这是《肠道产业》第 476 篇文章
编者按：
随着抗生素的大量使用，越来越多的耐药菌不断出现，多重耐药细菌、泛耐药细菌使得医疗人员束手无策。
据研究人员估计，如不采取紧急行动，到 2040 年，具有耐药性的细菌每年将夺去数百万人的生命。这迫在眉睫的危机促使研究人员研发出了噬菌体疗法，并且阐明了噬菌体冲破细菌细胞壁的酶——内溶素（lysine），这让世界出现了新的转机。
今天，我们共同关注内溶素，希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发与帮助。
1917 年，巴黎巴斯德研究所的 Felix d’Herelle 首次提出使用噬菌体——感染细菌的病毒——作为人类细菌感染的一种治疗方法。尽管在欧洲部分地区，尤其是俄罗斯、波兰和格鲁吉亚共和国，噬菌体疗法已经使用了几十年，但在美国，只有在没有其他可用疗法的情况下，才允许在临床试验中作为“同情疗法”使用噬菌体疗法。随着对传统抗生素治疗耐受的多重耐药菌的增多，迫使临床医生不得不寻求其他措施来遏制致命性感染。近年来，两起病例登上了新闻头条。2016 年，加州大学圣地亚哥分校精神病学教授 Thomas Patterson 感染了致命的鲍曼不动杆菌后，噬菌体疗法挽救了他的生命。（Patterson 和他的妻子——流行病学家 Steffanie A. Strathdee 博士合著的 The Perfect Predator 一书中讲述了这个故事。）去年，一名英国少女因囊肿性纤维化接受肺移植后不幸感染，再次，噬菌体疗法挽救了她的生命。尽管噬菌体疗法提供了一种前景光明的治疗选择，但其他研究人员希望采用一种更直接的方法，只使用噬菌体的活性成分——内溶素——来杀死细菌。Contrafect 公司总裁兼首席执行官 Roger Pomerantz 医学博士将“内溶素和噬菌体”与“奎宁和发烧树”进行了类比。多年来，由于活性物质未被鉴定出来，人们一直使用完整的天然物质，来进行治疗。而从发热树或毛地黄植物（毛地黄的来源）成功分离出活性物质后，树皮和花就不再被使用了。因此，如果能够了解和分离噬菌体的活性物质，那么我们就不需要使用整个噬菌体（“树皮”）了。噬菌体内溶素通过降解细菌细胞壁而发挥作用，而细菌细胞壁是由细菌特异性分子肽聚糖组成的。不同的细菌细胞壁，具有不同的肽聚糖成分和组织结构；不同的内溶素则针对这些不同的结构。病原体的细胞壁组成可能与正常菌群中类似的细菌略有不同。例如，针对肠道病原体——艰难梭菌的内溶素会选择性地杀死艰难梭菌，而不伤害菌群中存在的其他梭菌。大约在 2010 年，随着对抗生素耐药性危机的认识达到了狂热程度，人们开始紧迫地寻找抗生素的替代品。曼哈顿上东区的一个实验室正在研究一组最有前景的候选药物，那里的研究人员发现内溶素可用于临床。图.当用内溶素处理革兰氏阳性芽孢杆菌时，在革兰氏阳性芽孢杆菌破裂和死亡之前，它会外化（externalize）它的细胞膜，正如这张来自洛克菲勒大学 Vincent A. Fischetti 博士实验室的电子显微照片所示。芽孢杆菌依然保持着一个高的内压，然后在内溶素切断几个肽聚糖键后死亡。“砰，它要爆炸了！”Fischetti 如是说。Vincent A. Fischetti 博士，内溶素技术的主要研发者，自 1973 年以来一直在洛克菲勒大学任教。他在科研工作中纯化了一种噬菌体内溶素，用它从 A 型链球菌中提取蛋白质。2000 年，他回忆道，自己是“那个正确的时间做正确事的人”。他把内溶素用在已被链球菌感染的小鼠喉咙中。细菌被杀死了，将内溶素作为治疗方法的想法也因此诞生。Fischetti 获得了一项应用广泛的专利，并获得了美国国防高级研究计划局（DARPA）的两项资助，还发表了一系列论文。Fischetti 解释说，用噬菌体和内溶素治疗感染就像“黑夜与白昼”。内溶素可以直接和立即杀死细菌，并且迄今没有发现细菌对其有耐药性。此外，脱靶效应是不可能的，因为哺乳动物组织并不含有肽聚糖。并且内溶素也是非常稳定的蛋白质——它们可以被冷冻和冻干，它们的热稳定性可以达到 50℃。此外，内溶素可以渗透到生物膜中，生物膜是一种细菌群落，通常为细菌提供了额外的保护，保护它们免受抗生素的伤害。当用抗生素处理生物膜时，只有生物膜表面的细菌会被杀死。而内溶素会自上而下地裂解生物膜。