噬菌体治疗:从生物学机制到未来发展方向
原创 发布时间:2023-03-07 浏览次数: 1093 来源: 容冬丽

核心提示:噬菌体与细菌共同进化了近40亿年,是细菌自然捕食者。本文回顾噬菌体治疗的最新进展,包括生物学机制,临床应用,未来的发展方向和挑战。


  噬菌体复兴

  ①噬菌体早在1915就被Twort年发现。1917年,D'Herelle利用噬菌体悬浮液治疗痢疾,为抗感染相关研究提供了新方向。

  ②在20世纪30年代后期,当噬菌体疗法的安全性和疗效需大量研究验证时,磺胺类药物和青霉素问世,抗菌药物治疗的热潮逐渐削弱了研究者对噬菌体的热情。

  ③随着在食品行业、畜牧业和医药中对抗生素的滥用,导致抗生素耐药性的发病率显著恶化。

  ④抗生素耐药危机日益严重,越来越多的科研人员开始寻找抗生素补充或替代品。直到最近7年更多的报道噬菌体成功治疗耐药感染,让噬菌体治疗重新进入科研视野。

  噬菌体&细菌的军备竞赛

  ①大多数噬菌体可分为裂解型或温和型,至于遵循那种生长模式,在感染早期会做出“决定”,这取决于噬菌体、宿主和环境条件。

  ②在约30亿年的微生物战争中,细菌进化才能在裂性噬菌体感染中生存下来,而噬菌体必须共同进化才能获得易感的宿主,这些动态强烈地影响了微生物的进化。

  ③因此,细菌通过修饰受体蛋白、产生外膜小泡等机制阻断噬菌体的吸附,同时噬菌体也通过受体结合蛋白突变、分泌解聚酶等重新识别并入侵细菌。

  ④此外,细菌形成许多防御系统(限制-修饰和CRISPR-Cas系统),噬菌体也形成反防御系统(抗RM和抗CRISPR系统)来获得生存优势。

  噬菌体临床试验

  ①用于临床的噬菌体需要深入鉴定和全基因组测序,寻找编码AMR的遗传元件及溶源性能力的毒素编码基因或遗传元件。

  ②在临床使用之前,噬菌体必须在一个合适的、特征良好的宿主上繁殖,并进行纯化以去除或减少内毒素水平或其他潜在的有害物质。

  ③此外,选取特征良好的噬菌体构建治疗性噬菌体的文库(如金黄色葡萄球菌噬菌体的宿主范围相对较广,一个合适的噬菌体库可能只包含20或30个噬菌体,鲍曼不动杆菌等噬菌体宿主范围较窄,可能需要超过300个噬菌体的噬菌体库来提供类似的覆盖)。

  ④需完善提供有关噬菌体制造的安全性、纯度、效力和一致性的监管监督。

  ⑤目前大多数经验报道都是选择在噬菌体添加的基础上优化抗生素治疗。

  ⑥静脉注射和雾化使用噬菌体治疗肺部感染已被广泛应用。其中噬菌体静脉注射给药,1-3h能到达感染部位并在病原体上繁殖,体现良好的耐受性,适合住院和门诊使用。

  ⑦目前临床试验更多的是使用环境中获得的烈性噬菌体,但有3个案列是使用CRISPR技术改造过的噬菌体来开发。


  图1. 噬菌体治疗及临床试验

  新的噬菌体设计

  噬菌体治疗存在潜在的障碍:噬菌体更多的为温和型;噬菌体不能有效地杀死感染的宿主;许多噬菌体编码的蛋白质UKF可能是有害的。因此有必要设计具有增强治疗特性、安全特性和宿主范围广的噬菌体。

  有两种替代策略可供工程噬菌体以实现所需的功能。

  ①基因组修饰,使已知的噬菌体具有改变的特性。

  ②逐个设计构建,使用合成基因组学构建根据噬菌体生物学已知规则设计的噬菌体。


  图2. 工程噬菌体的设计方法

  采用常用的体内同源重组方法与基于CRISPR-Cas系统的反选择策略相结合设计工程噬菌体。如图2:

  (A) Rec-A介导的同源重组方法涉及噬菌体DNA重组,其同源区(显示在蓝-红色位点中)位于质粒DNA以产生重组噬菌体。

  (B) 体内重组方法包括噬菌体基因组和具有同源臂的电穿孔PCR产物之间的重组(以蓝红色显示碎片)。

  (C) BRED方法涉及共电穿孔噬菌体DNA(蓝色片段)和具有同源臂的PCR产物之间的重组(如蓝红色碎片)。由于重组效率不同,这些方法中的每一种都产生由重组和野生型组成的噬菌体后代噬菌体。

  (D) 应用RNA引导的DNA核酸酶如Cas9和Cas12或RNA引导的RNA核酸酶如Cas13反选择去除未经编辑的噬菌体以丰富经编辑或工程化的噬菌体。

  合成噬菌体基因组

  CRISPR-Cas系统允许对不同的噬菌体进行无标记工程,但受到细菌宿主的限制,这些细菌宿主拥有可用于表达CRISPR-Cas系统和维护编辑模板的基因工具箱。体外组装的噬菌体基因组要么直接电穿孔到细菌细胞中,要么在酿酒酵母中亚克隆到酿酒酵母-细菌穿梭载体中,然后将构建物转移到细菌细胞中诱导噬菌体产生(用于“启动”噬菌体)。


  图3. 构建合成噬菌体基因组

  图3利用PCR扩增的噬菌体基因组片段和或合成寡核苷酸构建;合成的噬菌体基因组通过酵母组装或体外组装方法组装成载体。因此,使用合适的细菌宿主、细胞壁缺失(l型)细菌宿主或使用无细胞转录-翻译(TXTL)系统,即基于细胞提取物在体外快速表达蛋白质的系统。该系统绕过了细菌转化、克隆筛选和细胞裂解等过程,可以更精准便捷地控制反应底物,减少细菌对蛋白质产生的影响,具有多功能性和灵活性等优点。


  图4. 基于“One Health” 的噬菌体应用

  噬菌体制剂也有显著减少农业、水产养殖、畜牧业和兽医学中抗生素使用的巨大潜力,但需要更多的经验数据来标准化方法、措施和结果。鉴于全球抗菌素耐药性的负担日益加重,在COVID-19大流行期间恶化,迫切需要全球协调方法标准化指南和协议并开发共享资源,如噬菌体库和GMP设施优化制造临床级噬菌体,并将这些资源扩展到低收入和中等收入国家。尽管噬菌体不太可能完全取代抗生素,但鉴于大多数抗生素可能用于农业和牲畜。从同一个健康的角度来看,基于噬菌体的方法可以显著改善抗生素管理。

  文献来源:https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.017

网站声明

1、凡本网所有原始/编译文章及图片、图表的版权均属微生物安全与健康网所有,未经授权,禁止转载,如需转载,请联系取得授权后转载。

2、凡本网未注明"信息来源:(微生物安全与健康网)"的信息,均来源于网络,转载的目的在于传递更多的信息,仅供网友学习参考使用并不代表本网同具观点和对具真实性负责,著作权及版权归原作者所有,转載无意侵犯版权,如有侵权,请速来函告知,我们将尽快处理。

3、转载请注明:文章转载自www.mbiosh.com

※联系方式:020-87680942

在线留言
*公司名称:
*联系人:
*电话:
查询类别:
电邮地址:
地址:
问题:

直播视频

在线咨询

联系我们

回到顶部

我要留言