噬菌体的正反两面及其在食品产业链中的重要作用

1.噬菌体应用的积极方面

1.1抗菌剂

抗菌剂的使用反映了在食品保鲜策略形成时期人们对食品中微生物关系的更好理解。从竞争的角度来看，某些微生物群对食品是有益的，而在其他情况下，则必须根除或杀死原生微生物群。因此，广谱抗菌剂经常被更具针对性的防腐剂所取代。使用噬菌体是另一种积极改变细菌生态学的方法。噬菌体预防已被描述为用于治疗各种人类和动物疾病以及作为专利药物治疗。噬菌体疗法可能是更好的抗生素替代选择。

1.2抗生素替代品

在各种以农业为基础的食品生产中，抗生素的使用应受到严格监管，因为它是细菌耐药性的一个重要来源，最终会蔓延到临床环境中。噬菌体和噬菌体蛋白是治疗各种细菌感染的有前途的方法。在耐药细菌中，常用抗生素，如β-内酰胺类、四环素类、氯霉素和氨基糖苷类的疗效降低或无效，给医疗行业带来了问题。寻找新型药物至关重要，对抗微生物耐药性的斗争仍在继续。据探索替代抗生素疗法的专家称，最大的挑战是编码细菌对传统抗生素耐药性的抗生素抗性基因（ARGs），而噬菌体可能是一个可行的选择。噬菌体可用于治疗由多种细菌引起的疾病，包括金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、志贺氏菌和沙门氏菌。

1.3食品中致病菌和腐败菌的控制

食品是疾病传播的主要渠道之一，其中包含约200种众所周知的疾病。其中大多数是细菌性疾病，通过食品传播。沙门氏菌、弯曲杆菌、大肠杆菌和单核细胞增生李斯特菌是常见的食源性病原体，通常与严重的胃肠道（GIT）感染有关。它们是新鲜和未加工食品中自然微生物群的一部分，在维持每个细菌生态系统的微生物平衡方面发挥着重要作用。这些机会性病原体通常与受感染者、设备或工厂环境污染的新鲜食品和即食食品有关。

噬菌体被用于提高食品制造行业，尤其是动物源食品的质量和产量，这是通过降低大气中的传播水平来实现的。在食品加工业中，利用噬菌体降低大气中的传播水平，以提高食品质量和产量，这在动物源食品中尤为明显。基于噬菌体的生物防治在食品源性病原体控制方面可能是一种经济上可行的应用。已有多种基于噬菌体的产品被批准用于食品，其中包括用于控制单核细胞增生李斯特菌的ListShield或LISTEX，用于管理大肠杆菌O157:H7的EcoShield，以及用于控制沙门氏菌的SALMONELEX。噬菌体还被发现能够通过降低疾病进入食品供应的风险，成功净化供人类食用的牲畜。

1.4潜在生物探测器

基于噬菌体的传感器因其高特异性、高灵敏度和简单性而受到广泛关注。噬菌体正在成为快速特异性检测微生物的新型工具。由于噬菌体表面存在大量活性成分，因此它们易于在电极表面固定。噬菌体仅感染特定的细菌菌株，因此可以设计噬菌体来源或噬菌体混合物识别蛋白，以选择性地检测其自然状态下的目标细菌谱。单个噬菌体可以靶向特定的细菌种类甚至菌株，因此总能找到识别目标细菌的噬菌体。全噬菌体探针、核酸探针、噬菌体展示肽、基于抗体的探针以及噬菌体的受体结合蛋白都已被用于检测生物传感器表面的感染。目前使用表面等离子体共振、磁弹性平台、石英晶体微天平和电化学技术已经开发了基于噬菌体的生物测定和生物传感器。例如，在处理了戊二醛和4-氨基硫酚后，用T4噬菌体固定之前，将硅表面精细地熔接在薄银片上。表面与表面增强拉曼散射方法相结合，提高了细菌检测的灵敏度，检测限为100log CFU（菌落形成单位）/mL。基于噬菌体的技术也可用于冠状病毒的检测和抗体选择。

