【LorMe周刊】开启下一代噬菌体疗法：关键在于受体
作者：刘艳，南京农业大学硕士在读，主要研究噬菌体防治土传病害。
利用噬菌体控制病原菌感染被称为噬菌体疗法，噬菌体疗法是当前抑制抗生素耐药菌的一种有前景的替代策略。在应用之前，要评估噬菌体的安全性及其与目标细菌的相互作用，但相关研究很少涉及噬菌体识别吸附的细菌表面受体。作者认为了解噬菌体受体的功能和位置可以为改进和创新噬菌体疗法打开大门；利用包括高通量诱变、合成生物学和机器学习的分子平台，可以设计智能的噬菌体鸡尾酒，发现新的噬菌体衍生的抗菌剂，并引导噬菌体耐药性向临床可利用的表型进化。
噬菌体疗法的优势
噬菌体疗法最大的优势是其多样性和多功能性。噬菌体在自然界中几乎无处不在，设计和实施基于噬菌体的方法也有很多，包括（1）传统噬菌体疗法的优化。可以考虑针对同一宿主中不同受体的噬菌体组合，降低噬菌体抗性的可能性和速度，并限制噬菌体之间的潜在拮抗作用。例如，Tanji等人将针对两种不同受体的噬菌体结合起来，与单一噬菌体处理相比，成功地将大肠杆菌O157:H7中噬菌体抗性的出现延迟了近一天。（2）噬菌体鸡尾酒和噬菌体衍生蛋白的使用。噬菌体基因组编码许多能够执行一些特殊功能的酶家族。例如，噬菌体利用解聚酶接触多糖隐藏的受体，或者在多糖链本身就是受体的情况下，解聚酶将其切割，从而稳定附着。（3）与抗生素和免疫系统的联合治疗。然而，在临床使用噬菌体的过程中，完全避免耐药性几乎是不可能的。Chan等人描述了铜绿假单胞菌噬菌体OMKO1所使用的受体是如何作为药物外排泵的膜组件，并且噬菌体抗性随着该受体功能的丧失而出现；在没有外排泵的情况下，先前多重耐药菌株的抗生素敏感性得以恢复。
众所周知，噬菌体生命周期的第一步是吸附到细菌宿主上。它包括与宿主的初始接触和可逆结合，随后是噬菌体受体结合蛋白与细菌表面受体的不可逆锁定识别和结合。常见的例子包括革兰氏阳性细胞壁的元素，如肽聚糖和磷壁酸，革兰氏阴性外膜的糖脂部分，细菌胶囊的多糖成分，或一系列完整的膜蛋白和附属物。但是把噬菌体用于治疗并非易事，要回答噬菌体有效性、稳定性和安全性的问题，就要对噬菌体基因组进行分析，以排除毒素、抗生素耐药性或整合酶基因的存在；评估其形态和生命周期变量，如潜伏期长短和爆发量大小；测定其抗菌活性和寄主范围。然而，在评估中发现了一个明显的差距即噬菌体受体的鉴定，因此认为加强噬菌体受体的测定是开启下一代噬菌体疗法的关键。
受体介导的噬菌体疗法的临床开发
图1展示受体介导的噬菌体抗性的临床开发，耐多药病原体通常可以耐受抗生素治疗(第一阶段)。使用具有已知受体的噬菌体，如果噬菌体抗性出现时失去该受体，将产生病原体与适应度的权衡。噬菌体裂解形成第一轮杀伤并伴随抗噬菌体突变体的出现（第二阶段）。继续利用受体介导的噬菌体抗性权衡，包括重新增强的抗生素、替代噬菌体和免疫系统，形成导致第二轮死亡（第三阶段），最终提高临床效果（第四阶段）。
图1 受体介导的噬菌体抗性的临床开发
从哪里开始研究？
首先，优先考虑的噬菌体群包括商用噬菌体鸡尾酒和文库中的噬菌体群，调查其安全性、对某些细菌的活性及其宏基因组组成。第二，针对耐多药病原体的噬菌体群，在现成的噬菌体库中鉴定噬菌体使用的细菌受体。如德克萨斯A&M大学的噬菌体技术中心、以色列噬菌体库、格鲁吉亚第比利斯的Eliava研究所等。第三，可以把重点放在针对临床实践中面临的最危险病原体的噬菌体上，包括医疗相关感染中的ESKAPE组（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌属），以及造成群落获得性抗性侵染的其他病原菌。最后，通过野生型和抗噬菌体菌株的基因组比较，以确定与抗噬菌体相关的基因和结构。Mutalik等人研究大肠杆菌对14种不同噬菌体的抗性，能够识别出当基因被破坏、表达不足或过度表达时，分别赋予大肠杆菌对14种筛选的噬菌体中的一种或多种的抗性基因。
研究的技术手段有哪些？
目前，可以利用分子技术进行高通量全基因组筛选，以测试噬菌体抗性中基因完全破坏、表达不足或过度表达的影响（图2c），以及利用生物传感器在候选受体或受体抑制剂基因上使用荧光标记。通过噬菌体筛选、荧光细胞分选分析可以确认基因的功能（图2d）。在缺乏针对特定受体的天然噬菌体时，合成生物学和生物工程可以修饰或从头合成噬菌体或其针对受体或宿主专门设计尾部纤维（图2e）。随着对噬菌体受体和噬菌体尾纤维知识的不断增加，可以将有关系统发育、宿主范围和蛋白质结构的数据输入机器学习算法，从而能够准确预测给定噬菌体所使用的受体（图2f）。
图2 识别噬菌体受体的一些方法
必须承认噬菌体疗法本身并不能完全解决抗生素耐药性危机，但它无疑是一种很有前景的治疗策略，扩大噬菌体受体的了解，可以为噬菌体治疗的改进和创新应用打开大门。识别和理解噬菌体受体能够改进噬菌体鸡尾酒的设计，加速发现新的噬菌体衍生抗菌剂，促进噬菌体抗性机制的预测和利用，并实现噬菌体与抗生素和免疫系统的协同抑菌。
论文信息
原名：Unlocking the next generation of phage therapy: the key is in the receptors
译名：开启下一代噬菌体疗法：关键在于受体
期刊：Current Opinion in Biotechnology
发表时间：2021.04
通讯作者：Fernando L Gordillo Altamirano and Jeremy J Barr
通讯作者单位：莫纳什大学生物科学学院