噬菌體靶向細菌治療疾病，或讓情況更糟糕？

mingxiaozi 2021-04-24

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編者按

隨著對噬菌體和腸道菌群研究的不斷深入，科學家們發現噬菌體會通過多種途徑影響哺乳動物腸道內微生物，甚至可以直接激發腸道細胞免疫反應，從而影響人體健康和疾病發展。不僅如此，研究還發現，有時使用噬菌體療法治療疾病，可能會帶來意想不到的風險。

今天，我們共同關注噬菌體，特別編譯發表在 The Scientist 雜志上的文章，希望本文能夠為相關的產業人士和諸位讀者帶來一些啟發和幫助。

噬菌體重塑腸道菌群

當微生物學家 Breck Duerkop 于 2009 年開始他的博士后生涯時，他覺得自己會專注于細菌，畢竟他加入了達拉斯德克薩斯大學西南醫學中心微生物組研究員 Lora Hooper 的實驗室，并開始研究哺乳動物腸道內宿主與病原體的相互作用，探究那些通常無害的共生細菌（如糞腸球菌，Enterococcus faecalis）成為病原體的原因。

Duerkop 決定通過給無菌小鼠接種一種多重耐藥糞腸球菌菌株（該菌株有時會在住院病人中引起危及生命的感染）來探討這個問題，并分析這些細菌如何在小鼠腸道中表達它們的基因。

然而，項目進行后不久，Duerkop 卻注意到了一些不同尋常的情況：糞腸球菌中表達的一些基因并不是來自正常的細菌基因組，相反，它們來自噬菌體，即感染細菌的病毒。有時候，如果噬菌體沒有立即劫持并殺死它們感染的細胞，它們會將遺傳物質整合到細菌染色體中。

這些整合在細菌基因組上的溫和噬菌體的核酸被稱為前噬菌體，它們可能會休眠多代，直到某些環境或其他因素重新激活它們，然后再次開始復制和表現為感染性病原體。Duerkop 的數據顯示，他使用的糞腸球菌菌株的基因組中包含 7 個這樣的前噬菌體，該細菌正是通過這些前噬菌體序列的組合在細菌定植小鼠腸道的過程中，生產大量病毒顆粒的。

Duerkop 的糞腸球菌菌株中存在病毒基因并不令人驚訝。噬菌體是細菌的天敵，是地球上最豐富的生命之一，在許多領域，研究人員認為它們的存在是理所當然的。

Duerkop 說，在動物宿主中，“沒有人真正考慮過細菌群落背景下的噬菌體”。Duerkop 說：“很容易看到它們，很容易就可以說出 '看，這里有一些噬菌體基因，這里還有?！薄５芎闷鏋槭裁醇S腸球菌在小鼠腸道中定植時，會復制并釋放它們，而不是讓前噬菌體繼續休眠。

在 Hooper 的鼓勵下，他擱置了最初的項目，以便能夠深入地挖掘這個問題。令他驚訝的是，他發現糞腸球菌菌株 V583 似乎正在利用其噬菌體獲得超越其它菌株的競爭優勢。

用多個糞腸球菌菌株進行的細胞和小鼠實驗都表明，該細菌產生的噬菌體不會傷害 V583 細胞，但會感染并殺死競爭菌株。Duerkop 和他的同事們意識到，噬菌體并不是細菌群落中的無關背景因子，相反，這種機會致病菌“對于細菌的定植行為非常重要”。

當該團隊在 2012 年發表研究結果時，噬菌體可以在腸道細菌群落中發揮如此重要作用的想法是非常新穎的。

現在，Duerkop 在科羅拉多大學醫學院經營著自己的實驗室，他說，從那時起“噬菌體可以重塑腸道中微生物群落，這一點已經得到了很好的證實，這可能會對宿主產生有益的影響，也可能會對宿主造成不利的影響”。

