耐药时代的噬菌体疗法：我们该何去何从？

控制传染病的能力标志着人类健康的一场革命，将全球疾病负担从传染病转移到非传染性疾病，而非传染性疾病现在被认为是导致死亡的主要原因。20世纪带来了对噬菌体（通常简称为噬菌体）及其与传染病关系的认识，这导致了噬菌体疗法的实施以降低几种传染病的发病率。从1921年在法国巴黎 Hôpital des Enfants-Malades 首次成功施用噬菌体治疗志贺痢疾儿童，到其在世界各地人类中的广泛使用，噬菌体疗法的有效性一直存在很大争议。1945年，抗生素的黄金时代开始了一个新的时代，噬菌体产品从市场上撤下。然而，此后不久，青霉素耐药成为一个严重的临床问题。作为回应，新类别的抗生素和对旧类别的修改被开发和部署。

噬菌体是细菌限制性病毒，它们利用所有自然环境，包括人体。估计在生物圈中的噬菌体具有＞¹⁰³¹，它们很容易从土壤、水体、粪便和污水中分离出来。尽管噬菌体具有多种形态结构和基因组类型，但大多数发现的噬菌体在结构上是无包膜的二十面体头部和尾部，并且具有双链 DNA 基因组。病毒尾部是噬菌体独有的，可以是收缩性的、短的非收缩性的或长的非收缩性的，这允许将病毒分别分类为肌病毒、足病毒和虹孢病毒。噬菌体基因组具有巨大的遗传多样性，多达 80% 的预测基因没有已知的功能。此外，即使感染常见细菌宿主的噬菌体菌株，噬菌体也表现出大量的基因多样性。噬菌体数量丰富、多样性广且相对易于分离，为针对所有人类细菌病原体提供了无限的抗菌剂来源（图 1）。当毒力双链 DNA 噬菌体在体外感染易感宿主细菌时，培养上清液中的噬菌体数量通常在 37℃下 30-40 分钟后才会增加。 噬菌体颗粒将其基因组注入宿主细胞、劫持宿主代谢、表达其病毒基因、组装噬菌体颗粒并将后代释放到环境中（图 1）需要这个时期。细胞裂解是病毒内溶素在细胞壁肽聚糖内裂解键的结果，这会导致细胞壁不稳定，并在高内压下发生渗透破裂。毒力噬菌体的成功感染总是会导致细胞裂解。

相比之下，温带噬菌体感染可导致溶原性。也就是说，温带噬菌体作为共生原噬菌体感染细菌，并在 细菌细胞分裂过程中与细菌染色体一起复制。当暴露于环境线索或压力源时，原噬菌体恢复裂解循环以产生噬菌体颗粒。原噬菌体通过专门转导介导细菌之间基因转移的固有能力（一种可能增加细菌毒力或促进抗生素耐药性的事件）通常使温带噬菌体不符合治疗目的。然而，合成生物学的进步为使用温带噬菌体作为治疗细菌感染提供了新的机会，它从其基因组中去除了所谓的溶原基因。这对于由几乎没有发现毒性噬菌体的细菌物种引起的感染是有益的，例如艰难梭菌和脓肿分枝杆菌。

图1 毒力噬菌体的裂解感染周期

噬菌体对寄生虫和酶促细菌的杀伤作用方式与所有其他药物的抗菌作用方式不同，这使得它们能够对大多数 MDR 细菌有效（图 2）。此外，在易感细菌存在下进行自我复制可在感染部位提供密度依赖性剂量。通过缓释药物减少每日剂量可以减少疾病复发、与药物治疗相关的症状（即药物相关问题）、患者不依从性和费用。然而，每天噬菌体剂量数与感染复发之间的关联仍未得到研究。