1.5噬菌体衍生的裂解蛋白

噬菌体内溶素，如肽聚糖水解酶，正成为治疗严重感染和其他不良污染的生物活性物质的有希望来源。肽聚糖水解酶是在噬菌体裂解增殖周期末期释放的内溶素，可通过肽聚糖分解来裂解宿主细胞。在这种由内而外的裂解机制中，穿孔蛋白允许内溶素渗透细胞质膜并接触其底物。与对照组相比，内溶素（如LysH5）可有效杀死牛奶中的金黄色葡萄球菌，使菌落形成单位（CFU）的数量减少8 log。将LysH5与细菌素乳链菌肽结合使用，可利用这两种具有根本不同作用模式的抗菌药物的显著协同作用，进一步提高其活性。此外，噬菌体裂解酶，如内溶素和与病毒粒子相关的肽聚糖水解酶，是一类被称为酶类抗生素的抗生素，具有多种特性。除了具有强大的裂解能力、选择性和模块化结构外，尚未发现对酶类抗生素产生耐药性的细菌。

2. 噬菌体的负面方面

2.1抗生素耐药性风险增加

溶原性噬菌体可能是水平基因转移的媒介，并有助于抗生素耐药基因（ARG）的传播。从理论上讲，转导可能导致新微生物的出现，甚至导致细菌中出现更多的耐药基因。然而，噬菌体在抗生素耐药基因传播中的确切作用仍尚不清楚。噬菌体诱导剂是能够鼓励前噬菌体基因表达或导致温和噬菌体的切除和扩散的物质，可以帮助抗生素耐药基因在环境中传播。细菌可以被新的噬菌体颗粒感染，然后用乙二胺四乙酸（EDTA）或柠檬酸钠裂解，这会触发溶原性病毒的裂解周期和噬菌体在细胞外的释放。研究表明，被耐药病原体感染的患者的分泌物和组织中含有大量（600个）与抗生素耐药性相关的噬菌体转运基因。

2.2噬菌体对食品工业的影响

噬菌体在发酵剂失效中的作用已被广泛研究和讨论。乳制品行业发酵失败的最常见原因是乳制品发酵剂受到噬菌体感染。噬菌体爆发可能导致经济损失，如工厂停工、原材料浪费、产品质量差、微生物增殖，甚至全面停产。当噬菌体感染严重时，发酵罐会因死罐而完全丧失启动活性，导致倾倒大量部分酸化的牛奶。为避免噬菌体对乳制品发酵剂的不利影响，应采取一些措施，包括使用混合菌株、将奶酪制造和乳清处理单元远离发酵剂制备区、使用噬菌体抑制培养基进行大量发酵剂生产、将冷冻浓缩发酵剂直接注入奶酪发酵罐、实施卫生制度、空气过滤以及各种其他策略。在厂区入口进行有效监控、使用快速有效的噬菌体检测工具以及控制措施，有助于降低乳制品行业发酵部门内噬菌体增殖的风险。

2.3细菌对噬菌体的抗性

在一定时期内，细菌有可能对噬菌体产生抗性，并且细菌已经或能够创造多种方法来逃避噬菌体的攻击。这些机制主要阻止噬菌体粘附到细菌受体上，阻止噬菌体DNA接种到细胞内的步骤的激活，以及通过隐藏、改变或丢失受体和分泌化学物质来阻止噬菌体的繁殖和释放。能够降低细菌抗性的噬菌体混合物或高浓度的原始噬菌体都有助于减少细菌对噬菌体产生抗性的发展。如果噬菌体消灭病原体的速度比其繁殖速度更快，那么大量接种与产生噬菌体抗性细菌的可能性较低。

2.4噬菌体治疗的法律框架

由于抗菌素耐药性已成为全球关注的问题，因此寻找抗生素的替代品至关重要。噬菌体疗法已成为治疗多种药物耐药性细菌疾病的一种可行替代方法。欧洲药品管理局（EMA）认为，用作治疗的天然噬菌体属于医疗产品，并根据关于人用医疗产品的共同体法律的第2001/83/EC号指令将其归类为生物制品。自噬菌体疗法发现以来，亚州、波兰和俄罗斯一直在医疗保健中使用该疗法。根据波兰的多项法律，包括1996年12月5日的《医疗和牙科职业法》、波兰协会的道德准则、波兰宪法以及与欧盟成员国相关的欧盟法律，噬菌体疗法在波兰被视为一种试验性治疗。在目前，该疗法尚未向公众开放，但利益相关者正致力于使其专业化。美国食品药品监督管理局（FDA）生物制品评估与研究中心疫苗研究与评审办公室将噬菌体治疗归类为生物制品，因此，其受到包括良好生产规范（GMP）、临床前研究和临床试验文件在内的法规和生产要求的约束。