表层细菌破裂后，暴露出生物膜的下一层细菌，使生物膜更容易受到内溶素的进一步分解。匹兹堡大学专攻噬菌体生物学的教授 Graham Hatfull 博士说，有大量不同的内溶素，并且每一种都有特定的细菌细胞壁靶标，这为内溶素技术的发现和发展创造了巨大的空间。而且内溶素相对便宜，易于生产。对于一些革兰氏阳性菌而言，它们的细胞壁内部只有一层膜，并且内溶素可以直接接触肽聚糖靶点，内溶素在体外试验中显示出了良好的抗菌活性。总之，Fischetti 说：“它们是有效的。”图.除了内溶素，Contrafect 公司还开发了 amurins，一种噬菌体编码的裂解抗菌肽。这些肽仍在发现阶段，但已在体外试验中证明对革兰氏阴性菌有活性。电镜显示革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌的裂解。由于假单胞菌能引起多重耐药菌医院感染，因此对抗假单胞菌病原体的治疗方法备受追捧。近年来，随着噬菌体疗法在一些备受瞩目的病例中取得成功，以及内溶素作为抗菌药物的众多优势在论文中大肆报道，人们可能会问：为什么内溶素还没有得到生物制药行业的关注？原因之一是这项研究直到大约 10 年前才离开洛克菲勒大学。就在那时，总部位于纽约扬克斯的 Contrafect 公司接洽了 Fischetti，希望获得开发内溶素作为治疗药物的技术许可。Raymond Schuch 博士当时是 Fischetti 实验室的研究助理教授，他加入了 Contrafect 公司，现在是该公司研究部门的副总裁。Schuch 表示，他之所以选择 Contrafect 公司，是因为它开启了一个全新的转化研究领域，“我们在研究实验室里通常不会想到这些”。Schuch 继续说道：“我们花了数年时间来识别这些内溶素，确定它们的特性，证明它们对动物具有治疗作用。”他希望可以“继续沿着发展的道路前进”。在过去的十年中，这家只有 25 名员工的小公司已经将金黄色葡萄球菌内溶素重组裂解酶（Exebacase）带进了诊所，他们完成了这个药物的一期和二期试验。Contrafect 公司目前正在招募三期试验的患者。这是美国第一个也是唯一一个进入人体临床试验的内溶素。数据显示，与单独使用抗生素相比，将重组裂解酶（Exebacase）与抗生素联合使用可改善金黄色葡萄球菌菌血症（包括心内膜炎）患者的临床转归。尽管在美国，重组裂解酶（Exebacase）比任何噬菌体疗法的临床试验都要深入，但噬菌体疗法已经引起了所有公众的关注，却很少有人听说过内溶素。“我真的不知道这是为什么，”Fischetti 说，“这就是问题所在。”一个可能的原因是，内溶素还没有被批准用于引起关注的“同情使用”病例。当被问及内溶素会不会有一些噬菌体没有的缺点时，Fischetti 斩钉截铁地说：“没有。”图. 左图：噬菌体感染细菌细胞，产生后代并最终释放新组装的噬菌体。这一过程中的关键角色是噬菌体的内溶素，它通过穴蛋白（一种也由噬菌体产生的分子量小的膜蛋白）到达细菌细胞的肽聚糖。右图：内溶素可以杀死耐抗生素的细菌。图中，它们从外部攻击革兰氏阳性菌细胞的肽聚糖。不管内溶素的攻击方向是从哪一边，肽聚糖都会被裂解。[Cognition Studio and Lumen Bioscience]噬菌体疗法的主要问题之一，是细菌产生耐药性的能力，类似于细菌对于抗生素强大的耐药性。在最近使用噬菌体进行“同情使用”的病例中，医疗团队选择了鸡尾酒疗法，他们认为一种甚至两种噬菌体可能会在某种程度上由于细菌耐药性的出现而失去效力。例如去年，15 岁的囊肿性纤维化患者 Isabelle Carnell-Holdaway，她接受了播散性脓肿分枝杆菌感染的治疗，该疗法运用了三种噬菌体。提供噬菌体的 Hatfull 说：“‘3’这个数字给了我们一些信心，让我们觉得不会有耐药性。”他指出，噬菌体越多，“你就越能有效地消除这种担忧。”Hatfull 观察到，与噬菌体不同的是，内溶素与细菌耐药性的相关性“非常低甚至无法检测到的”。他认为，这是“一个主要的优势”。为什么对内溶素来说，耐药性不是问题？Fischetti 说：“这与噬菌体进化的方式有关。”内溶素对于噬菌体的存活和释放至关重要。它们的目标是细菌细胞壁的一个关键成分，这个成分对于细菌来说是必不可少的，不能轻易改变。由于这个原因，内溶素往往能够保持其对细菌的效力，这使得细菌对噬菌体内溶素比对噬菌体或抗生素更难获得耐药性。