饲料全面禁抗：噬菌体疗法能开创替抗新局面吗？
这是《肠道产业》第 713 篇文章
编者按
抗生素的过度使用导致动物源细菌耐药性形势严峻，严重影响了食品安全和公共卫生安全。2020 年，中国农业农村部发布了相关的规定，全面实行饲料禁抗措施。那么，在禁抗的大背景下，我们应该如何应对细菌感染呢？如何保护牲畜呢？有什么新的方法呢？
今天，我们共同关注噬菌体疗法在农业上的应用。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和帮助。
有力武器：噬菌体
2013 年，Tobi Nagel 结束了在格鲁吉亚长达十年的探索之旅。在格鲁吉亚的药房里，除了传统的抗生素之外，消费者们还有另外一种选择——噬菌体溶液。噬菌体是一种微型病毒，可以通过渗透作用，从内部溶解破坏细菌结构。
当时，Nagel 还在对低收入国家进行考察——这是她作为制药行业药物开发科学家的工作之一，她一直在寻找成本效益最高的药物生产方法。
Nagel 表示：“生活在两个不同的世界，总是让人感觉不安。在美国开发一种新的药物可能需要花费 10 亿美元，而那些发展中国家的人可能永远无法接触到这些药物。因此，当我了解到噬菌体的作用机制后，我立刻意识到，这就是我一直在寻找的技术，一种物美价廉的技术。”
病毒被认为是地球上分布最广泛的生物体，自第二次世界大战以来，病毒就被东欧国家广泛用作治疗细菌感染。对 Nagel 来说，更重要的是，它们是普通抗生素的廉价替代品。
因此，自 2014 年开始，Nagel 就开始着手发起全球卫生噬菌体（Phages for Global Health，PGH）项目，一个旨在将噬菌体及相关技术传播到非洲和亚洲的非营利性组织。
PGH 和一些初创企业看到了噬菌体进入畜牧业和食品生产领域的大好应用前景，因为在上述行业中，噬菌体相对容易获批，且生产成本较低。相对于抗生素来说，噬菌体具有绝对的价格竞争优势，并且可以帮助农民快速抗击细菌。
这些病毒可以降低世界各地农民对小分子抗菌素的依赖，并为人类提供一种对抗抗生素耐药性的有力武器。化学家和研发工程师正在抓紧改进配方，试图研制出成型的噬菌体产品，并进一步延长噬菌体的保质期。除此之外，还需要想办法去说服那些已经习惯了使用传统抗生素的农民改用新技术。
必要的替代品
弯曲杆菌是一种螺旋状细菌，虽然只有几微米长，但是广泛分布于肯尼亚。弯曲杆菌与志贺氏菌和沙门氏菌同属于食源性细菌，是引起肯尼亚腹泻病的主要原因之一。据《全球疾病负担》报告估计，2019 年，肯尼亚每 1000 名 5 岁以下儿童中，就有 1 人死于腹泻病。
弯曲杆菌的常见宿主是鸡。如果在屠宰和出售过程中，食品没有进行冷藏保存，那么就会成为细菌繁殖的天堂。此时，如果恰好有一个消费者，不幸地购买了这些含有弯曲杆菌的肉类，并发生了感染，那么其能够使用的有效抗生素种类会很有限，因为肯尼亚地区普遍分布着该细菌的耐药性菌株。
2016 年，对肯尼亚全国进行的一项调查研究显示，在 90%以上的鸡及其粪便中发现了弯曲杆菌，且至少 61%培养样本具有多重耐药性。
造成多重耐药性的凶手之一是农民，他们频繁使用抗生素来预防感染，甚至是去治疗那些与微生物感染并不沾边的疾病。而且，农民还大量使用药物，来促进牲畜的生长，而不是通过增强能量，来避免感染。动物可以利用能量促进骨骼和肌肉的生长。
乌干达 Makerere 大学微生物学家和噬菌体捕猎者 Jesca Nakavuma 表示：“当一个农民眼中只有动物的经济价值时，他们就会不惜一切代价保证动物活着。”全世界范围内，都存在着抗生素过度使用的现象，以至于欧盟和美国已经明令禁止农民使用抗生素，来预防疾病和促进动物生长。
但是抗生素是一把钝器，会无差别地根除各种有害和有益的细菌。从长期来看，过度使用抗生素会导致细菌耐药性更强，以至于更难利用现有药物杀死细菌。这就是为什么 Nakavuma 会联合 PGH，识别具有有益作用的噬菌体，以帮助农民和医生将噬菌体治疗作为抗生素治疗的补充疗法。
与抗生素相比，噬菌体更像是一把手术刀。通常噬菌体会寄生在特定的细菌内，对其表面进行攻击，而不影响其他种类细菌的繁衍。
