5大案例，快览噬菌体最新前沿应用
随着细菌耐药性问题的日益严重，噬菌体又重新回到人们的视野之中。然而，当前的噬菌体已不再是简单的细菌“杀手”，那么噬菌体都有哪些应用呢？
今天，我们共同关注噬菌体。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。
“重新发光”的噬菌体
1915年，英国医生Frederick Twort发现了能杀死细菌的病毒。随后，1917年，法国微生物学家Felix d’herelle也发现了这种微生物。在两位科学家发现这种微生物不久之后，这一微小的生命体就被认为具有治疗潜力。
Twort提出，他培养皿上的细菌空斑区可能是由一种“超微观病毒”造成的，但他也严谨地表示，亦有可能是某种严格的细菌变化过程造成的。d’Herelle则更大胆。他很快将注意力集中在他所谓的噬菌体——“细菌的食用者”——以及它是否可以用于对抗感染上。
事实上，在1919年，d’herelle和他的同事们给一个患有痢疾的12岁男孩使用了一种混合了不同噬菌体的鸡尾酒。据报道，几天后这个男孩就康复了。这样的早期成功让人们对噬菌体疗法的发展产生了兴趣——至少在广谱抗生素出现之前是这样。不过，抗生素的发展是如此之快，以至于在美国和西欧，对使用病毒治疗细菌感染的兴趣很快就变弱了。
而如今，抗生素耐药性的传播令人如此担忧，这凸显了研发新型杀菌疗法的必要性，也因此，噬菌体再次成为人们关注的焦点。根据联合国抗微生物药物耐药性机构协调小组引用的一项数据，耐药性疾病每年在全球造成至少70万人死亡，到2050年，这一数字可能会上升到每年1000万人1。
“抗微生物药物耐药性挑战是复杂和多面的，”报告指出，“但它们并非不可克服。”毫无疑问，噬菌体治疗专家普遍认可这一说法。他们很清楚，细菌可以对病毒产生抗性，而且病毒的靶向范围往往高度特异，因此难以广泛使用。然而，尽管如此，许多噬菌体疗法专家仍让对取得的进展持乐观态度。
Hesham Abdelbary博士是加拿大渥太华医院的整形外科医生兼科学家，他深知为治疗退行性关节疾病或转移性骨癌导致的关节破坏而进行关节置换的患者存在感染细菌的风险。
尽管医生尽最大努力对植入物进行消毒并加强患者的免疫系统，但超过10%的免疫功能低下或癌症患者还是可能会发生假体关节感染。治疗这种感染的标准方法——额外的手术和抗生素——只有60%-80%有效。部分原因是细菌会在植入物表面聚集，形成复杂、牢固的生物膜，以保护自己不受宿主免疫系统和抗菌治疗的影响。
Abdelbary强调，生物膜的形成是“一种毁灭性的并发症”。他提出，可以通过裂解性噬菌体来对抗它。这些微生物产生的酶可以分解生物膜并杀死其中的细菌。
在2018年的一项体外研究中，Abdelbary和他的同事们发现，在使用某些抗生素之前，先使用靶向金黄色葡萄球菌的噬菌体SATA-8505，会比单独使用任何一种治疗方法都更有效地杀死形成生物膜的细菌2。“我认为噬菌体疗法是抗生素的补充，”Abdelbary说，“它不是替代品。”
Abdelbary在拉瓦尔大学和生物技术公司Cytophage Technologies的合作者正在努力确定一种可以增强抗生素效果的噬菌体鸡尾酒，这种方法可以降低细菌对单个噬菌体产生耐药性的几率。
与此同时，Abdelbary和他的同事们已经开发了一个植入了钛髋关节并能够模拟人类假体关节感染的大鼠模型3。下一步将是检查噬菌体在受感染大鼠体内的功效并监测其对骨骼健康的任何副作用或影响。
位于比利时的生物技术公司Vésale Bioscience正在寻求一种个性化噬菌体疗法。该公司的研究主管Bob Blasdel博士认为，在之前的一些临床试验中，噬菌体鸡尾酒有限的疗效说明了开发一种适用于不同患者的多种细菌的通用疗法所面临的挑战4。此外，Blasdel认为，目前正在测试和已经批准的固定的抗菌疗法缺乏可持续性。
Blasdel指出，细菌产生耐药性的速度比新药开发的速度更快。他补充说：“我们认为有必要建立一种可以和困扰患者的细菌一起进化的模型。”
该公司的解决方案是一种“噬菌体检查程序（phagogram）”，供医生快速识别对特定患者最有效的噬菌体。该诊断工具包含15个噬菌体，可以对来自患者的葡萄球菌、假单胞菌和克雷伯菌分离株进行检测。如果细菌产生耐药性，还可以加入新的噬菌体。
Phagogram的工作原理是检测细菌死亡时释放的ATP和成功抑制细菌复制的噬菌体的迹象。药剂师可以根据两三个成功的噬菌体准备个性化的药物——这种方法已经在比利时阿斯特里德女王军事医院的100多名患有各种感染的病人身上得以应用5。
在欧洲，这种方法可以通过“优质制剂（magistral preparation）”框架（一套用于配制/制药制剂的法规）实现商业化。该办法旨在允许药剂师在抗生素等常规疗法对特定患者缺乏有效性或安全性的情况下（例如由于抗生素耐药性或药物过敏），进行个性化治疗。这是一种无需对每种噬菌体配方进行临床试验的方法。