Fischetti 最近与 Lumen Bioscience 公司进行了合作，这家总部位于西雅图的公司成立于 2017 年，拥有生物工程螺旋藻技术。螺旋藻是一种光合微生物，全世界各地都有人使用它作为营养补充剂和食物来源。螺旋藻的生产成本只有传统技术的一小部分。事实上，Fischetti 断言藻类可以将内溶素的成本“降低到每剂几分钱”。传统上生产内溶素需要一个生物制造系统和复杂的纯化过程。而藻类非常容易大量生长（它们生长在自来水中），而且它们是唯一能以这种规模进行商业繁殖的微生物。Lumen 公司的首席执行官 Brian Finrow 说，Fischetti 实验室将生产内溶素，Lumen 公司将通过蛋白质工程和其他技术行为来制造螺旋藻治疗株，并将这些藻株推进到 FDA 监督的临床试验中。Fischetti 说，螺旋藻可以当作“内溶素工厂”，产生大量的内溶素，以供提纯。而且，有些人可以直接食用含有内溶素的螺旋藻，让内溶素覆盖在他们的肠道表面，这是有可能的。他补充说，这项技术及技术融合为内溶素打开了可能性的“大门”，可能可以进入兽医领域。（内溶素目前的生产方式，使得它过于昂贵，不适用于兽医用途。） Box：广谱内溶素和窄谱内溶素
抗生素可分为广谱抗生素（影响大多数细菌）和窄谱抗生素。哪一种治疗方法更可取，这一直是一个争论不休的问题。
在不损害微生物组中健康细菌的情况下杀死致病菌，是首要任务。这就是噬菌体如此吸引人的原因之一，因为它们是细菌的特异性杀手。
然而，特异性不一定是最佳的。根据一些研究人员的说法，例如，在治疗多种微生物疾病方面，需要更广谱的方法。内溶素似乎兼顾到了这两点。
洛克菲勒大学的研究人员 Vincent A. Fischetti 博士说：“如果你需要，你可以筛出广谱内溶素，而窄谱内溶素则适用于大多数情况。”
有这么多不同的内溶素可用，找到窄谱内溶素是很容易的。事实上，正如 Fischetti 指出的那样，这种分类是吸引制药公司的早期障碍之一，因为制药公司想要的是广谱化合物。Hatfull 是噬菌体疗法的支持者，他说“（内溶素）的理论验证研究令人鼓舞”。就像每个年轻的领域一样，内溶素领域还有许多未解决的问题。因为这些酶比典型的抗生素分子大，所以内溶素能在体内进入细菌感染部位吗？尽管早期 Contrafect 公司的临床试验中，关于宿主免疫反应的数据看起来很有前景，但对内溶素的免疫反应是否会限制其在患者体内的作用，或者导致长期的免疫反应？此外，内溶素对革兰氏阴性病原体的效用仍不清楚，因为需要使内溶素通过细菌外膜。与革兰氏阳性菌不同的是，革兰氏阴性菌在细胞壁外有第二层膜，这使得内溶素进入到肽聚糖层更具挑战性。Fishcetti 的实验室正在研究这个问题：他们的团队对内溶素进行修饰，这种新型内溶素可以通过细菌外膜。但是针对革兰氏阴性菌的内溶素的发展，落后于针对革兰氏阳性菌的内溶素的发展。Fishcetti 解释说，噬菌体和细菌已经一起进化了 10 亿年。它们一直在反反复复地战斗，建立了一个没有人输，也没有人赢的体系，因为“不论谁赢，大家都输”。Fishcetti 指出，噬菌体疗法正试图利用一个已有 10 亿年历史、已建立的体系，这个体系本该没人会赢，但我们却迫使噬菌体获胜。他补充说：“这不会轻易发生。”一个挑战是：我们对细菌耐药性的机制缺乏充分的了解。“我们知道 CRISPR，”他说，“但我们不知道其他细菌对噬菌体的防御系统。”幸运的是，在与内溶素打交道的 20 年里，还没有发现细菌对内溶素的耐药性。细菌已经对噬菌体和抗生素都产生了抗性，但是“它们不知道如何处理内溶素。”Fischetti 说。他说，内溶素“让细菌大吃一惊”。Fischetti 指出，他的实验室试图强迫细菌出现耐药性。事实证明，这样做是很困难的。如果科学家很难在实验室中实现耐药性，那么细菌也可能很难在自然界中实现耐药性。Fischetti 推测，内溶素可能可以通过杀死耐抗生素的细菌，为我们赢得时间（也许几十年），直到新的方法被发现。他补充说，使用内溶素只是利用了噬菌体已经发现的东西——帮助它们生存的东西——并利用它为我们自己造福。https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/lysins-unlimited-phages-secret-weapon/