體對人體具有致突變能力與遺傳毒性。

概括自噬菌體治療的百年歷史，人們用噬菌體治療過的病原體包括葡萄球菌、鏈球菌、克雷伯氏菌、大腸桿菌、變形桿菌、綠膿桿菌、痢疾桿菌和沙門氏菌、鮑曼不動桿菌等[12]。在人體治療過的疾病包括外傷感染、手術后感染、燒傷感染、胃腸炎、膿毒血癥、骨髓炎、皮膚感染、泌尿道感染、膿胸和肺炎等等。最引人注目的是：對于那些由超級細菌感染的病人，已到無藥可用的地步，噬菌體治療是目前唯一的選擇。

噬菌體治療已有百年歷史，但尚未得到廣泛地應用，必然有其限制性瓶頸：

①噬菌體對宿主菌的識別特異性太高[13-14]。一般而言，一個噬菌體在同一“菌種”的菌株中，只能感染少數菌株，其敏感性覆蓋率通常在百分之幾至百分之十幾。故通常認為：噬菌體對細菌識別特異性是在細菌“株”水平。很難找到一種噬菌體對某種細菌的感染普遍有效，這種狀況嚴重限制了噬菌體制劑的廣泛應用。

②噬菌體本是大分子蛋白和核酸的復合體，具有很強的免疫性，可激活機體對噬菌體制劑的免疫清除機制。因此，反復在同一個體使用噬菌體治制劑，會導致噬菌體制劑在體內的生物半衰期大為縮短，降低治療效果。

③反復在同一個體使用同一噬菌體制劑，有可能引發過敏反應。

④噬菌體制劑被廣泛應用后，必然像抗生素那樣，細菌會對噬菌體產生耐受性[15]。

根據我們實驗室的數據，細菌對噬菌體產生耐受的幾率似乎比抗生素耐受幾率更高。也就是說，在推廣噬菌體治療之后，細菌對噬菌體的耐受亦然會是一個嚴峻的問題。

4 噬菌體在疾病診斷中的應用

4.1 用于細菌的鑒定與分型

細菌鑒定與分型的傳統技術是基于細菌的表型特征，如形態、染色、生化試驗、血清學試驗等表觀特征。傳統的細菌鑒定與分型技術定義的一個細菌的“種”，利用噬菌體則可將其進一步分為若干“噬菌體型”。如利用噬菌體可將具有Vi 抗原的的傷寒沙門氏菌分為96 個噬菌體型。需要指出的是，由于噬菌體宿主譜的多樣性，噬菌體在細菌鑒定中主要由于“種”之下的進一步分型[16]。噬菌體分型目前在臨床病原學診斷中意義不大，但在病原體的流行病學溯源方面具有重要意義。

4.2 用于檢測標本中的未知細菌

由于噬菌體必須在細菌活體內才能完成其復制，如果從標本中檢出某種噬菌體常提示該樣本中有相應的細菌存在。因此，如果用某種已知噬菌體作為診斷試劑，與臨床標本在37 ℃孵育2～3 h，再檢測噬菌體的數量，如果噬菌體數量明顯增加，那就表明標本中存在相應的細菌。但在這種情況下，如果檢測獲得陽性結果，具有診斷意義；但若檢測為陰性結果，由于噬菌體的宿主譜可能不能覆蓋該菌種內的所有菌株，故不具有排除診斷的意義。

4.3 用于細菌診斷的噬菌體新技術

從診斷角度考慮，可以利用噬菌體對細菌的“裂解活性”作為判斷指標來建立診斷方法。此外，也可利用噬菌體與宿主菌之間的“特異性吸附”來建立診斷方法。噬菌體與細菌間的特異性吸附是通過其“受體結合蛋白”“RBP”與細菌受體的結合來完成的。“RBP”實質上是噬菌體與細菌受體結合的配體。但需要指出的是利用“特異性吸附”來建立的方法，其檢出率可能會遠遠高于利用“裂解活性”來建立的檢測。因為，即使噬菌體完成了吸附、穿入步驟，如果噬菌體不能完成復制，也不會出現裂解活性。此時就只能檢測到“特異性吸附”，而不能檢測到“裂解活性”。下面介紹的新技術中，有的是基于裂解活性、有些是基于特異吸附的方法。