根据噬菌体研究人员的说法，在农业中过度使用噬菌体应该不会有什么太大的问题。因为从理论上讲，噬菌体具有“自医”和“自限”性：农民需要提供足够多的病毒，才能使病毒到达动物小肠内的特定细菌体内。一旦到达细菌体内，噬菌体会在细菌体内进行自我复制和繁衍，最终使细菌破裂、死亡。然后新的噬菌体就会被释放出来，寻找新的寄主。
尽管噬菌体和抗生素都能杀死细菌，但细菌对二者产生耐药性的方式却不尽相同。
抗生素耐药性产生的方式往往是以下两种：细菌通过蛋白将抗生素泵出细胞，或者分泌一种可以将抗生素分子分解掉的酶。当存活的细菌逐渐聚集并“分享”用于消除抗生素的 DNA 时，耐药性就会逐渐增强。
而噬菌体是不断变化的。它们的变异速度非常快，与细菌变异速度一致，以至于细菌无法通过分享抵御机制，来消除噬菌体的威胁。
然而，一些针对噬菌体的抵御机制可以提供更持久的抵抗力。例如，某些细菌可以将噬菌体 DNA 片段保存在基因组中，以便以后能够根据这些关键特征进行病毒识别和攻击。
但由于这些 DNA 信息记录的形成需要一定的时间，在细菌之间共享抵御机制之前，病毒可能就已经发生了进化。最重要的是，这种信息记录的容量并不是无限的，所以细菌为了不断地获取新的序列，需要不断去忘记过去记录的序列。
耶鲁大学生物学家、Felix 生物技术公司噬菌体治疗法联合创始人 Paul Turner 表示：“细菌无法进化出噬菌体抗性，并将这种机制分享给其他细菌。这根本不会发生。”
稳定的噬菌体
新型抗生素并不会凭空出现，需要数亿美元去发现、调整、完善，并最终在符合规范的设施中制造出来。但是，有细菌的地方就会有噬菌体：土壤、水以及动物体内。这就是噬菌体研究人员寻找候选药物的地方。
为了研制出最有效的噬菌体治疗方法，专家们试图从当地环境——细菌滋生的地方如污水、农家肥和溪流中采集病毒。
Nakavuma 希望通过收集这些野生病毒，来构建一个地域性噬菌体库。
特定类型的噬菌体已经进化到可以针对性杀死它们在野外遇到的细菌的某一个亚类。一旦生物学家弄清楚培养物中与目标细菌一起生长的病毒有哪些，他们就会对该病毒的基因组进行测序，并将其添加到数据库中进行保存。
之后，当一个地区牲畜出现病原体性疾病时，专业技术和基础设施将可以立马提供量身定制的噬菌体鸡尾酒，就好像我们每年通过调整流感疫苗，来预防正在流行的病毒株。
但是一旦离开它们的栖息地，噬菌体就会变得有点挑剔。抗生素仍然在农场占据主导地位的一个重要原因是它们便宜且稳定。噬菌体可能相对更脆弱一些——如果无法以细菌为食，它们在室温下会变得不活跃。对于农民来说，这是一个问题。因为他们没有足够多、足够大的冰箱，可以在 4℃ 温度下，保存大量的噬菌体溶液。
因此，研究人员正在寻找一种可以将这些溶液烘干，使噬菌体可以以一种不需冷藏的固态状态储存。PGH 联合工程师，设计出了实现这一目标的方法。Alberta 大学的 Reinhard Vehring 联合 PGH，对喷雾干燥工艺进行了优化，用于制备封存有抗弯曲杆菌噬菌体的粉末。
喷雾干燥是指利用一种加热的气体将液体喷雾为气溶胶，并快速进行干燥的方法，该方法可以在一小时内生产出成吨粉末。这也是大规模生产奶粉的常用方法。但是噬菌体与牛奶不同，它们需要保持完整的蛋白质复合物，一旦蛋白结构被破坏，病毒遇水后也无法再进行自我复制。
为了保证粉末状噬菌体的安全，Vehring 的实验室借鉴了复活植物鳞叶卷柏（Selaginella lepidophylla）的策略。卷柏可以在没有水的情况下生存数年。干旱时，卷柏会用糖分子替代其维持细胞器结构的氢键水分子，形成所谓的糖玻璃。当下雨时，水分会重新充满细胞时，此时，卷柏就会重获生机。
为了模拟上述过程，研究人员在进行喷雾干燥前，将海藻糖添加到噬菌体悬浮液中。Vehring 说，一种理论认为，海藻糖分子有助于包裹和稳定噬菌体。利用海藻糖处理过的病毒，可以在室温下保存，且货架期可达数月甚至一年。而且只要再次加水，噬菌体就会复活，攻击弯曲杆菌。
其他研究人员正试图用另一种方式封装噬菌体。Nicholas Svitek 担任国际牲畜研究所（ILRI）的高级科学家，目前在肯尼亚工作，专门从事沙门氏菌相关研究。
国际牲畜研究所采取的举措之一就是发展和促进可持续和可规模化的牲畜业实践，以限制抗生素耐药性的产生。Svitek 表示，该机构的研究小组正在探索封装噬菌体的方法，即将病毒聚集在多糖或二氧化硅的微米或纳米颗粒上。
