利器来了—噬菌体微凝胶的制备方法与应用

噬菌体在防控和治疗耐药性细菌污染/感染上的应用得到越来越多的关注，但其给药方式、保存和运输、噬菌体的递送等仍有待优化。近日，加拿大McMaster University一研究团队在Nature Protocols上发表一篇题为“High-throughput fabrication of antimicrobial phage microgels and example applications in food decontamination”的文章，详细描述了一种高浓度噬菌体微凝胶的高通量制备方法，同时保留了噬菌体固有的生物活性，介绍了其在治疗和保健、农业和畜牧业、食品去污、环境净化等方面的应用（图1）。该方案使生产含有噬菌体微凝胶的抗菌喷雾剂成为可能，有望解决与噬菌体存放稳定性、保存和运送相关的瓶颈，扩大噬菌体在预防和控制细菌感染和污染物方面的应用（如吸入抗菌治疗、植入物表面、口服和静脉治疗、噬菌体缓释递送等）。

图1 噬菌体微凝胶的制备及应用

噬菌体微凝胶具有明显的优势：更大的比表面积增加了活性噬菌体与其宿主细菌靶点之间的接触机会；较强的流动性使其非常适合雾化或注射的给药方式；水份的存在可以保护对干燥敏感的噬菌体。因此，这些材料将成为特殊生物防治干预措施（包括噬菌体、抗体、多肽等生物制剂）的优良保存和递送载体。

01 噬菌体微胶囊的制备

噬菌体微凝胶的制造过程（图1a）包括：第一阶段（步骤1-39）聚苯乙烯蜂窝状多孔模板的制备（图2）和噬菌体液的纯化、超滤浓缩，第二阶段（步骤40-55）噬菌体微凝胶的大批量制备（图2），通过超声法将噬菌体微凝胶分离并制成悬浮液，然后对微凝胶的物理和生物特性进行表征。单次可生产超过175万个微凝胶（直径~25 μm），需要2h-2d（时间取决于交联速度）（图2）。第三阶段（步骤56）即噬菌体微凝胶的应用。噬菌体微凝胶表征和应用额外需要4d，使方案的总持续时间达到10-11d。

图2 噬菌体微凝胶的制备

02 噬菌体微凝胶的特性表征

以M13噬菌体制备的微凝胶为例，通过直径、密度和荧光强度检测对其进行表征（图3），明确噬菌体微凝胶的物理特征。

图3 噬菌体微凝胶物理特性的表征

将噬菌体微凝胶分别以贴片和喷雾的形式检测其对细菌的杀菌能力，二者均保留了噬菌体的生物活性；通过对细菌E. coli ER2738（M13噬菌体的宿主菌）、E. coli O157:H7（HER262噬菌体的宿主菌）、E. coli BL21（T7噬菌体的宿主菌）培养液中OD值变化进行检测（图4），表明了噬菌体本身的特异性和噬菌体微凝胶保留了噬菌体的生物活性。

图4 噬菌体微凝胶生物活性的表征

03 噬菌体微凝胶的应用

应用于治疗和医疗保健

在北美报告了近100例临床使用噬菌体进行治疗的病例，而噬菌体微凝胶在噬菌体治疗的工作流程中是非常有用和容易实现的。噬菌体微凝胶应用之一是防治皮肤感染（如战斗伤口、烧伤伤口、糖尿病溃疡或细菌性痤疮），根据皮肤状况可以喷洒、冲洗或作为软膏使用。微凝胶的水合性质不仅可以保护和稳定噬菌体，防止干燥，还可为皮肤补水，这对烧伤伤口等情况非常有用。该材料的生物降解也将增加微凝胶作为噬菌体递送工具的可控释放特性。这可能会改变伤口护理的现行规则。噬菌体微凝胶在防治植入感染和解决眼部感染方面同样具有吸引力。噬菌体微凝胶可以作为一种预防措施，在手术过程中直接应用于植入物或植入部位。对于眼部感染，微凝胶可以绕过各种限制药物渗透的防御机制进而增强渗透，使噬菌体更有效地递送到目标部位。除了治疗应用外，噬菌体微凝胶还可用于医疗器械等的表面消毒，如医院的门把手、手术室的表面和仪器，还可以扩展到重症监护病房的喷洒消毒。噬菌体微凝胶可以保护噬菌体免受干燥影响，随着时间的推移仍有抗菌活性，从而确保更持久的效果。

应用于农业、畜牧业和食品生产链

在农业、畜牧业和食品生产-分销链中持续使用抗生素导致了耐药性细菌的产生，造成了巨大的经济损失。其中，沙门氏菌、大肠杆菌O157:H7和O121占主要地位。就监管而言，噬菌体在农业和畜牧业应用的门槛低于人类治疗，这进一步突显了在农业和畜牧业特别适合使用噬菌体微凝胶。此外，噬菌体微凝胶的存放稳定性使其成为理想选择，并在需要时用作土壤添加剂/作物喷雾剂。将噬菌体微凝胶以悬浮液的形式作为一种有效的抗菌喷雾，可用于耐药性大肠杆菌O157:H7高度污染食品（如生菜和肉类）的表面喷洒消毒（图5），避免了游离噬菌体一旦喷洒就会因为干燥而失去活性。

图5 噬菌体微凝胶在食品去污上的应用

应用于水和污水净化

噬菌体已被研究用于污水处理设施，以减少水系统中的细菌污染并抑制有害细菌的增殖。与游离噬菌体相比，使用噬菌体微凝胶更为有利，原因如下：可递送高浓度的噬菌体；可保护噬菌体免受恶劣环境的损害；可使噬菌体缓慢释放。噬菌体在科研、临床治疗、农业、畜牧业、水产养殖业、食品加工业、环境净化等诸多领域的应用愈发广泛，而噬菌体产品的稳定存放、运输、保存和递送仍需进一步优化。噬菌体微凝胶将为此提供一种解决方法。本方法易于修改和扩展，可将针对目标细菌的裂解性噬菌体纳入众多应用场景内，从而增强噬菌体在防控细菌污染和感染方面的应用价值。