有證據表明，噬菌體還有助于細菌之間分享遺傳物質，甚至可能直接與哺乳動物的免疫系統相互作用，Duerkop 說，就在幾年前，這個想法還曾讓免疫學家們笑個不停。

圖.噬菌體生命周期

噬菌體影響細菌組成和進化

在 Duerkop 研究糞腸球菌的同時，牛津大學博士后 Pauline Scanlan 正在研究熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens），這是一種在自然環境中大量存在的細菌物種，通常對人類無害，盡管它與重要的人類病原菌——銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）同屬一個屬。

這個屬的細菌有時會進化出一種稱為粘液型的表型，即細胞分泌大量的海藻酸鹽化合物，在菌體周圍形成一種保護性的粘性物質。Scanlan 說，在銅綠假單胞菌中，這種粘液可以幫助細菌逃避哺乳動物的免疫系統和抗生素，“但當它突然出現時，對病人來說卻不是好消息”。

她對什么誘導了非粘液性細菌群體進化為粘液性細菌群體感到好奇，并發現之前的研究表明，噬菌體可能在其中起到了一定作用。一些研究記錄了某些患有銅綠假單胞菌感染的囊性纖維化患者肺部粘液樣本中，有豐富的噬菌體。

Scanlan 在進化生物學家 Angus Baking（現就職于埃克塞特大學）的實驗室工作，他培育了一種熒光假單胞菌，它含有一種名為 Phi2 的噬菌體，專門感染和裂解這種細菌。

研究人員指出，與普通細胞相比，有粘液涂層的細胞對噬菌體感染的抵抗力更強。更重要的是，隨著世代的推移，細菌群體在有 Phi2 的情況下，比沒有 Phi2 的情況下，更有可能進化出粘液表型，這表明這種表型可能是假單胞菌屬對噬菌體攻擊的適應性反應。

現就職于愛爾蘭科克大學的 Scanlan 指出，要將這一發現推廣到臨床環境還需要做更多的工作，但此結果表明在某些情況下，噬菌體可能是驅動細菌采用更具毒力表型的原因。

同樣來自加州大學伯克利分校的分子微生物學家 Colin Hill 說，病毒在推動細菌進化中扮演的角色與噬菌體作為“終極捕食者”的名聲非常吻合。Hill 是因為研究用于制作奶酪等發酵食品的細菌，才開始接觸噬菌體的。

Hill 指出海洋生物學中經常引用的一組數據是，在任何環境中，噬菌體每 48 小時可殺死這一環境中約 50%的細菌。海洋生物學是一個很早就開始研究噬菌體與細菌相互作用的領域，遠遠早于人類生物學。

Hill 說：“如果細菌有大腦的話，那么任何細菌的腦子里，都是噬菌體，因為這是最有可能殺死它們的東西?！?/section>

幾項動物研究也支持這樣的觀點，即捕食性噬菌體有助于塑造哺乳動物微生物組中的細菌進化和群落組成。例如，2019 年哈佛醫學院的研究人員報告稱，噬菌體不僅直接影響小鼠腸道的細菌，還通過對腸道化學和生物組成的級聯效應，影響其他微生物群落。

觀察性研究提示，類似的過程也發生于人類腸道中。幾年前，圣路易斯華盛頓大學醫學院的研究人員觀察到，兩歲以下兒童腸道中的噬菌體和細菌種群動態模式類似于捕食者-獵物循環：出生時細菌密度較低，因此，一段時間后噬菌體減少，隨之細菌發生反彈，然后噬菌體也會隨之反彈。研究小組得出結論，這些周期很可能是微生物組健康發育的自然過程。

雖然研究人員才意識到噬菌體在微生物群落動力學中的重要性，但他們已經開始探索其與人類疾病的聯系。

2015 年一項研究報告指出，克羅恩病和潰瘍性結腸炎患者的某些噬菌體水平升高，特別是有尾噬菌體目（Caudovirales）的病毒。他們提出，變異的病毒可能通過噬菌體和細菌宿主之間的捕食者-獵物相互作用，來促進致病。