正如Blasdel所指出的那样，这一框架可以将评估的重点从治疗转移到诊断上。他说：“我们要测试的是诊断的安全性和有效性。”
其他研究小组正在修改噬菌体的DNA，使它们成为更有效的杀手。例如，英国生物技术公司Phico Therapeutics正在对噬菌体进行基因工程改造，目的是将一种酸溶性小孢子蛋白（SASP）基因迅速引入细菌细胞。
在细菌中，SASP基因通常只在孢子形成过程中表达，此时的SASP被用来包裹和保护细菌孢子的DNA。SASP会让DNA变得“坚硬”和“安静”。然而，当正常生长的细菌表达SASP时，其会与细菌自身DNA结合并使其失活。
“这会让基因转录立即停止，”Phico公司的首席执行官Heather Fairhead博士解释说，“细菌停止了复制，显然，随后就会死亡。”
由于SASP是以一种与序列无关的方式与DNA结合，所以即使细菌以突变的方式对噬菌体产生了抗性，SASP也会使细菌基因组沉默。
Phico公司的SASP技术（被称为SASPject）既可以用于单个噬菌体，也可以用于一组密切相关的噬菌体混合物。
这些噬菌体的结合位点经过基因编辑，从而扩大了它们感染的细菌菌株的范围。Fairhead表示，与包含不同野生型噬菌体的鸡尾酒相比，这种方法产生了更具重复性和可控性的产物。
在该公司最近进行的体外研究中，一种名为SASPject PT1.2的噬菌体产品杀死了225株不同的金黄色葡萄球菌，其中包括许多对抗生素甲氧西林或对原始野生型噬菌体具有耐药性的菌株6。
Fairhead断言：“即使细菌对噬菌体有抵抗力，可以降解噬菌体DNA，它们仍然会被SASP杀死。”
Fairhead说，在1期研究取得了良好的安全结果之后，他们计划将PT1.2开发成一种凝胶，用于去除某些手术患者鼻内的耐甲氧西林细菌，以防止伤口随后感染。不过，Phico公司目前的重点是开发一种静脉噬菌体疗法，用于治疗由耐药铜绿假单胞菌引起的呼吸机相关肺炎。1期研究计划于2023年进行。
Felix Biotechnology是另一家采用基因工程的公司。这家总部位于加州的公司对噬菌体进行了改造，以扩大其可针对的细菌菌株的范围。
该公司的核心技术基于一套机器学习算法，该算法可以筛选噬菌体的基因组序列，以及噬菌体杀死各种细菌的能力数据。当给定目标细菌后，算法会识别与噬菌体宿主范围相关的遗传特征，然后用于指导噬菌体工程。“我们主要使用这项技术来优化表型。”该公司的联合创始人兼首席执行官Robert McBride博士解释说。
Felix公司的主要工作重点是开发针对危及生命的感染的治疗方法。2021年，该公司启动了一项1/ 2期研究，在36名患有铜绿假单胞菌慢性气道感染的囊性纤维化患者中测试可吸入噬菌体疗法 YPT-01。该疗法由具有各种特征的噬菌体组成，包括那些旨在使细菌对抗生素重新敏感的噬菌体7。“该试验使用了野生型噬菌体，但商业版本的YPT-01是经过改造的。”McBride说。
Felix公司的科学家们还与护肤品公司合作，开发无化学物质的方法，选择性地消除有害细菌，以治疗褥疮和尿布疹等疾病。“与现有的许多扰乱皮肤原生微生物群的个人护理产品不同，噬菌体定位非常准，就像精准炸弹一样。”McBride指出，“它们可以进入那里，把有害细菌清除掉，并保存有益细菌。”
Felix公司研发的工程噬菌体有望超越传统的噬菌体鸡尾酒疗法，后者可能在只需要一次剂量的情况下（比如肺炎）发挥良好的效果，但在需要反复剂量的情况下则有可能会出现问题。然而，在连续暴露于治疗的情况下（如治疗皮肤上反复爆发的细菌），Felix公司的精确狙击可能是一个更有效的方法。
与此同时，总部位于北卡罗来纳州的Locus Biosciences公司正在研究利用噬菌体携带CRISPR基因编辑系统。但该公司的联合创始人兼首席执行官Paul Garofolo解释说，噬菌体DNA编码的不是常见的Cas9酶，而是Cas3系统，该系统可以有效地切碎和破坏细菌DNA。
Garofolo说：“当你添加CRISPR-Cas3系统时，我们的想法是让每一个感染事件都成为死亡事件。”该公司最先进的候选药物是LBP-EC01，这是一种由六种含有CRISPR-Cas3的噬菌体组成的鸡尾酒，旨在解决尿路感染中的多重耐药大肠杆菌菌株8。Garafolo表示，LBP-EC01将很快进入2/3期试验。
该公司还在探索噬菌体的其他用途，例如诱导肠道细菌表达治疗分子。如果噬菌体可以以这种方式被使用，它们就可以避开传统疗法对溃疡性结肠炎或克罗恩病等疾病的局限性。由于传统疗法是通过血液系统输送的，它们往往会在肝脏和肾脏中积聚，而不是在肠道中达到足够高的浓度。
为了开发能够更好地治疗溃疡性结肠炎或克罗恩病等疾病的方法，Locus公司的科学家们正在修改噬菌体，这些噬菌体被设计成携带编码白细胞介素-10或肿瘤坏死因子-α抑制剂等分子的DNA。这些噬菌体可以通过口服摄入，并被运送到肠道，在那里它们会感染某些细菌，并诱导分子的自我产生。
