病毒中的一股“清流”：噬菌体对抗超级细菌

专题：《科学大家》聚焦新型冠状病毒

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出品：科技《科学大家》

撰文：蒋梦萍 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心

闻病毒而色变

病毒的名字“virus”起源于拉丁文，意思是毒药和其他有毒的液体，这个最早的名称就表明virus在人们心目中是一种不好的事物。“virus”的中文翻译是“病毒”，也暗示着和疾病、毒物相关，听起来就让人敬而远之。病毒家族几个“流量明星”的大爆，比如艾滋病毒、流感病毒、乙肝病毒、SARS、埃博拉病毒等等，为病毒的恶名远扬推波助澜，仿佛它是十恶不赦的魔鬼，恨不能灭之而后快。

那么，“臭名昭著”的病毒家族真的都是恶棍吗？今天就给大家介绍病毒家族中特立独行的一位成员——噬菌体。

意外发现——“吃”细菌的病毒

噬菌体是病毒家族的一个分支，有成千上万个不同的成员。它的独特之处在于可以感染细菌，通过寄生在细菌体内进行复制增殖，最终杀死细菌，一种噬菌体只能感染一种细菌。和其他病毒一样，噬菌体也是由蛋白质包裹的外壳和内部的核酸两部分构成。

噬菌体在1915年首次被细菌学家弗雷德里克·图尔特（Frederick T.wort）报道。他发现琼脂培养基上的部分细菌菌落变得透明，这样的菌落进一步培养时不能形成新的菌落，也就是细菌被杀死了。

与此同时，在巴黎巴斯德所工作的加拿大细菌学家费利克斯· 德赫雷尔（Felix d’Herelle）在培养从痢疾患者的粪便中分离出的痢疾杆菌时，也在培养皿上发现了一些不长细菌的圆点。他猜测圆点里有某种颗粒杀死了细菌。他把这些圆点称为噬斑，引起噬斑的颗粒称为噬菌体（bateriophage）。之后，由于噬菌体感染细菌的独特特性，其在生物领域的传奇故事就此揭开序幕。

噬菌体对抗超级细菌

顺着噬菌体可以感染细菌的思路，很容易就想到，很多疾病是细菌感染引起的，是不是可以“以毒攻毒”，用噬菌体来杀细菌，达到治疗疾病的目的呢？治疗细菌感染的首选通常是抗生素，但是随着抗生素的滥用，耐药现象越来越常见，这让人们的注意力重新回到噬菌体身上。

那么如何利用噬菌体对抗超级细菌呢？

我们来看2019年《自然医学》杂志的一个案例报道。案例的主人公是一个15岁的少女，由于患有先天性肺囊性纤维化，肺功能持续下降，不得不进行肺移植。移植后的免疫抑制让本就有的感染炎症雪上加霜。体外培养发现是一种名为分枝杆菌的耐药菌种感染，尽管给予了患者强效治疗分枝杆菌的药物和抗生素，但是效果不好。

为此，医生不得不寻找新疗法，他们想到的就是用噬菌体治疗。

噬菌体治疗的第一步，是体外分离验证。他们培养从患者伤口分离的分枝杆菌，形成不同的菌落，一个菌落就是一类相同的分枝杆菌。之后选取从分枝杆菌中分离的大量噬菌体，一种一种进行共培养，看其是否可以感染菌落，结果从大约10000种噬菌体中找到三种噬菌体可以感染菌落1。

然后，需要通过基因改造技术提高它们的感染效率。

接下来，测试这三种噬菌体对其他菌落的感染效率，尽管发现并不是每一种噬菌体都能感染杀灭所有的菌落，但是如果将三者连用，则可以杀灭大部分分枝杆菌。这种噬菌体连用的疗法，被称为“鸡尾酒疗法”。

体外有效是万里长征的第一步，接下来就要进行体内验证了。

首先在患者手术伤口附近局部用药，确认没有过敏等不良反应后，改为局部加静脉注射。持续治疗6个月之后，患者的皮肤感染持续好转，肝功能和肺功能也持续好转，各项指标表明此次尝试的噬菌体疗法非常成功。

其实我们可以发现，筛选噬菌体的过程和噬菌体被发现的过程有异曲同工之妙，一种解药（噬菌体）配一种毒药（细菌），难点就是找到这个唯一的解药。面对越来越狡猾的超级细菌，噬菌体一度被认为是对抗细菌的终极武器。

国内也有利用噬菌体对抗超级细菌的报道。2017年上海还成立了“上海噬菌体与耐药研究所”，致力于研究利用噬菌体对抗耐药细菌引起的感染，期望在以后和耐药细菌的对抗中占据有利地位。

图五，2017年9月，“上海噬菌体与耐药研究所”在复旦大学附属上海市公共卫生临床中心成立。（图片来源：网络视频截图）

噬菌体的诺贝尔奖之路

除了可以用来对抗超级细菌，噬菌体因其对生物学研究和制药领域的贡献，而两度成为诺贝尔家族的座上宾。

第一次是通过 “噬菌体感染细菌实验”证明了DNA是生物体的遗传物质，而不是蛋白质，这项研究获得了1969年诺贝尔生理学或医学奖。简单来说，构成噬菌体外壳蛋白的氨基酸含有硫（S），而DNA不含硫。相反，磷（P）主要存在于DNA。所以用35S和32P标记噬菌体的外壳蛋白和核酸，然后检测被感染的宿主细菌体内主要是35S还是32P就可以推断出遗传物质究竟是核酸还是蛋白质。这个巧妙又简单的实验因其重要性也出现在了大家的高中生物课本中。

噬菌体感染细菌实验。阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey）和玛莎·蔡斯（Martha Chase）因此获得1969年诺贝尔生理学或医学奖。（图片来源：百度百科）

噬菌体的第二个诺贝尔奖来自于“噬菌体展示技术”。简单来说就是将目标基因插入到噬菌体外壳蛋白基因的特定位置，让目标基因对应的多肽或蛋白随着衣壳蛋白的表达而表达，借此得以展示出来。这个绝妙的设计大大减少了传统基因克隆筛选蛋白的工作量，也开辟了抗体药物研发的新思路。

在基于“噬菌体展示技术”研发的药物中，最著名的就是声名远播的用来治疗类风湿性关节炎等自身免疫疾病的“药王”——阿达木单抗（TNF-α抗体）。在已经上市的数十种抗体药物中，利用噬菌体展示技术研发的有近10种，还有更多的抗体药物正在研发当中。

2018年诺贝尔化学奖颁给了两项研究成果。一个是阿诺德的“酶的定向演化”，另一个是“多肽和抗体的噬菌体展示技术”，由史密斯和温特共同获得。（图片来源：https://www.nobelprize.org）

除了以上介绍的几种，噬菌体在其他领域也有非常重要的贡献，比如，在分子生物学领域，推动了包括DNA和RNA聚合酶等各种重要操作酶的发现和验证。在生态领域，对于生物多样性的巨大贡献等等。而最期待的是其在医药领域的巨大潜力。

病毒可以致病，也可以治病，可以是武器，也可以是工具。而作为病毒家族重要成员的噬菌体，其传奇故事仍在持续上演。

参考资料

Engineered bacteriophages for treatment of apatient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. NatureMedicine. 2019 May; 25(5):730-733. doi: 10.1038/s41591-019-0437-z. Epub 2019May 8.

《超级细菌感染患者经噬菌体治疗痊愈出院》，报道来自上海市公共卫生信息网页

黄广涛，2017，《噬菌体在烧伤泛耐药细菌感染治疗中的应用研究》，第三军医大学