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人類腸道是各種微生物的棲息地，其中包括大量對宿主健康至關重要的細菌。然而，腸道微生物組的另一個重要組成部分——病毒，尤其是噬菌體(bacteriophages)，卻鮮少得到同等關注。 噬菌體是一類專門感染細菌的病毒，最早于20世紀初被發現。它們是地球上最為豐富的生物實體，據估算，每克糞便中約含有10億個噬菌體。盡管數量驚人，腸道中的病毒群（即病毒組，virome）卻仍是一個未被充分探索的領域。“噬菌體中的未知成分規模巨大，”英國萊斯特大學的Martha Clokie指出。 根據《自然》對人類微生物組的報道，研究人員迄今測序的噬菌體中，約四分之三僅感染30個細菌屬?！拔覀兊牟《窘M極其豐富且多樣，但我們僅觸及了冰山一角，”澳大利亞墨爾本莫納什大學的噬菌體生物學家Jeremy Barr表示。 對噬菌體了解不足并非因為缺乏興趣——美國國家衛生研究院(NIH)設有專門的項目致力于對人體腸道內病毒進行編目和表征。問題在于，這些病毒難以研究。然而，隨著測序和培養技術的進步，越來越多的證據表明，噬菌體在腸道微生物組的生態系統中起著關鍵作用，并對人類健康產生深遠影響。（10月31日 Nature “Hidden players: the bacteria-killing viruses of the gut microbiome”）
研究偏好與技術限制 研究人員對噬菌體的認識主要集中于那些感染有害細菌（如沙門氏菌屬(Salmonella species)和大腸桿菌(Escherichia coli)）的噬菌體，這與利用它們來對抗病原體的興趣有關——這一概念被稱為噬菌體療法(phage therapy)。相比之下，那些感染腸道無害共生菌的噬菌體則鮮有研究。2019年，愛爾蘭科克大學的微生物學家Colin Hill及其同事對10名個體的腸道進行了測序，發現了約40,000個病毒基因片段，但其中僅241個與已知噬菌體有較高的相似性。 即便如此大量的病毒序列，仍可能低估了腸道中病毒的多樣性。盡管DNA測序技術的進步增加了對雙鏈DNA病毒的認知，但單鏈DNA和RNA噬菌體因設備限制和高昂的成本常常被忽視。 許多噬菌體被認為只感染特定菌株的細菌，且僅憑基因序列難以確定特定噬菌體的功能。“很多時候，我們甚至無法判斷它感染的宿主是什么，”Barr表示。 2014年的一項研究中，DNA片段拼接技術揭示了crAss噬菌體(crAssphages)這一病毒家族，它們在人類腸道中極為豐富。某些crAss噬菌體的基因組大小與細菌相當；在部分個體中，這些噬菌體占據了腸道所有病毒DNA的90%。然而，當crAss噬菌體的基因與已知微生物進行交叉比對時，匹配度卻極低?！斑@種生物在我們每個人的腸道中都有極高豐度，但我們對其40-50%的基因功能一無所知，”華盛頓大學圣路易斯分校的微生物學家Scott Handley稱，“我們稱之為功能暗物質(functional dark matter)?！?/p> 通過識別細菌從噬菌體捕獲并插入其自身DNA的序列等技術，可以揭示哪些噬菌體感染了哪些宿主。這些序列代表了細菌的一種原始免疫記憶形式，也是CRISPR-Cas9基因編輯技術的基礎。西雅圖的生物技術公司Phase Genomics開發了一種方法，允許研究人員在噬菌體感染細菌細胞時捕捉其DNA，該方法通過化學交聯固定與細菌DNA接觸的噬菌體DNA。 然而，Hill指出，自crAss噬菌體被發現后的五年間，它們幾乎只在計算機中被研究。在他看來，依賴測序是一把雙刃劍?！拔覀儗κ删w的類型了解得更多了，但同時也逐漸遠離了對其宿主培養及其生物學特性的理解，”他說。 