其他研究探索了其他人類疾?。ㄈ缣悄虿『湍承┌┌Y）中細菌群落由噬菌體驅動變化的可能性，已知這些疾病與失衡的微生物群有關。但是，由于人類微生物群研究的觀察性質，暫時無法得出先后關系，如，病毒組的變化也可能是細菌群落失衡的結果。

目前，研究人員正在探索利用捕食性噬菌體作為武器對抗病原菌的可能性，特別是那些對多種抗生素的耐藥，且對公眾健康構成嚴重威脅的病原菌。

耶魯大學病毒學家和進化生物學家 Paul Turner 說，這里有一個原則，即“敵人的敵人就是朋友”。“如果你的微生物體內有病原體，我們能否通過引入捕食性噬菌體來去除細菌病原體嗎？而且根據以往的經驗，這種噬菌體只能殺死（病原體）?！彼a充說，盡管這一戰略是在一個多世紀前提出的，但“我們和其他人正在努力更新它?！?/section>

圖.腸道里的戰爭

噬菌體為細菌提供基因傳遞服務

捕食只是發生在哺乳動物微生物組中的一種噬菌體-細菌相互作用。許多噬菌體能夠將它們的基因組插入細菌染色體，這一技巧超出了生物界傳統的捕食者-獵物關系的界限，增加了噬菌體與細菌之間的關系復雜性，從而增加了噬菌體對人類健康的潛在影響。

倫敦帝國理工學院的 José Penadés 長期以來一直對噬菌體的這種作用感興趣。在過去 15 年左右的時間里，他和同事們描述了各種噬菌體幫助細菌在細胞間交換遺傳物質的方式。

他將噬菌體比作細菌用來運送貨物的汽車，在他看來，將噬菌體視為細菌的延伸而非獨立實體是有意義的?！斑@是細菌的一部分，”他說，“沒有噬菌體，細菌就不能真正進化。噬菌體的存在是絕對必要的?！?/section>

在最簡單的情況下，被運輸的遺傳物質由所謂的溫和噬菌體基因組中的病毒基因組成，這些噬菌體至少有一部分生命周期是作為前噬菌體藏在細菌基因組中的。

Hill 指出，這些噬菌體正逐漸受到微生物學家的重視，認為它們是人類微生物群中細菌進化的重要驅動力。由于缺乏實用和準確的病毒檢測方法，很難準確地描述駐留在哺乳動物腸道中的噬菌體的特征，但微生物學家估計，高達 50%的噬菌體是溫和噬菌體，更重要的是，對人類健康來說，其中許多噬菌體可能攜帶與細菌毒力相關的基因。

例如，研究人員很早就知道，細菌產生的許多毒素，包括一些致病性大腸桿菌菌株產生的志賀毒素，以及導致霍亂的霍亂弧菌分泌的霍亂毒素，實際上是由細菌染色體中包含的病毒基因編碼的，而攜帶這些基因的溫和噬菌體的感染，可能會將無害的細菌群變成致病性的細菌群。

其他研究的證據表明，噬菌體不僅能夠運輸它們自己的基因組，而且還能運輸少量的細菌 DNA，這種現象被稱為'細菌轉導’。在細菌轉導研究最深入的例子中，細菌基因組的極小片段被包裝成病毒顆粒，而不是與噬菌體基因組一起，被運輸到其他細菌細胞中。

然而，Penadés 和他的同事在 2018 年提交的研究結果表明，即使是非常大的細菌 DNA 片段也可以通過這種方式交換，這個過程被該團隊稱為'側向轉導（lateral transduction）’。這一發現不僅對研究人員如何理解受感染細胞中的病毒復制有影響，還為細菌分享基因的一種新方式帶來了曙光。

Penadés 說：“通過側向轉導，你可以移動細菌基因的很大一部分?！彼a充說，研究小組首先在重要的人類病原體金黃色葡萄球菌中觀察到了這種現象，現在正在其他分類群中尋找這種現象?！艾F在，對我們來說，重要的是要證明這是一個通用的機制，盡管其中還有很多漏洞?！?/section>