4.3.1噬菌體觸發的離子級聯感應(sensing of phagetriggered ion cascade)技術 該方法是基于噬菌體在侵染細菌時，會在細胞膜上溶解出一微孔,造成胞內離子外流,導致被稱為“電容”的細胞膜內、外電勢差變化,此變化可被感應和檢測。該方法是基于裂解活性的方法。本法的優勢在于檢測過程中不要求培養細菌,檢測的是活菌，且能被用于檢測活的但不能培養的細菌。

4.3.2基于噬菌體檢測細菌的生物發光法 該法在4 ℃條件下將噬菌體結合到甲苯磺酰基活化的磁珠上，通過噬菌體的RBP與目標細菌結合，再通過磁性分離“噬菌體-磁珠-細菌”復合物，將其在37 ℃孵育，噬菌體進入細菌體內復制，并裂解細菌，釋放出細菌胞內的ATP；繼之，通過“熒光素酶-ATP”生物發光系統檢測發光信號，從而實現檢測目標細菌。該方法亦是基于裂解活性的方法。本方法有賴于噬菌體在活菌體內完成其復制，故本法檢測到的只能是活的細菌，排除了死菌的干擾。

4.3.3基于噬菌體檢測細菌的電化學發光傳感器法 該方法將已知的噬菌體（或其RBP）與羧化石墨烯結合形成復合物，再將此復合物定位到玻璃碳電極上，形成電化學發光（electrochemiluminescent，ECL）傳感器，用于檢測樣本中的目標細菌。檢測過程中，由于噬菌體與細菌的結合，形成一個非導電生物復合物，阻遏了界面電子傳導，阻斷了ECL活性分子的擴散，導致ECL的衰減。在一定范圍內，這種ECL的衰減與樣本中的細菌呈負相關。故利用此電化學發光傳感器可實現樣本中的細菌檢測。本方法是一種非基于裂解活性的方法。

4.3.4利用基因工程表達的噬菌體RBP 檢測細菌該方法首先采用分子克隆技術在大腸桿菌中表達噬菌體的RBP。RBP不具有裂解活性，但具有與細菌特異性結合的能力，因此可用作檢測細菌的試劑。在做RBP 克隆表達時，還可將編碼RBP 的基因與報告基因（如熒光蛋白基因、熒光素酶基因等）共表達。然后利用報告基因，將噬菌體與細菌之間的特異性結合轉化為一種可檢測信號，實現對細菌的檢測。該方法是一種純粹基于特異性吸附的方法。

上述新方法尚處于探索之中，尚未進入臨床應用，其根本原因是其覆蓋度尚難達到細菌“種”的范圍。

5 噬菌體在其他領域中的應用

5.1 噬菌體在疾病預防中的應用

噬菌體可調控特定環境中宿主菌的數量與分布。宿主菌達到一定數量，噬菌體就會繁殖起來；隨著噬菌體的繁殖，宿主菌數量又會被壓制下去。二者在動力學上存在著此起彼伏的態勢。因此理論上講，可以利用噬菌體來調控某一特定環境中的病原體數量，從而達到防控疾病的目的。最近，臺灣慈濟醫院陳立光教授首次報道了這一機理的實踐應用。從2009年開始，耐亞胺培南的鮑曼不動桿菌在臺灣多地區（臺北區、中區、南區、高屏區及東區）流行，且形勢嚴峻。2015及2016年陳教授開始在流行最重的臺灣東區使用所研制“噬菌體清潔劑”，耐藥鮑曼得到很好控制。有人質疑上述結果是否與噬菌體清潔劑使用有關，故2017 年刻意停止使用，當年就又出現流行反復。2018 年重新使用了該噬菌體清潔劑，區域內的鮑曼不動桿菌流行重新得到控制。這項工作在臺灣獲得第13屆“臨床創新獎”。從上述實例表明在一些特定環境，如ICU病房、燒傷病房等的特定區域內，使用區域內分離的優勢流行菌株作為宿主菌分離的噬菌體，再用此噬菌體來控制該病原體所致疾病的流行是可行的。

