靶向治疗多重耐药细菌的个性化噬菌体的无细胞生产

噬菌体是对抗生物危害细菌的有效药物，这些细菌迅速产生多药耐药性。然而，由于缺乏快速生产、安全的生物工程和噬菌体的详细表征，噬菌体疗法的常规管理受到阻碍。因此，科学家展示了一个全面的无细胞平台，用于个性化生产、瞬时工程和广谱噬菌体的蛋白质组学表征。

越来越多的多重耐药(MDR)细菌已被世界卫生组织列为最严重的全球健康威胁之一。据估计，仅在美国，2014年就有22亿美元的成本和欧洲每年3.3万人的死亡是由耐多药细菌造成的。耐多药在革兰氏阴性菌中尤为严重，据报道，大多数病例是大肠杆菌。然而，经典的医院病原体也越来越耐药，经常出现在新冠肺炎患者的细菌重叠感染中，尤其是肺炎克雷伯菌。

由于对此类抗生素替代品的需求不断增加，比利时和法国最近允许在地方制剂的法律框架下使用天然存在的、特性良好的噬菌体进行个性化噬菌体（简称“噬菌体”）治疗。不幸的是，目前天然和工程噬菌体的生产过程存在相当大的生物安全问题，而且通常效率低下且不可靠。在这两种情况下，噬菌体扩增和改造都需要致病宿主的纯培养物。这个过程会带来很高的噬菌体污染风险，它可以在细菌中诱导毒力因子。此外，用细菌对噬菌体进行标准培养非常耗时，滴度相对较低，并且需要针对相应病原体的适当实验室安全级别。这些因素使得并行生产通常包含多达16个噬菌体的个性化噬菌体鸡尾酒具有挑战性。最近的双盲患者试验也揭示了制备的噬菌体鸡尾酒的不稳定性和相应的较低的半衰期，强调了快速可靠的生产工艺的重要性。

此外，工程噬菌体的生产受到修改活细菌内噬菌体基因组的必要性的限制，例如，通过CRISPR-Cas或使用酵母人工染色体，这会降低效率。

除了复杂的生产过程外，对分子噬菌体与宿主相互作用的了解有限可能会导致不稳定的治疗结果。这部分是由于有关噬菌体蛋白表达和功能的信息不足。尽管噬菌体已被描述了一个多世纪，但噬菌体蛋白质组的特征在很大程度上仍不清楚。基于对数百个噬菌体基因组的分析，最近的研究将超过60%的注释基因产物确定为“假设蛋白质”，而没有任何实验验证。

因此，本文作者推断无细胞表达系统可以解决上述所有挑战，如图 1 所示：它们可以 (1) 高效安全地生产高效价的噬菌体， (2) 促进噬菌体工程的新方法，以及 ( 3) 能够更好地表征噬菌体蛋白质组和功能，这对于进一步改进噬菌体疗法至关重要。无细胞表达系统最近被用于糖蛋白的生物合成、非规范氨基酸的掺入，以及作为最小细胞的组成部分。然而，对于噬菌体生产，由大肠杆菌提取物制成的无细胞系统仅限于产生模型噬菌体，例如大肠杆菌噬菌体 T7、phiX174 和 MS2。

到目前为止，既没有实现临床相关噬菌体的无细胞生成，也没有实现噬菌体蛋白质组的全面表征。

本研究介绍了噬菌体生产管道“phactory”，它能够以宿主独立的方式按需和安全地生成广谱噬菌体，包括针对抗生素耐药细菌的瞬时工程和治疗性噬菌体。这种方法还能够验证数十种高度保守的假设蛋白质的存在，包括非结构蛋白质。它还使人能够通过时间分辨质谱法系统地监测与其表达谱相关的噬菌体组装。这些创新可以显着促进我们对噬菌体分子生物学的理解，加速未来的噬菌体工程，并改善治疗性噬菌体的生产。

参考文献

1. Emslander, Quirin et al. “Cell-free production of personalized therapeutic phages targeting multidrug-resistant bacteria.” Cell chemical biology vol. 29,9 (2022): 1434-1445.e7. doi:10.1016/j.chembiol.2022.06.003