雖然這項研究仍處于初級階段，但這一機制可以幫助解釋巴塞羅那大學微生物學家 Maite Muniesa 和其他人的發現，他們一直在研究噬菌體是否在細菌細胞之間運輸抗生素耐藥性基因，以及它們是否可以在自然環境中作為這些基因的儲存庫。

關于這個問題的早期研究提出，像許多毒素基因一樣，抗生素耐藥性基因可能被編碼在病毒序列中，從而與病毒基因組的其余部分一起傳遞給細菌。但這個想法并非沒有爭議——2016 年對來自不同環境的 1100 多個噬菌體基因組的分析得出結論，噬菌體基因組很少包括抗生素耐藥性基因。這項研究的作者認為，此前關于噬菌體基因組中這些基因的報道很可能是由于污染，或者是因為很難區分病毒序列和細菌序列。

然而，Muniesa 的團隊已經發表了多篇關于噬菌體顆粒中含有抗生素耐藥性序列的報告，包括來自巴塞羅那一家生鮮食品零售商的肉制品樣本，以及最新的海水樣本——不僅來自地中海海岸線，甚至來自南極洲海岸，這些采樣點遠離使用抗生素的人類。

Muniesa 說：“我們非常驚訝，在這些人類影響很小的地區都發現了這些顆粒物?！北M管她的團隊還沒有確定抗生素耐藥性序列是來自噬菌體還是細菌，但她懷疑它們可能是細菌基因，然后在側向轉導或類似的過程中，最終進入噬菌體顆粒。

“或許，細菌正在以一種自然的方式，利用這些噬菌體，在它們兄弟姐妹之間移動基因，”她說，“這在任何地方都可以發生?！?/section>

Duerkop 警告說，目前還不清楚噬菌體介導的抗生素耐藥基因轉移有多頻繁，也不清楚它在人類耐藥感染的流行病學中有多重要?！斑@并不是說抗生素耐藥性不能通過噬菌體介導，”他說，“我只是認為這不是抗生素耐藥性的主要驅動因素。”

無論其天然作用如何，溫和噬菌體將自身片段插入細菌基因組的能力可能會應用到新的抗菌療法中。例如，插入致病性降低基因或擾亂細菌基因正常表達的病毒，可以用來阻礙危險細菌——去年在一項針對誘發牲畜呼吸道疾病的支氣管敗血性博德特氏菌（Bordetella bronchiseptica）的小鼠實驗中，證明了這種方法是成功的。

研究人員發現感染了長尾時噬菌體科（Siphoviridae）的支氣管敗血性博德特氏菌細胞在小鼠中的毒力明顯低于對照細胞，這可能是因為病毒基因組插入了細菌感染宿主所需的基因中間。

更重要的是，在讓小鼠接觸支氣管敗血性博德特氏菌之前，給它們注射這種噬菌體似乎可以完全保護它們免受該微生物的感染，這暗示了使用溫和噬菌體作為疫苗對抗某些細菌的潛力。

噬菌體與哺乳動物細胞的

直接相互作用

盡管人們對噬菌體在細菌間運送物質的作用越來越感興趣，但最近一些對人體腸道內噬菌體研究的最大進展證明這其中根本不涉及細菌。猶他大學微生物學家 June Round 和她的同事們拼湊出了這個特殊拼圖的關鍵片段之一。

幾年前，作為噬菌體療法研究的一部分，他們給小鼠喂食了幾種有尾噬菌體目的噬菌體，這些小鼠是某些癌癥的高風險小鼠模型，具有易感基因，此外，研究人員還給小鼠感染了一種會增加這種風險的大腸桿菌菌株。

