噬菌体治疗的昨天、今天和明天

2022年8月31日，美国微生物学会（ASM）关于噬菌体的一篇报道，作者：Madeline Barron，ASM的科学传播专员，博士毕业于密歇根大学微生物学和免疫学系。

抗生素的耐药性（AMR）使得越来越多的细菌病原体对抗生素的治疗效果变得不确定，至多只是勉强有效。2019年，超过120万人直接死于耐药细菌感染。如果不采取任何措施，到2050年，预计每年将有1000万人死于耐药疾病。信息很明确：找到替代疗法，否则我们将面临一个曾经可治疗的感染导致曾经可预防的死亡的现实。

引子：噬菌体治疗

噬菌体，也称为phages，是专门针对细菌的病毒。噬菌体治疗涉及使用噬菌体治疗细菌感染。噬菌体无处不在，从土壤到我们的肠道，有成千上万种不同类型的噬菌体。与许多同时摧毁有害细菌和微生物群落（从而引发一系列新问题）的抗生素不同，每种噬菌体都进化为更精确地针对特定的细菌菌株或物种。这种特异性使噬菌体治疗成为管理感染，特别是由多重耐药（MDR）细菌引起的感染的一个有吸引力的替代方案。

然而，噬菌体治疗在医学上大多处于边缘地位，特别是在美国等西方国家，它偶尔被批准用于同情使用（即在没有其他批准的治疗方法可用时紧急使用）。为什么？要使噬菌体治疗成为主流，需要发生什么？答案深植于历史怀疑、监管和制造障碍以及噬菌体本身的生理方面的复杂关系中。

噬菌体治疗在西方的兴衰

噬菌体治疗并不新鲜——它的起源可以追溯到100多年前。法裔加拿大微生物学家费利克斯·德赫雷尔（Felix d'Herelle）被誉为发现并命名噬菌体的人（尽管有争议，是否德赫雷尔或英国微生物学家弗雷德里克·特沃特是噬菌体的官方发现者）。无论如何，德赫雷尔使用噬菌体对抗细菌感染的做法启动了国际努力——主要集中在前苏联——测试噬菌体治疗对治疗从伤寒热到霍乱等各种疾病的功效。

早期的研究表明前景光明，尽管按照今天的标准，实验通常设计不当（例如，缺乏安慰剂或对照组等问题）。结果也发表在非英语期刊上，使西方科学家基本上无法获取。尽管如此，噬菌体治疗在美国确实有过一段时间。在整个1940年代，几家美国制药公司生产了噬菌体制剂来治疗各种感染，包括上呼吸道和脓肿。

噬菌体治疗在西方医学中被忽视

然而，由于几个原因，噬菌体治疗最终在西方失宠。首先，科学家对其效果持怀疑态度。不适当的噬菌体储存或纯化可能起了作用。例如，早期的商业制剂包括“防腐剂”，如苯酚，这会使噬菌体变性并失活。科学家们也不理解噬菌体对它们所针对的细菌具有高度特异性——噬菌体制剂通常用于治疗不受治疗性噬菌体影响的细菌感染。

社会因素也很重要。第二次世界大战后，噬菌体治疗的研究和使用在东欧国家继续进行，直到今天。事实上，噬菌体治疗仍然是格鲁吉亚、波兰和俄罗斯的常规医疗实践。然而，战争促使西欧和美国的科学家避免使用噬菌体治疗，因为它与前苏联的紧密联系。青霉素的发现是噬菌体治疗棺材上的最后一颗钉子——抗生素的出现彻底改变了细菌性感染的治疗方法，并在世界大部分地区成为黄金标准。

噬菌体治疗的复兴

然而，在过去的十年中，噬菌体治疗在美国经历了复兴，部分原因是AMR的日益威胁。加州大学圣地亚哥分校（UCSD）全球健康科学副主任、创新噬菌体应用与治疗中心（IPATH——北美第一个专门的噬菌体治疗中心）的联合创始人和联合主任斯特拉思迪博士（Steffanie Strathdee），一直处于噬菌体治疗运动的前沿。

斯特拉思迪对噬菌体治疗的涉足源于个人经历。2015年，她的丈夫、加州大学圣地亚哥医学院精神病学教授汤姆·帕特森博士（Tom Patterson）在埃及度假时感染了由MDR鲍曼不动杆菌引起的致命感染。没有抗生素能控制他的感染。斯特拉思迪回忆说：“医生基本上说，‘我们无能为力’……你只能眼睁睁地看着他在眼前消瘦。”

时间紧迫，她在网上搜索任何能救帕特森的东西。一篇关于噬菌体治疗的文章引起了她的兴趣，她向帕特森的医生提出了这个想法，他们在美国食品药品监督管理局（FDA）的批准下，同意尝试。

斯特拉思迪和汤姆·帕特森。帕特森，在噬菌体治疗开始一个月后——这是他第一次外出。来源：斯特拉思迪提供。

团队依靠德克萨斯A&M大学噬菌体技术中心的研究人员，以及美国海军的科学家，找到能杀死帕特森的A. baumannii分离株的噬菌体。噬菌体狩猎——包括梳理现有的噬菌体库（即之前从不同来源分离出的噬菌体集合）和从污水、农场废物甚至海军船只的舱底中分离出新的噬菌体——成功了。在接受静脉注射噬菌体混合物后，帕特森几乎立即开始好转。他完全康复了，9个月后出院回家。四年后，帕特森和斯特拉思迪出版了一本书，《完美捕食者》，记录了这个故事。

帕特森的高调案例使噬菌体治疗研究成为焦点。在过去的几年中，美国和西欧国家进行了一系列案例研究，突出了噬菌体治疗治疗各种MDR感染的有效性，从囊性纤维化患者的肺部感染到尿路感染。

