具有可编程特异性的合成噬菌体

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这些病毒本不应该影响人类,它们被认为是在细菌内部行驶,只是利用另一种微生物的不引人注目的“搭便车者”。

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敌人的敌人就是朋友。

蒙大拿大学的研究人员在科学杂志上发表了关于细菌如何引起感染的新见解,这可能有助于未来的感染治疗。

然而, 斯坦福大学的免疫学家和传染病专家Paul Bollyky博士和他的同事们三四年前在实验室看到的不是这样。这些病毒似乎正在改变人类免疫细胞的行为——白细胞没有像往常那样吞噬细菌,而是呆在那里。

噬菌体(简称噬菌体)是感染细菌的病毒。噬菌体是高度宿主特异性的,通常只会感染并杀死单个物种甚至细菌的亚种。与常规抗生素相比,噬菌体不会滥杀细菌。因此,当用作治疗剂时,噬菌体不会对生活在肠道中的有益有益细菌造成附带损害。这种仅针对引起疾病的细菌的能力已导致噬菌体被视为对抗细菌感染(尤其是对抗已产生抗生素抗性的细菌)的潜在魔弹。

近日,顶级期刊Nature发表了一项先锋性的医疗方法——竟然以毒攻毒,用病毒混合的鸡尾酒疗法成功救活了一名感染致命菌的15岁少女。而事实上,这种病毒疗法还处于试验阶段。作者将整个过程以论文的形式发表出来。

研究人员不是研究细菌,而是研究感染病原菌的病毒,称为噬菌体,作为美国国立卫生研究院资助的一部分,用于帮助开发针对细菌感染的疫苗。

“白细胞基本上什么都不吃,也不经常走动,” Bollyky说,“它们只会忽略周围的细菌。”

但是,噬菌体的高特异性也是一个缺点:临床医生必须施用不同的噬菌体组合,以确保存在正确的噬菌体以靶向单一细菌感染。这种方法不仅限制了噬菌体疗法成为标准化治疗方案的机会,而且对于每种感染而言,寻找噬菌体或噬菌体组合都是一项费时费力的工作。迄今为止,必须首先从其自然环境中分离出噬菌体,并针对相关细菌菌株进行测试,而且最重要的是,对它们的基因组进行测序以确保它们可以安全地用于人类。

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噬菌体通常被视为细菌寄生虫,密歇根大学的助理教授,该论文的共同作者Patrick Secor说。由于抗生素耐药细菌越来越普遍,人们真的对使用噬菌体(噬菌体疗法)作为抗生素替代品来杀死病原菌感兴趣。

现在,随着近日《Science》杂志上一篇论文的发表,这伊始于偶然观察的发现开启了一扇通往感染内部情况的大门。在感染内部中,病毒与细菌联手,通过提供诱饵来欺骗免疫系统。Bollyky将其描述为有人触发了虚假火警,这样团队的其他成员就可以在随后的混乱中成功实施抢劫。

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发表在《Nature Medicine》上的文章标题

用于噬菌体治疗的噬菌体会杀死它们的细菌宿主。噬菌体是多种多样的,被认为是地球上最普遍的生物实体。当我们寻找感染细菌病原体铜绿假单胞菌的噬菌体时,我们发现大多数菌株都被称为Pf的噬菌体感染,不会杀死它们的细菌宿主,Secor说。

这种被称为噬菌体的病毒会感染铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa),而铜绿假单胞菌常常会对抗生素治疗产生抗药性。

在瑞士国家科学基金会资助的 Ambizione研究员塞缪尔基尔彻(Samuel Kilcher)的指导下,苏黎世联邦理工学院食品,营养与健康研究所(IFNH)的研究人员对基因进行了重新编程,以生产可识别和攻击更广泛范围的合成噬菌体。超出其自然宿主范围的细菌菌株。研究人员在《细胞报告》杂志上报告了他们的发现。