5.2 噬菌體在農業領域的應用

與人類疾病的防治類似，噬菌體同樣可以用于牲畜和家禽類動物的細菌感染性疾病的治療、診斷和預防。2006 年，美國FDA 批準了某公司針對產氣莢膜梭菌的噬菌體制劑用于消除養殖禽類的細菌感染。由于動物用噬菌體治療制劑應用的準入門檻較人用制劑低。因此，動物用噬菌體治療制劑研制所承擔的風險更小，成本更低。研制動物用噬菌體制劑更容易實現，也將更具有應用前景。

沙門氏菌、產氣莢膜梭菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、鏈球菌、李斯特菌等是家畜或家禽中重要的感染性病原體。這些病原體引起的家畜或家禽感染性疾病死亡率很高，嚴重影響到家畜與家禽的生產。在魚和蝦的水產養殖中，假單胞菌、殺鮭氣單胞菌、嗜水產氣單胞菌、發光弧菌、哈維弧菌、愛德華菌、嗜冷水螺菌常常是魚或蝦的重要病原體，對水產養殖危害很大。既往在畜牧、禽類及海產養殖中常常使用抗生素以保證產量，但由于抗生素使用引起的耐藥性擴散以及抗生素殘留對人類健康帶來嚴重影響，引起了全球關注。各國相繼出臺了在動物性食品生產中限制抗生素使用的相關政策。因此，使用噬菌體來防治家畜、家禽、魚蝦的細菌感染性疾病是一個值得開拓的領域。

有些植物病害是由細菌引起的，噬菌體對于植物根際和葉際病原菌具有防控潛力。2005 年，美國即批準噬菌體制劑用于控制黃單胞菌和丁香假單胞菌引起的番茄和胡椒的斑點潰爛病。利用噬菌體來控制農作物病害是一個具有光明前景的應用領域[17]。

5.3 噬菌體在工業及飲食衛生中的應用

在發酵工業中，由于細菌污染常導致發酵失敗，造成嚴重損失。使用噬菌體控制發酵過程中的污染，早已在發酵工業中成功使用。

食源性感染是公共衛生健康的主要威脅。WHO報告每年死于食物污染和水源性腹瀉者約200 萬人。食源性疾病導致美國每年約100 億美元～830 億美元的經濟損失。噬菌體制劑可用于控制食品中的細菌生長，使得食品得以保鮮，并控制食源性疾病的發生。在這一領域已有很多上市產品，美國FDA 已經批準了4 種噬菌體制劑用于食品安全。美國環保機構（EPA）也批準了一種噬菌體制劑用于控制食品加工廠的細菌污染。這幾種制劑主要是針對李斯特菌、沙門氏菌的。