“這個假定是相當簡單化的，”Round 回憶道，“這只是為了確定一種靶向誘導慢性結直腸癌細菌的噬菌體雞尾酒?！?/section>

該團隊驚訝地發現，盡管大多數研究人員認為，這些噬菌體只會攻擊細菌，但它們卻觸發了小鼠免疫系統的實質性反應。按照傳統觀點，哺乳動物的防御系統應該對腸道細菌和噬菌體之間的作用無動于衷。

然而，有趣的是，當研究人員把他們的噬菌體雞尾酒添加到抗生素處理的小鼠中時，他們仍然觀察到了免疫反應。Round 說，就在那時“我們意識到（這些噬菌體）很可能與免疫系統之間存在相互作用?！?/section>

進一步探索后，研究小組發現，這些噬菌體同時激活了小鼠的先天免疫反應和獲得性免疫反應。在患有結腸炎的嚙齒動物中，噬菌體加劇了炎癥。

將注意力轉向人類，研究人員從處于活動期的潰瘍性結腸炎患者、緩解期的疾病患者和健康對照組中分離出噬菌體，發現只有從活動期疾病患者身上收集的病毒才能在體外刺激免疫細胞。

接著，研究小組研究了接受糞菌移植的患者——一種治療潰瘍性結腸炎的實驗性療法，即給患者注射有益的腸道細菌，試圖緩解炎癥和改善癥狀——研究人員發現，移植時受者腸道中有尾噬菌體目的豐度較低與治療成功相關。

直到 2019 年該團隊發表研究結果時，其他幾個小組也記錄了噬菌體和宿主免疫系統之間直接相互作用的證據。與此同時，Duerkop、Hooper 和他的同事報告說，患有結腸炎的小鼠往往有特定的噬菌體群落，這些噬菌體中存在大量的有尾噬菌體目，并且與疾病同時發展。

研究人員在論文中指出，他們在這些患病小鼠的腸道中發現的許多噬菌體類型在炎癥性腸病患者的腸道樣本中，呈現出很高的豐度，這支持了噬菌體在疾病發展中的潛在作用。

Round 說，研究人員仍然不確定為什么會發生這種跨界的相互作用，特別是當涉及到宿主適應性免疫反應時，這種反應往往是針對特定病原體的。她推測如果某些噬菌體攜帶的基因可以幫助機會致病性細菌，那么哺乳動物宿主可能會從摧毀這些噬菌體中獲益。目前還不清楚免疫細胞如何識別噬菌體攜帶的基因。

與此同時，在其他幾個實驗室的工作中也發現了真核細胞和噬菌體之間互作的跡象。最近一項針對銅綠假單胞菌的噬菌體療法的研究發現，噬菌體和免疫細胞發揮了協同作用，共同清除了老鼠的感染。

其他研究表明，噬菌體與哺乳動物腸道粘膜表面細胞呈遞的糖蛋白結合，可能提供了一種抵御細菌病原體的屏障——一些微生物學家認為，這種關系代表了噬菌體與動物共生的一個例子。

Duerkop 補充說，有證據表明，哺乳動物腸道中的噬菌體不僅可以被某些真核細胞吞噬，還可能溜出腸道進入血液，從而進入身體的其他部位，然而其后果未知。

這些機制是否能被用于治療還有待觀察，但 Round 指出，如果研究人員試圖利用噬菌體，通過腸道微生物群干預人類健康，它們確實會在某些情況下增加意外影響的可能性。

她說，至少在她和她的團隊研究的慢性炎癥性疾病中，通過使用噬菌體來靶向致病細菌，“可能會讓情況變得更糟”。她補充說，所有研究這種方法的研究小組都應該考慮潛在的連鎖反應?？紤]到噬菌體與細菌及動物細胞間的多重相互作用，她說，“這比我們想象的要復雜得多?！?/section>

原文鏈接：

https://www./features/are-phages-overlooked-mediators-of-health-and-disease-68364

作者｜Catherine Offord

編譯｜萌依依

審校｜617

編輯｜晴晴大人

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來自： mingxiaozi > 《現代醫學》

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