感染致命菌,存活率不到1%

当Secor和斯坦福大学的研究人员在人类伤口中寻找Pf噬菌体时,他们惊讶地发现大量的丝状噬菌体

每个拭子平均有100万Pf噬菌体。Secor和他的团队以前曾发现Pf噬菌体如何影响细菌毒力。

最终,我们问自己,这些Pf噬菌体是否有可能直接与人体免疫系统相互作用,Secor说。斯坦福大学的Secor和合作者发现Pf噬菌体被免疫细胞识别为病毒,识别感冒病毒的相同细胞表面受体也识别噬菌体。

这是一个重要发现,赛科表示。这些噬菌体正在诱导抗病毒反应,这在面对细菌感染时是不适当的免疫反应。研究人员认为,这种不适当的免疫反应使细菌在伤口或肺部获得立足点以建立感染。研究人员希望他们的研究结果能够促进开发治疗策略的新研究,通过靶向噬菌体来治疗细菌感染。

噬菌体促使免疫系统去攻击它自己,而不是它的微生物宿主。这种细菌和噬菌体称为Pf,它们以一种共生关系存在,科学家们怀疑这种共生关系在微生物界的分布比之前认为的更为普遍。这一发现可能有助于解释为什么免疫系统能容忍有益的细菌,比如肠道内的细菌,并可能带来更好的感染治疗。

在噬菌体尾巴的底部是专门的受体结合蛋白,可识别靶细菌暴露细胞壁上的特定受体。主要作者马修邓恩说:使用X射线晶体学,我们从利斯特氏菌噬菌体中裂解了第一个受体结合蛋白的原子结构,从而提供了对我们的噬菌体进行再工程的结构蓝图。

伊莎贝尔是一位15岁的小姑娘,她患有先天性的囊性纤维化,这是一种遗传性外分泌腺疾病,主要影响胃肠道和呼吸系统。这种病能够导致气道表面脱水,全身黏膜增厚,从而使肺内形成粘稠的液体,这也是危险性细菌感染的温床。

尽管一些噬菌体会杀死它们的细菌宿主,但有另一些噬菌体在微生物体内快乐地生活,并没有杀死宿主。长期以来,研究人员一直怀疑这种共存意味着病毒在某种程度上对细菌有利。

类似于使用Lego砌块构建,研究人员通过将来自不同噬菌体的蛋白质组分装配在一起以提供不同的宿主特异性,从而组装了新的受体结合蛋白。最后,研究人员用其设计者受体结合蛋白对李斯特菌噬菌体进行了遗传修饰,从而产生了可识别并杀死靶细菌新菌株的噬菌体。尽管这些设计噬菌体攻击不同的新宿主,但除了编码其受体结合蛋白的基因外,它们都共享相同的基因组。

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为了研究噬菌体是否会影响细菌与宿主的相互作用,Paul Bollyky收集了111人的慢性伤口拭子。其中37处伤口感染了铜绿假单胞菌。

噬菌体鸡尾酒作为一种治疗手段

伊莎贝尔现在17岁了,正在学开车

研究人员发现,68%的铜绿假单胞菌感染含有Pf病毒。当Bollyky和他的同事们将这些噬菌体感染的细菌转移到小鼠的开放性伤口时, 他们发现携带噬菌体的微生物和不携带噬菌体的微生物之间存在很大的差异:当它们体内含有病毒时,引起感染的细菌明显减少。换句话说,假单胞菌需要噬菌体的帮助才能有效感染。

这种噬菌体变体的混合物现在可以用于治疗患者。Kilcher解释说:通过在单一鸡尾酒中管理几种合成生产的噬菌体,我们可以涵盖广泛的宿主。与野生型噬菌体鸡尾酒的不同之处在于,可以以更有针对性的方式开发,生产和改造合成的噬菌体。在纯培养中培养人工噬菌体既不昂贵也不费力。他补充说:我们几乎可以针对每个特定目的对它们进行编程。