包括Hill在內的許多噬菌體生物學家認為，現在是時候重返實驗室，培養腸道細菌以揭示更多的噬菌體?！拔覀儗κ删w基因組的理解越來越多，但對其實際行為的理解卻日漸減少，”他說。 培養之爭 2007年，當Clokie在萊斯特大學成立實驗室時，她注意到針對艱難梭菌(Clostridium difficile)的噬菌體研究極為稀少，而這種細菌可以引起腹部痙攣、腹瀉甚至致命的下腸道損傷。“當時憑借年輕的天真和盲目樂觀，我覺得這是一個有趣的病原體，無法理解為何人們未發現相應的噬菌體，”Clokie回憶道。多年后，在她最終確定了少數艱難梭菌噬菌體的活性之后，才理解了為何進展如此緩慢。 首先，艱難梭菌本身在實驗室中極為難以培養?！拔迥昵?，主流觀點認為大多數腸道細菌無法培養，”Barr表示。然而，如今這種觀點已不再適用?！拔覀儸F在可以培養大多數腸道細菌，”他說。這些細菌可以在無氧環境中生長，并在專門的培養基中獲取所需的營養。 然而，培養細菌只是第一步，接下來還需培養捕食這些細菌的噬菌體，這是Clokie和其他研究者面臨的主要挑戰之一。有些細菌菌株充滿抗病毒的機制，使噬菌體難以成功感染。即便宿主菌株適合噬菌體復制，檢測噬菌體也常常面臨挑戰。 經典的生物學實驗之一是將大腸桿菌(E. coli)培養在培養基上，然后用噬菌體T4感染這些細菌。T4噬菌體外形如微型六足機器人，最早在1940年代被描述。噬菌體劫持細菌，迫使其生產更多噬菌體，最終裂解細菌并釋放子代。這種細菌菌落的破壞可以用肉眼觀察。然而，大多數感染腸道細菌的噬菌體并未表現出類似效果?！霸S多噬菌體不會形成空斑或清除區，因此難以檢測或計數，”Hill解釋道。 盡管研究人員在克服這些問題方面取得了一些進展，噬菌體的培養仍然是一個復雜且耗時的過程。這帶來了資金上的挑戰：難以為一種尚未獲得的病毒申請到研究資金，而獲得這些病毒需要耗費大量的時間、精力和資源。Clokie提到，或許可以說服某個學生承擔這一挑戰，但對他們來說，“這是高風險的，可能無法得到任何結果”。Hill估計，待研究的噬菌體物種多達一千萬，“任務之艱巨可想而知”。 共生與調節 成功培養出噬菌體后，研究人員的觀察結果有時會顛覆先前的預期。2018年，Hill報道了crAss噬菌體在腸桿菌(Bacteroides intestinalis)中的增殖。這一成果不僅使得通過電子顯微鏡描述病毒顆粒結構成為可能，也使團隊能夠研究噬菌體與宿主的相互作用。 考慮到噬菌體作為細菌“屠殺者”的聲譽，Hill原以為會看到噬菌體與細菌之間的激烈對抗。然而，crAss噬菌體和細菌卻安然共存，表現出一種穩定的共生關系。“細菌似乎進化出了一種機制，支持噬菌體的存在，”Hill說道?！八鼈儾⒎窃谙嗷?，而是在共舞?！?/p> 因此，噬菌體或許應被視為腸道這一復雜生態系統中的調節因子。許多噬菌體生物學家傾向于用動物學類比來描述它們，認為噬菌體類似于非洲草原上的大型貓科動物，通過捕獵體弱或患病的個體來維持生態平衡?！蔼{子讓羚羊群保持健康，”Hill指出——噬菌體與細菌之間的關系可能也是類似的?！斑@是一種共生關系，”Barr補充道，“你的病毒組使微生物組具有更多的靈活性和進化能力。” 與疾病的關聯 在某些情況下，噬菌體與細菌的關系對人類健康不利。例如，志賀毒素(Shiga toxin)能夠引發人類腹瀉，這種毒素由某些大腸桿菌菌株中的噬菌體編碼。一種解釋認為，這幫助細菌抵御原生動物的捕食——對噬菌體及其宿主有利，但對人類卻有不良影響。此外，噬菌體的捕食壓力還會促使細菌改變其外蛋白殼，試圖躲避噬菌體，這也使得它們可以逃避人體免疫系統的識別?！笆删w使得細菌保持靈活，不斷改變其結構和受體，”Hill解釋道。 另一方面，腸道中噬菌體與細菌之間的復雜關系也可能對人類健康有益。