图2 噬菌体作为潜在的抗生素佐剂

众所周知，到目前为止，所有噬菌体治疗的接受者都接受了经验治疗，例如，关于噬菌体、适当的给药途径、剂量、持续时间和抗生素相容性的信息不完整。图 3简要总结了 2005 年至 2020 年间按给药途径分组的精选噬菌体疗法临床试验和单例患者报告。由于临床试验数据有限，从 eIND 下的个性化案例研究中吸取的经验教训具有先进的药用噬菌体技术，并突出了潜在的风险和挑战。

图3 2005年至 2020年的噬菌体疗法临床试验的使用案例报告摘要

（病例报告按感染部位和目标病原体分类；颜色编码表示每个病例报告中噬菌体施用的主要途径）

并非所有噬菌体都是治疗目的的候选者。一般来说，适合治疗的噬菌体是感染多种细菌菌株的噬菌体。有证据表明，肌病毒表现出更广泛的宿主范围。例如，单个噬菌体裂解了 28 种金黄色葡萄球菌临床分离株中的 17 种。相比之下，窄宿主范围噬菌体可能提供新的治疗机会。例如，针对普遍和特定的病原菌菌株可以避免与宿主微生物组失调相关的不利影响。

噬菌体选择的另一个重要特征是它们能够自然破坏附着在表面并缠绕在生物膜中的细菌细胞的结构化群落。人类的许多传染病是生物膜的结果，或因生物膜而加剧。自制的胞外多糖基质为生物膜的形成提供了必要的支架，促进了细菌对表面的粘附和内聚，并阻碍了扩散。尽管通常认为生物膜赋予噬菌体抗性，但大多数噬菌体很容易感染生物膜内的细菌。事实上，噬菌体已经与细菌生物膜共同进化;因此，它们对包裹细菌的感染是意料之中的。例如，一些噬菌体尾部纤维和尾部刺突甚至携带解聚酶，这些解聚酶会降解胞外多糖，从而揭开浮游细胞上的细胞受体并破坏生物膜的胞外多糖基质。在体外，噬菌体减少了两种单一物种和双物种生物膜。在人工 CF 痰液中，噬菌体可以将铜绿假单胞菌生物膜减少 3 个对数，表明噬菌体很容易渗透和裂解包裹在生物膜中的细菌。由于噬菌体裂解远端细菌，内部细胞会觉醒并由于氧合和营养暴露增加而变得更加新陈代谢活跃，从而对噬菌体攻击更加敏感。然而，某些噬菌体很难穿透生物膜基质，其他可以促进宿主细菌的粘液表型，从而增强生物膜的形成。尽管生物膜感染很常见，并会导致具有临床意义和可能致命的感染，但在临床环境中寻找有效的抗生物膜噬菌体仍有许多工作要做。

噬菌体基因组学、纯化和制剂的最新改进极大地促进了噬菌体疗法的有效性和可靠性的提高。目前在适当的给药途径、噬菌体选择、给药频率、剂量、噬菌体耐药性以及噬菌体的药代动力学和药效学特性方面存在知识差距。此外，噬菌体需要对它们可能引发的免疫反应进行彻底研究。支持噬菌体疗法的其他技术的进步必须效仿并不断发展。这些技术包括 （1） 快速准确的噬菌体评估方法和标准，（2） 噬菌体制造的标准化，（3） 噬菌体库，（4） 储存和运输过程中噬菌体产物的稳定性，以及 （5） 允许精确监测噬菌体药理学参数的新定量方法。

当然，有些人可能会决定不能过渡到噬菌体疗法，可能是因为缺乏必要的能力或财务资源，或者因为相信化学抗生素是优越的，可以战胜耐药性问题。在许多情况下，加倍努力增强无效抗生素成功地提高了其性能。然而，这种信念可能只是推迟了后抗生素时代的清算日。因此，开发替代性抗菌疗法至关重要。尽管在噬菌体疗法的临床实施可行之前还需要更多的转化研究，但噬菌体在不久的将来可能在保护人类整体健康方面发挥关键作用。

参考来源：https://doi.org/10.1016/j.clinthera.2020.07.014