01
“同一健康”中的噬菌体
已知的每10种人类传染病中，就有6种来源于动物。一些植物来源的细菌也威胁着人类健康。“同一健康”（one health）理念认为人和动物以及周围环境是相依相存，倡导将人类医学、兽医学和环境科学结合起来，才能达到人与动物与自然的和谐和健康。虽然微生物能够通过基因突变或基因水平转移等机制自然的获得抗生素耐药性，但抗生素滥用无疑加剧了微生物耐药性问题，急需寻找新的替代疗法。噬菌体自发现以来即被应用于治疗或预防人类、动物等细菌感染或污染。以食品工业中的应用为例，噬菌体可用于食品加工的整个流程，包括植物种植、食品加工、运输、甚至是延长食品保质期。事实上，美国食品和药物管理局（FDA）已批准多个应用于食品的噬菌体产品。因此，噬菌体应用非常贴切“同一健康”理念，可在植物、动物、食品、人类医疗等多个维度控制细菌病原体，缓解抗生素的过度使用和抗生素耐药性向人类的传播。
02
噬菌体治疗中的新策略
噬菌体与抗生素
在针对生成复杂的生物膜群落时，噬菌体与其他药物联合使用控制细菌感染的效果可能会更好。这些联合疗法针对不同作用模式的药物的耐药性，目前效果最明显的组合是噬菌体和抗生素的结合(图1)。当同时使用噬菌体和抗生素时，它们显示出协同效应和有效性。研究表明应用噬菌体反复治疗可能导致生物被膜的增加，而噬菌体和抗生素的联合使用可以根除生物被膜。其中一种或两种药物引起的生物膜结构变化可能是药效增强的原因。例如，噬菌体可以通过破坏细菌外部结构，改善它们内部的代谢状态，使细菌对噬菌体和某些抗生素更敏感。抗生素本身也可能引起生物膜结构的改变，从而增加噬菌体对生物
膜的侵袭能力。
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图1 噬菌图与抗生素联合应用
抗生素和噬菌体之间的协同作用并不适用于所有噬菌体-抗生素组合。高剂量的抗生素也会抑制噬菌体的繁殖。当使用针对细菌蛋白质合成的抗生素时，这一点尤其明显。但在某些情况下，即使没有观察到抗菌活性的协同作用，噬菌体和抗生素的联合使用也显著地减少甚至阻止了抗生素和噬菌体抗药性细菌的发展。
这一方法成功地挽救了一例因肺炎支原体引起的人工血管移植物慢性感染的患者。在治疗铜绿假单胞菌感染过程中，与外排泵蛋白结合的噬菌体OMKO1和头孢他啶联合使用；噬菌体耐药性的进化导致抗生素敏感性的增加，感染得到控制。这样的方法不仅有效，而且延长了目前抗生素的使用寿命。
噬菌体与酶
噬菌体也可以与酶联合给药以提高活性。例如，解聚酶可以与不表达解聚酶的噬菌体一起使用，以提高它们对生物被膜的活性。DNA酶也可以与噬菌体结合使用来降解生物膜基质中的DNA成分并提高噬菌体的活性。其他研究表明将噬菌体分别与氯、三氯生、洗必泰、过氧化氢、硫酸钴、木糖醇、蜂蜜和益生菌等联合使用也得到了很好的效果。
基因工程改造噬菌体
通过对噬菌体基因组的修饰来改善噬菌体治疗效果的方法也在探索中 (图2)。合成生物学领域的最新进展推动了这种方法的发展，现在有许多技术可用于工程噬菌体基因组的改造。
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图2 利用合成生物学工具来设计具有改进特征的噬菌体
虽然噬菌体的高度宿主特异性有利于防止有益菌的靶向，但这也意味着使用单一噬菌体几乎不可能攻击给定物种内的所有菌株。因此，扩大噬菌体的宿主范围是噬菌体治疗的主要目标。已有研究在不同家族的噬菌体之间交换了受体结合蛋白基因，成功地交换了噬菌体的宿主范围。同时将异源受体结合域融合到噬菌体的受体结合蛋白上，从而增加噬菌体的宿主范围。
噬菌体也可以被设计来运送特定的物质，以增强噬菌体的抗菌活性。例如，分散素B和乳糖酶等已经被改造到噬菌体T7上以增加噬菌体抵抗生物膜的活性。分散素B是一种糖苷水解酶，在T7感染期间高水平表达，并在细菌裂解时释放到生物膜环境中，增加了噬菌体从生物膜中去除细菌和基质的效率。内酰胺酶也被改造到噬菌体T7中，通过干扰细菌的群体感应，利用其灭活群体感应酰化高丝氨酸内酯的能力。群体感应分子的失活干扰生物膜的形成，提高了噬菌体对生物膜控制的能力。在多物种生物膜中，其中一个物种的群体感应分子也会增加第二个物种生物被膜的形成，而内酰胺酶对分子的抑制减少了两个物种的生物被膜的形成。因此，这可能是未来对抗多物种生物被膜的一种替代疗法。
虽然大多数的基因改造工程都集中在裂解噬菌体上，但少数温和噬菌体也被用于以噬菌体治疗为目的的工程实验对象。通过敲除负责溶源的基因组模块使温和噬菌体成为裂解噬菌体，这种方法可以丰富用于治疗目的的噬菌体的数量和多样性。
最近使用了一种由一个天然裂解噬菌体和两个基因工程改造后的温和噬菌体组成的鸡尾酒成功地治疗了一例15岁的囊性纤维化合并播散性脓肿分枝杆菌感染的患者。鸡尾酒通过静脉注射方式给药，并且耐受性良好。由于转基因生物固有的伦理问题，工程噬菌体不容易被接受用于噬菌体治疗，但这一案例研究清楚地表明，基因工程方法是有用的。通过减少或消除由温和噬菌体介导的细菌遗传信息(例如毒力相关基因)的转导风险，在噬菌体治疗中使用基因工程技术转化为裂解形式的温和噬菌体，增加了可用于治疗的噬菌体的数量。
温和噬菌体也被设计用来传递合成的基因，利用它们的天然能力整合到宿主细菌的染色体上。通过编码抗生素敏感基因或逆转细菌抗生素耐药性的CRISPR-Cas系统，噬菌体可作为抗生素的佐剂。
总体而言，基因编辑可能会改善噬菌体的抗菌性能，并创造出对抗细菌感染的创新策略。对噬菌体基因组进行遗传操作的后果应当仔细考虑，但噬菌体工程策略应该被有效地视为一种治疗选择。
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