用于检测尿液中大肠杆菌、肠球菌和克雷伯氏菌的工程报告噬菌体

背景：

噬菌体（噬菌体）是细菌的病毒捕食者，它们以属、种或菌株水平的特异性结合并感染宿主细胞。将噬菌体作为病原体特异性抗菌剂（噬菌体疗法）的临床使用是解决多重耐药（MDR）感染的一种有前途的策略。通过利用噬菌体与细菌细胞的特异性相互作用，噬菌体还被用于开发一系列诊断工具，用于快速准确地鉴定病原体，例如，噬菌体可以通过基因工程来编码异源报告基因，这一概念被称为“报告噬菌体”。在感染宿主细菌后，通过酶底物转化检测到噬菌体驱动的报告基因表达，表明存在活的宿主细胞。纳米荧光素酶（NLuc）是一种源自深海虾的工程化荧光素酶，是报告噬菌体工程最有前途的基因之一。NLuc是一种小而高度稳定的酶，在添加底物时产生强大的、不依赖ATP发光。NLuc报告噬菌体可以在非常低的浓度下可靠地检测细菌污染。

方法：研究分离出合适的噬菌体骨架，开发构建报告噬菌体所需的工程技术，并设计了一种简单准确的基于NLuc报告体的POC诊断工具。与金标准相比，该测定法可快速、特异性地检测206份新鲜临床尿液样本中三种最普遍的泌尿路病原体。除了支持临床决策外，还使用患者分离株来展示报告噬菌体作为伴随诊断的潜在应用，以识别可以从个性化治疗性噬菌体应用中受益的反应患者。

Fig. 1: Isolation and characterization of strictly lytic E. coli, Enterococcus spp. and Klebsiella spp. phage scaffolds.

结果：为了评估相关条件下的感染和报告蛋白表达，测试了混合人尿液中的每种报告噬菌体，这些尿液中加标了六种不同的临床分离株。在34/36名患者分离物-噬菌体组合中保持了感染性和生物发光的特性，这表明尿液依赖性基质效应并不构成检测开发的主要障碍（图4c）。同时，在加标菌株Ef24的全人血液中测试了肠球菌报告噬菌体，并将信号强度和动力学与加标人尿液进行了比较（图4d，e）。尽管与尿液相比，生物发光信号的产生略有延迟，但EfS3：：nluc和EfS7：：nluc都能在4小时内稳定的检测104 CFU/mL菌株（图4e）。

Figure 4. c Heat maps showing reporter phage-induced luminescence in human urine spiked with 6 selected strains of each bacterial target species. d, e Dose response assay with Enterococcus phages EfS3:: nluc and EfS7::nluc in human urine d or blood e spiked with serial dilutions of the clinical isolate E. faecalis Ef24.

结论：开发了修饰噬菌体候选物的技术，并为有毒的肠球菌噬菌体提供了第一个基因组工程工具。利用这一策略，创建了下一代基于噬菌体的UTI疗法，通过噬菌体介导的细菌素作为抗菌效应物（异源效应噬菌体疗法，HEPTs）的递送来增强尿路病原体的杀伤。在HEPT治疗之前，E2：：nluc用于识别反应患者的尿液样本，展示了报告噬菌体诊断如何在未来与工程噬菌体疗法相结合，以实现基于噬菌体的精准医疗的全部潜力。

参考来源： Meile S, Du J, Staubli S, et al. Engineered reporter phages for detection of Escherichia coli, Enterococcus, and Klebsiella in urine[J]. Nature communications, 2023, 14(1): 4336.