5.4 噬菌體在生物高技術領域中的應用

與噬菌體有關的分子生物學技術、生物工程技術很多。有的已是常規技術，篇幅之限，不一一介紹，這里強調三個方面的應用。

5.4.1轉座子文庫與細菌基因功能研究 噬菌體轉座子文庫是用轉座子轉染目標菌株形成的文庫。一個高質量的文庫，文庫中的每一個細菌都會被一個（且只能被一個）轉座子隨機插入，使該基因被插入失活。隨機挑取菌株，以轉座子序列為測序引物，側向測序至細菌基因組的一段序列，即可知道該菌體被插入失活的基因，以失活基因命名該菌株。如此反復隨機挑取菌株測序鑒定，直至挑取到每個基因的失活菌株，構成一個轉座子失活基因的文庫。有些生物工程公司專門制作這種轉座子文庫，目前很多菌種都有商品化的轉座子文庫出售。有了這種轉座子文庫，為我們研究單基因失活后的表型變異及基因功能研究提供了基礎。目前，幾乎所有病原學細菌都有菌株被完成了全基因組測序，但通過注釋分析，我們會發現超過半數的細菌基因都是功能未知基因。有的基因，雖然被注釋了一種功能，但這很可能只是該基因一個方面的功能，有些基因可能不止一種功能。因此，細菌的功能基因組學研究仍然任重道遠。而轉座子文庫是我們研究基因功能的有用武器。

5.4.2噬菌體展示技術與生物制藥 噬菌體展示（phage display）技術是一種高效制備生物活性肽或蛋白質分子的現代分子生物學技術。其原理是用欲表達的基因替換噬菌體的衣殼蛋白編碼基因，使欲制備的活性肽或蛋白質分子呈現在噬菌體顆粒表面。用這樣重組的噬菌體感染宿主菌，獲得大量噬菌體顆粒，再從噬菌體顆粒回收目標分子。這是一種制備生物活性肽或蛋白質分子的非常有用的生物制藥技術。

5.4.3基因編輯技術與生物改造 近年，人們在研究噬菌體與宿主菌相互作用的過程中發現了細菌的CRISPR/Cas 系統。基于CRISPR/Cas 的作用機制，建立起來了基因編輯技術。雖然，該系統中的Cas蛋白作為核酸切割酶，并不具有識別和特異切割DNA序列的特點，但在引導序列（guiding sequence）的引導下其切割活性就具備了特異性。而引導序列是可以人為任意合成的，這就使得我們有了在基因組上任意切割某一部位，或進而插入目標序列的技術手段，這就是基因編輯技術。基因編輯技術可用于編輯任何生物（包括人類）的基因組。但是，若將其用于編輯人體胚胎基因組時，在胚胎期被改變的基因組將存在于人體的所有有核細胞（包括生殖細胞），這就會導致被編輯的基因在人類擴散，其危險性是無法估計的。各國都嚴格禁止使用基因編輯技術來改變人體胚胎的基因組。因此，基因編輯技術用之于人體，僅限于編輯體細胞，用于治療單基因遺傳學疾病。而在微生物學中，基因編輯技術是制備微生物突變體的有力工具。

6 展望

噬菌體作為非細胞型病毒，嚴格寄生在前核細胞型微生物如細菌體內。它的培養成本低，且易于遺傳造作。因此，噬菌體是生命科學領域研究生命現象及其規律的理想對象和材料。歷史上，噬菌體研究為今天的分子生物學、合成生物學、基因工程技術、及基因編輯技術等領域做出了不可磨滅的巨大貢獻。但人類在認識生命現象的本質及其規律方面，尚任重道遠，相信噬菌體作為理想的研究對象和材料，將在生命科學領域繼續發揮重大作用。

噬菌體作為細菌的天敵，在抗細菌感染領域具有天然地應用前景，但由于噬菌體的宿主譜太窄，嚴重限制了噬菌體治療的推廣與應用。在如何突破噬菌體治療的限制性瓶頸、拓展噬菌體宿主譜、研發噬菌體基因編碼產物等領域，亟待取得突破。在細菌對抗生素的耐藥性日趨嚴重的今天，超級細菌的感染已導致無有效抗生素可用，在抗耐藥性細菌感染方面，噬菌體治療可能是最佳選擇。

噬菌體應用不僅僅限于疾病治療，它們在疾病診斷、疾病防控、獸醫領域、生物制藥、畜禽養殖、海產養殖、食品衛生、工業發酵、土壤生態防治等領域都有著光明應用前景。