开发噬菌体治疗的挑战

尽管如此，虽然噬菌体治疗在美国医学中不再处于次要地位，但也并非处于前沿。斯特拉思迪解释说：“噬菌体治疗目前在西方不是主流的最大原因之一是还没有进行临床试验来证明它的有效性。”她指出，临床试验构成了美国治疗开发的基础——轶事证据和/或案例研究是不够的。

找到合适的噬菌体需要时间

有两种类型的噬菌体：裂解性和温和性。严格的裂解性噬菌体感染宿主细胞并使其破裂，从而杀死细菌。温和性或溶原性噬菌体不会直接杀死它们的细菌猎物——它们将自己的基因组（可能包含AMR或毒素基因）整合到宿主细胞中。噬菌体最终可能会裂解细胞，但这对立即阻止细菌感染几乎没有作用，并且可能导致AMR和其他毒力基因的传播。因此，确保用于噬菌体治疗的完全是裂解性噬菌体至关重要。

裂解性和溶原性噬菌体生命周期的图表。裂解性噬菌体在细菌内复制并在组装后立即裂解宿主细胞。在溶原性周期中，噬菌体将它们的基因组整合到宿主细胞中。来源：ASM期刊

考虑到这一点，识别用于治疗感染的噬菌体的过程可能会很漫长。通常涉及测试现有库中的噬菌体，以找到能杀死患者细菌分离株的噬菌体。斯特拉思迪说：“这就像有一百万个钥匙，你正试图在一百万个锁中挑选出匹配的钥匙。”一项研究报告称，从请求噬菌体治疗到实际给患者使用的时间范围为28到386天。

然而，也有一些产品正在开发更广泛的目标范围。例如，Locus Biosciences是一家开发工程噬菌体生物治疗药物的公司，为4种不同的病原体（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌）生产噬菌体混合物药物，这些药物针对超过95%的临床菌株。这种方法不需要培养患者的分离株并对库进行筛选以找到合适的噬菌体，因此可能会简化整个过程。

制造和施用噬菌体治疗并不简单

与随时间在体内药物浓度降低的抗生素不同，噬菌体会繁殖。这意味着患者接受的噬菌体混合物的剂量并不一定是他们实际接收到的剂量。噬菌体治疗的自我复制特性如何影响治疗效果和潜在的不良反应，目前仍不清楚。斯特拉思迪说：“[我们需要]药代动力学和药效学研究，以弄清楚，‘好吧，如果你输送这么多的噬菌体，但通过这种特定的途径，噬菌体会发生什么？’”

药代动力学障碍的图表。需要药代动力学和药效学研究来指导有效的噬菌体治疗的开发和施用。来源：ASM期刊

同样，研究人员必须确认“[噬菌体]在预期的基质中发挥作用”，Locus Biosciences的技术副总裁尼克·康利博士说。例如，如果噬菌体用于治疗尿路感染（UTI），它们需要在尿液中活跃。

从制造的角度来看，也有许多重要的考虑因素。例如，为了创建噬菌体制剂，噬菌体在细菌宿主中扩增——它们感染细菌，细菌裂解并释放出更多的噬菌体，创造出高滴度的噬菌体汤。然而，在裂解过程中，“所有细菌的内脏都会溢出”，康利解释说。这包括毒素和DNA等细胞成分，这些成分在噬菌体可以被注射到某人的血流中之前必须被移除。

细菌对噬菌体的潜在抗性

患者通常接受混合（混合物）的噬菌体，这些噬菌体以不同的方式针对细菌。细菌对多种噬菌体产生抗性的可能性低于单一噬菌体——可能性较低，但并非不可能。接受噬菌体治疗的患者必须持续监测，以确保噬菌体仍然对他们的感染有效。如果不是，研究人员必须找到一组新的噬菌体来对抗病原体。

然而，抗性的发展并不总是坏事。在某些情况下，促进噬菌体抗性的细菌修改增加了它们对抗生素的敏感性，从而与抗生素协同作用，提高其效力。

噬菌体治疗的未来

尽管存在挑战，噬菌体治疗的前景是有希望的。斯特拉思迪强调，FDA“支持”噬菌体治疗，并根据康利的说法，“在其调节噬菌体治疗的方法上一直非常周到和合理”。美国国立卫生研究院（NIH）最近向全球12个研究所授予了250万美元，用于研究噬菌体治疗。临床试验也在进行中，包括一项多中心的1b/2期试验，评估单一剂量噬菌体治疗对慢性定植P. aeruginosa的囊性纤维化患者的微生物学活性。此外，在2022年7月，Locus启动了一项2/3期试验，评估噬菌体药物产品治疗由MDR大肠杆菌引起的急性未复杂化UTI的安全性、耐受性、药代动力学和效力。

科学家们还在研究是否可以优化噬菌体的生活方式，以创造更有效的疗法。例如，Locus正在开发使用CRISPR-Cas3技术的噬菌体治疗。噬菌体将CRISPR-Cas3传递给它们的细菌宿主，这会不可逆转地摧毁细菌DNA。与普通噬菌体相比，这允许更强大的杀伤。康利强调，修改噬菌体的能力，包括使用许多其他非Cas载荷，增强了它们作为对抗AMR的关键工具的潜力。对斯特拉思迪来说，噬菌体治疗的未来掌握在下一代科学家手中。有一个新兴的年轻研究者社区“对噬菌体治疗的前景非常兴奋”。这种热情，加上合作、增加的资金和临床试验的进步，将是将噬菌体治疗从阴影中带出的关键。“有志者，事竟成。”