海藻酸盐和碱性多糖壳聚糖混合而成的封装材料，不仅可以保护噬菌体在储存期不受外界环境的影响，而且还可以保护噬菌体不受动物酸性胃液的影响。如果噬菌体需要穿过胃部找到肠道中生长的细菌，这一特性就很重要了。当然，上述方案仅适用于作为饲料添加剂或者添加到水中的干燥粉剂和胶囊。
总部位于苏格兰的初创公司 Fixed Phage，正在试图将噬菌体封装到食物中。该公司目前正在对表面沾有噬菌体的鱼饲料颗粒进行调整。
Fixed Phage 公司将经过预处理的饲料视为一种便于农民使用的产品。该公司首席科学官 Jason Clark 表示：“就适用性而言，这总比我们将其保存在 4℃ 冰箱中要好得多——必须现取现用，适量使用，用完还需要立刻放回冰箱。”
为了将噬菌体固定在食物颗粒上，Fixed Phage 借鉴了一种可将墨水印在塑料上的通用方法。该公司在放电下运行这些颗粒——喷射出的等离子体使表面电离——并迅速向其喷洒噬菌体溶液。随着溶液逐渐干燥，病毒粘附在电离颗粒上，可在室温下储存数月而不失去活性。该公司正在对其饲料进行现场实验，以了解噬菌体在现实世界中是如何发挥作用的。
重重挑战
去年 10 月，Evans Agbemafle 带着面罩，站在一群加纳东部水产养殖户面前，向他们详细说明了噬菌体的好处，并试图消除养殖户们的担忧。
Agbemafle 是加纳政府科学工业研究委员会（CSIR）的科学家，也是 SafeFish 项目的共同负责人之一。该项目旨在解决乌干达和加纳蓬勃发展的水产养殖业所面临的鱼类死亡问题。去年，在非洲联盟和欧洲委员会提供的 100 万美元资金资助下，SafeFish 科学家开始着手收集当地土壤、粪便、溪流和鱼肠道内容物，以便最终能够提纯并表征该地区的噬菌体群。
研究人员倾向于使用当地的噬菌体，但是加纳缺乏高精尖的基因测序设备和解读基因数据的生物信息学家，这也是加纳发展主要的阻碍。
因此，Agbemafle 和 Makerere 大学的 Nakavuma 有意与其他机构合作，通过组装设备和集合专业知识，对噬菌体进行识别和归类。
他们更远大的目标是建立一个区域性噬菌体研究联盟和数据库，从而帮助非洲国家更好地应对耐药性细菌的出现。但是这还有很长的路要走。Agbemafle 说：“我们现在是从零开始。”
技术问题可能比较复杂。PGH 的 Nagel 回忆说，她曾于 2020 年初在坦桑尼亚主持过一次研讨会，期间她试图向当地的生物化学家展示如何使用 Oxford Nanopore 技术公司的 MinION 手持式基因测序仪。虽然已经为该设备设置了专用路由器，但带宽仍然无法满足对样本中的基因组进行测序。最终，PGH 的科学家们使用了移动热点来完成培训。
Nagel 说：“所以就是这样零碎的小事，停电、缺少制冷设备等。”
PGH、SafeFish 团队及 ILRI 表示，与农民交流互动，对于农民最终接受采用新农产品至关重要。来自研讨会和焦点小组以及该地区工作人员的反馈，有助于指引研究人员的设计过程。
ILRI 博士后 Angela Makumi 说：“当你了解了农场系统的生态机制后，你就能理解产品的发展方式，这并不是全部都适用的。”
Makumi 来自肯尼亚，在回国前曾在欧洲接受过噬菌体生物学家的培训。回国后，带回了新的理论知识，可以帮助研究团队确认农民对噬菌体产品的具体需求。例如，为了降低成本，他们倾向于不单独购买产品，而是希望购买已经添加了噬菌体的饲料或已经混合了疫苗的饲料。
Nakavuma 表示：“如果我们在没有事先让农民知悉并产生兴趣的情况下，引入一种产品，那么让农民采用该产品将是一项艰巨的任务。因此，我希望在我们研发出新产品时，已经先赢得了他们的信任。”
原文链接：
https://cen.acs.org/food/agriculture/Phages-farm-tiny-viruses-help/99/i28
作者｜Manny I. Fox Morone
编译｜ninety
审校｜617
编辑｜笑咲
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