脓肿分枝杆菌是一种非结核分枝杆菌,有多重耐药性,在环境中普遍存在且增长迅速。感染这种细菌可导致广泛的感染(如肺、皮肤和软组织、中枢神经系统和菌血症)。

这种细菌吸引了一种叫做吞噬细胞的免疫细胞,吞噬细胞以细菌为食,但会避开病毒。当吞噬细胞攻击感染了铜绿假单胞菌和Pf的伤口时,它们只吃了一些细菌,很快就离开了。吞噬细胞吞噬受感染的细菌,然后发出信号,吸引只攻击病毒的免疫细胞进入该区域。

除了治疗应用外,研究人员还可以将合成的噬菌体用作特定分子结构的诊断标记,例如用于检测混合细菌种群中的致病菌。

囊性纤维化患者经常会被非结核分枝杆菌感染,需要长期使用抗生素治疗,然而这些细菌往往具有抗生素耐药性,因此在临床上很难被治愈。

研究小组在用细菌病毒组合感染小鼠之前,先给小鼠注射Pf疫苗,从而减少铜绿假单胞菌感染。

漫漫长路

不幸的是,伊莎贝尔被脓肿分枝杆菌感染了。由于病情发展迅速,16岁时,她接受了双肺移植手术,但这种细菌仍然隐藏在她的体内。当她开始使用免疫抑制剂来防止肺移植后的排斥反应时,脓肿分枝杆菌又卷土重来了。

研究人员认为,噬菌体通过制造双链RNA来模拟人类病毒,从而引发免疫系统的攻击。Bollyky认为,类似的机制可以部分解释为什么免疫系统能容忍生活在我们体内的正常有益细菌。

在转基因噬菌体疗法进入临床实践之前,仍有许多障碍需要克服。本研究仅仅是关于李斯特菌作为模型细菌的概念证明,李斯特菌存在于食物中,并可能导致免疫系统较弱的人受到严重感染。

她的医生海伦说:“根据我们的经验,对于移植后分枝杆菌再次感染的患者来说,生存率极低,可以说只有1%的可能。大部分患者尽管接受了积极的治疗,也很难生存超过一年时间。”

弗罗茨瓦夫波兰科学院的细菌学家Andrzej Górski表示,“这是一个突破性的论文。”其他研究表明噬菌体影响炎症,可能在预防过敏方面发挥作用,但Górski说,最新的论文首次展示了噬菌体如何危害人类健康。这些病毒不仅以细菌为食,它们还能影响一个人的免疫系统,无论是好是坏。

现在,研究人员正在计划制造人造噬菌体,以对抗其他通常由于抗生素耐药性难以用常规疗法治疗的病原体。实例包括金黄色葡萄球菌,肺炎克雷伯菌和肠球菌。工程化此类噬菌体的方法尚未开发。这项研究的合著者,IFNH食品微生物实验室主任ETH教授强调说:每种噬菌体和每种宿主生物都面临着特殊的挑战。但是,他认为为此类病原体开发工作台只是时间问题。

伊莎贝尔的皮肤上出现了一个很大的、黑色的、正在溃烂的伤口,感染病灶就在这个地方。随着感染的加重,她的肝脏开始衰竭,体内聚集了大量的细菌感染。伊莎贝尔进入了重症监护室,医生对此也表示无能为力。

目前,Bollyky和他的团队正在研究这项成果更直接、更临床的应用。他们已经为Pf疫苗申请了专利,并正在对烧伤或皮肤受伤的猪进行测试。Bollyky说,研究人员正在研究Pf,就像研究流感或肝炎等人类病毒一样。他们想要破译Pf如何与身体相互作用,以及靶向它是否有助于治疗感染。

在噬菌体疗法上投入了很多希望。转基因噬菌体已经在一种情况下用于治疗。几个月前,美国研究人员在《自然医学》杂志上报道了一个案例,该案例中,一名患有囊性纤维化的15岁男孩被给予噬菌体,以治愈由分枝杆菌引起的严重感染。治疗有效。但是,在任何噬菌体疗法获得批准之前,仍需要进行广泛的临床试验。

最终,她的父母决定放弃治疗,带她回家。