Garofolo解释说：“我们希望针对特定的靶点有更好的治疗效果。”
噬菌体技术的应用范围正在从杀死细菌到调节人体微生物组。Garofolo宣称：“应用是无限的。我认为，随着我们逐步学会优化患者的微生物组来治疗疾病，未来20年我们将看到一个全新的医学领域。”
参考文献：
（滑动查看全部）1. Interagency Coordination Group on Antimicrobial Resistance. No time to wait: Securing the future from drug-resistant infections—Report to the secretary-general of the United Nations. World Organization for Animal Health.2. Kumuran D, Taha M, Yi Q, et al. Does treatment order matter? Investigating the ability of bacteriophage to augment antibiotic activity against Staphylococcus aureus biofilms. Front. Microbiol. 2018; 9: 127. DOI: 10.3389/fmicb.2018.001273. Hadden WJ, Ibrahim M, Taha M, et al. 2021 Frank Stinchfield Award: A novel cemented hip hemiarthroplasty infection model with real-time in vivo imaging in rats. Bone Joint J. 2021; 103-B (7 Suppl. B): 9–16. DOI: 10.1302/0301-620X.103B7.BJJ-2020-2435.R1.4. Jault P, Leclerc T, Jennes S, et al. Efficacy and tolerability of a cocktail of bacteriophages to treat burn wounds infected by Pseudomonas aeruginosa (PhagoBurn): A randomised, controlled, double-blind phase 1/2 trial. Lancet Infect. Dis. 2019; 19: 35–45. DOI: 10.1016/S1473-3099(18)30482-1.5. Djebara S, Maussen C, De Vos D, et al. Processing phage therapy requests in a Brussels military hospital: Lessons identified. Viruses 2019; 11: 3. DOI: 10.3390/v11030265.6. Cass J, Barnard A, Fairhead H. Engineered bacteriophage as a delivery vehicle for antibacterial protein, SASP. Pharmaceuticals (Basel) 2021; 14: 10. DOI: 10.3390/ph14101038.7. CYstic Fibrosis BacterioPHage Study at Yale (CYPHY). ClinicalTrials.gov Identifier: NCT04684641.8. Locus Biosciences. Locus Biosciences signs contract with BARDA to advance $144 million precision medicine program to develop LBP-EC01, a crPhageTM product. Published September 30, 2020. Accessed June 22, 2022.原文链接：
https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/infectious-diseases/phage-therapy-starts-realizing-its-long-deferred-potential/
作者｜Katarina Zimmer
编译｜ZQ
审校｜617
编辑｜豫小鱼