3. 噬菌体的应用

3.1食品生产领域中生物膜的控制

在乳制品行业，由于清洁不彻底，致病细菌会大量繁殖并在设备上形成生物膜，从而污染产品。生物膜也是疾病传播的媒介。细菌被包裹在一个保护它们免受恶劣环境影响的基质中，这使得清除或清洁表面变得困难。越来越多的研究使用噬菌体抑制生物被膜的形成，如噬菌体K和另一种葡萄球菌组合在37 °C下48小时后完全清除了生物膜；大肠杆菌会在食品加工表面（如不锈钢、陶瓷砖和高密度聚乙烯）上形成生物膜，而经过一种名为BEC8的噬菌体混合物处理后，大肠杆菌的数量会降至检测水平以下；噬菌体P100可将单核细胞增生李斯特菌在不锈钢上形成的生物膜减少至多5.4 log/cm²。一些工业制造商设计并开发了一种基于噬菌体的解决方案，以预防和消毒食源性感染。List ShieldTM和PhageGuard Listex是首批商业化的基于噬菌体的产品，被应用于食品行业。PhageGuard Listex可喷洒或浸泡使用，以防止奶酪受到李斯特菌的污染，并且对产品的颜色、质地或风味几乎没有影响。

3.2在胃肠道中的应用

人类胃肠道（GIT）被认为含有10^15个噬菌体，这使其成为地球上生物浓度最高的地方。在人类胃肠道中，噬菌体可以维持肠道微生物群的平衡。20世纪30年代，格鲁吉亚共和国的埃利亚瓦噬菌体、微生物学和病毒学研究所首次发表了关于噬菌体疗法治疗肠道疾病的报告。

这一时期的科学数据有限且不充分，但证据表明，预防性噬菌体疗法降低了苏联士兵痢疾的暴发率。接受噬菌体疗法的士兵痢疾暴发的流行率比未接受噬菌体疗法的士兵低10倍。据估计，20世纪60年代，格鲁吉亚约有3万名儿童接受了噬菌体制剂治疗痢疾。研究结果显示，接受噬菌体治疗的儿童的痢疾发作次数减少了3.8倍。IntestiPhage制剂是噬菌体混合物，，452名儿童服用了IntestiPhage制剂，100名儿童服用了抗生素，28名儿童同时服用了抗生素和IntestiPhage制剂。抗生素治疗组平均在29天后出现临床症状改善。噬菌体-抗生素联合组在15天后出现临床症状改善，但仅服用IntestiPhage制剂的平均在9天内恢复。

空肠弯曲菌是另一种常见的食物中毒（包括胃肠炎）病因，每年至少感染200万人。空肠弯曲菌致病的主要原因之一是它倾向于形成生物膜，这使得抗生素的疗效降低，消除空肠弯曲菌感染更加困难。Siringan等人研究了两种噬菌体（包括CP8和CP30）对空肠弯曲菌NCTC 11168和PT14菌株在玻璃表面形成的生物膜的影响。噬菌体将每平方厘米活菌数从3降低到1 log10 CFU/cm²。生物膜中的病毒能够杀死并裂解空肠弯曲菌。

胃酸会破坏噬菌体，因此在胃肠道感染的噬菌体疗法中，给药途径尤为重要。微囊化对于口服这类噬菌体非常有效。将噬菌体和益生菌相结合为人类肠道生态失调疾病提供了一种替代治疗方法。Deresinski在痢疾白血病患者中观察到了这种关系。研究人员对59名患有这种疾病的患者采用了四种不同的治疗方法。第一组接受口服噬菌体疗法，即假单胞菌噬菌体或变形杆菌-大肠杆菌噬菌体。第二组接受益生菌（双歧杆菌）。第三实验组接受噬菌体和双歧杆菌混合物。第四组作为典型的口服药物接受抗生素治疗。在接受噬菌体和益生菌联合治疗的组中，临床效果最佳。

参考文献：doi: 10.1038/s41538-023-00245-8