腸道微生物多樣性低與炎癥性腸病(IBD)、艱難梭菌感染、肝病和糖尿病等多種疾病有關。噬菌體通過靶向快速增殖的細菌菌株，可能有助于保持微生物組的多樣性，其中許多快速增殖的菌株往往是病原體?！笆删w會適應并殺死常見細菌，”加州大學伯克利分校的進化生物學家Britt Koskella說道，“通過這樣做，它們為稀有細菌創造了生存空間，從而增加了微生物組的多樣性?！?/p> 治療潛力與未來研究 隨著研究人員對腸道噬菌體的理解不斷深入，其對健康的影響也愈加清晰。測序研究揭示了健康人群與患病個體之間的噬菌體差異。“從傳染病到代謝綜合征，你可以看到微生物組失衡時明顯的病毒特征，”Koskella表示。 Handley認為，噬菌體可能在觸發IBD方面起到了重要作用。IBD是一種導致腹瀉、腹痛和體重減輕的慢性病。在尋找可能解釋這種疾病的病毒時，Handley發現，IBD患者腸道中的噬菌體數量顯著增加。 他推測，炎癥可能導致細菌受到壓力，從而激活隱藏在細菌中的噬菌體，使其從“沉船”中跳脫，增加腸道中游離噬菌體的數量?！耙坏┌l生炎癥，細菌會受到壓力，噬菌體便會被釋放，”Handley解釋說，“這些噬菌體開始重塑細菌群落?！贝送?，噬菌體的釋放還可能進一步激發免疫反應。Handley及其同事報告稱，IBD患者的病毒組會引發巨噬細胞（一種殺死微生物的免疫細胞）的促炎反應。這一邏輯推論表明，這些噬菌體可能加劇了腸道中的免疫反應和炎癥。 Handley提出，某些噬菌體數量的激增可能是IBD患者炎癥爆發的預警信號。他還認為，噬菌體群可能是導致IBD患者糞菌移植失敗的原因之一。糞菌移植是一種通過將健康供體的糞便轉移至患者體內以恢復正常微生物組的方法?！斑@些療法之所以不如預期成功，可能是因為噬菌體在殺死益生菌，”他說。 噬菌體作為治療手段 即便發現了噬菌體與疾病之間的潛在聯系，研究人員也在探索如何將噬菌體用于治療。 Hill建議，可以將益生菌與其特定噬菌體一起培養。乍一看，這種做法似乎并不受益生菌生產商歡迎——噬菌體因在奶酪生產中消滅添加至牛奶中的細菌菌株而臭名昭著。Hill承認，如果生產商刻意將噬菌體加入到益生菌培養物中，可能會導致部分培養失敗。然而，這樣的益處在于，存活下來的菌株更為強壯，或許在進入腸道后更能與其他細菌競爭并抵御噬菌體的攻擊。 使用噬菌體本身作為療法的嘗試也在進行中。對于艱難梭菌感染，糞菌移植已被證明是一種有效的療法。傳統上，糞菌移植被視為將健康的細菌移植給患者，但噬菌體也不可避免地成為了移植的一部分。“即使在糞菌移植兩年后，供體的噬菌體仍能被檢測到，”Hill提到。2017年的一項研究表明，將移植材料中的細菌過濾掉，僅傳遞噬菌體和分子環境，對于艱難梭菌感染患者具有與完整糞便移植相似的效果?！拔覀儗⒖吹礁嗤ㄟ^噬菌體微妙地調節微生物組以達到理想狀態的應用，”Clokie說。 去年，國內的一項研究報告顯示，在糖尿病小鼠模型中施用噬菌體混合物能夠抑制機會性微生物，同時促進有益細菌的生長。今年2月，研究人員報告稱，將健康小鼠的噬菌體轉移至慢性應激小鼠體內，阻止了腸道細菌群和行為的預期變化。這表明噬菌體可能用于重新平衡影響腦功能的腸道微生物。 將這些初步的發現轉化為有效的治療手段仍面臨重大挑戰，尤其是由于噬菌體在實驗室中的研究難度依然很高。但許多研究人員決心繼續努力?！爱斘也粌H有噬菌體的序列，還能實際生產和測試它們，并將它們應用于動物模型時，就能獲得更多生物學上的理解，”Barr說。 這也使得與腸道共生的龐大病毒群體在人體中作為治療手段進行測試變得更加可行。“在微生物組研究中納入噬菌體是一個我們尚未充分利用的策略。我們應考慮將這些病毒與細菌結合應用，”Hill總結道   |
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