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《Science | 霍乱患者的噬菌体捕食，疾病严重程度和病原体遗传多样性》

  • 来源专题：战略生物资源
  • 编译者： 李康音
  • 发布时间：2024-04-24

  • 2024年4月19日，麦吉尔大学等机构的研究人员在Science发表了题为Phage predation, disease severity, and pathogen genetic diversity in cholera patients的文章。

    尽管噬菌体-细菌相互作用的分子机制越来越详细，但我们对这些相互作用如何进化和影响患者体内的疾病缺乏了解。

    该研究报告了孟加拉国为期一年的全国性腹泻病人研究。在霍乱病人中，研究人员量化了霍乱弧菌（prey）及其致命噬菌体（捕食者）使用宏基因组学和定量聚合酶链反应，同时使用定量质谱计算抗生素暴露。噬菌体（ICP1）和抗生素抑制霍乱弧菌 在不同程度上与严重脱水成反比，取决于抵抗机制。在缺乏噬菌体防御的情况下，捕食是“有效的”，捕食者与猎物的比率较高，这与猎物间遗传多样性的增加有关。在存在抗噬细胞防御的情况下，捕食是“无效的”，捕食者与猎物的比率较低，这与捕食者遗传多样性的增加有关。因此，在基于噬菌体的治疗和诊断部署中应考虑患者体内噬菌体-细菌的协同进化。

  • 原文来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3166
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相关报告

  • 《噬菌体展示技术与抗体药物研发》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2018-10-12
    • 2018年诺贝尔化学奖尘埃落定，授予Frances Arnold、George Smith、Gregory Winter三人。其中化学奖一半的奖金授予美国科学家Frances Arnold，奖励她的工作实现了酶的定向进化；另一半的奖金授予英国科学家Gregory Winter以及美国科学家George Smith，以奖励他们在肽类和抗体的噬菌体展示技术的巨大成就。 科学技术的发展是药物研发的动力，Smith等人发展出噬菌体展示技术，使得抗体药物的研发有了突破性进展。噬菌体展示技术已成为最重要的药物筛选平台之一，它不仅可以用于多肽、单抗的筛选，也可以用于其他蛋白质的筛选，其筛选的多样性也是该技术的亮点之一。 那么，什么是噬菌体展示技术呢？该技术是由Smith于1985年开发，之后Winter继续发展了该技术，他们所用的工具是基因工程改造过的噬菌体——一种可以感染细菌的病毒，作为宿主。 A.基因工程将编码多肽或蛋白文库的DNA序列插入到噬菌体的外壳蛋白基因，这样，多肽或蛋白就可以表达在噬菌体的表面；B.噬菌体转化到宿主细胞内，成熟的噬菌体从宿主中释放出来。1.用固定有靶蛋白的培养板捕捉能特异结合靶蛋白的噬菌体；2.洗去未与靶点结合的噬菌体；3 将与靶点结合的噬菌体洗脱下来进行下一轮转化；4.进行下一轮感染与转化；5.进一步放大目标噬菌体的数量。这样，循环往复，就可以得到想要的高亲和性抗体。 那么，这么做有什么好处呢？首先，并不是所有文库中表达的蛋白质表位都是有用的，这样可以筛选感兴趣的表位，以保证候选药物的活性最佳；其次，在体外实验中，可以筛选人源与非人源靶点，这就节省了临床前试验的时间。 洗去不与靶点完全结合的表位，只留下亲和性最高的表位 目前，已有多种抗体药物利用该技术成功上市，Adalimumab单抗就是其中最出色的一例，成功研发的第一个全人源重组IgG1：κ单克隆抗体，该药物近年来一直雄踞畅销药物的榜首，2017年，其销售额为184亿美元。此外，还有多个利用该技术的药物成功上市，有一批待上市的药物处于临床试验之中。下面就让我们了解这些成功上市的药物。 Adalimumab Adalimumab是全人源重组IgG1-κ单克隆抗体，该药是首个获批的抗肿瘤坏死因子TNFα药物，用于治疗类风湿性关节炎于2002年在美国上市。Adalimumab利用噬菌体展示技术的“指导选择”筛选出来的。该步骤分为两步，首先研究人员发展出了鼠源抗人类TNF抗体MAK195，但是鼠源抗体不能作为自身免疫病的药物，于是他们利用这个鼠源抗体指导分离与MAK195有相同表位的人源抗体。利用MAK195的重链与轻链在蛋白库中找到配对的人类DNA序列，之后利用噬菌体展示技术进一步筛选，得到高亲和性的抗TNF抗体。这就形成了Adalimumab单抗。 Belimumab Belimumab是人源IgG1λ单克隆抗体。由Cambridge Antibody Technology 与 Human Genome Sciences (GlaxoSmithKline公司)联合研发，于2011年被批准上市，用于治疗系统性红斑狼疮，是50多年来首个用于治疗系统性狼疮的靶向药。Belimumab可以与B淋巴细胞刺激因子(BLyS)结合，阻止BLyS与B淋巴细胞结合，促进B淋巴细胞凋亡。研究人员利用单链可变片段(scFv)噬菌体展示技术筛选了1200个抗体，得到亲和力较高的Belimumab，临床前研究表明，该药可以抑制食蟹猕猴的B淋巴细胞生长。临床试验表明，Belimumab可以有效改善患者病情。 Ranibizumab (Lucentis？) Ranibizumab由Genentech公司研发，是与VEGF-A结合并抑制其活性的抗原结合片段(Fab)。鼠源性抗体A4.6.1在小鼠肿瘤模型中有很好的应用，并且得到了抗肿瘤药Bevacizumab (Avastin？)，Ranibizumab也是A4.6.1的突变位点的候选化合物。Clone Y0317(也就是Ranibizumab)对VEGF-A的亲和力为0.1nM，仅含有6个与亲本不同的突变，且将对VEGF的亲和力提高了100多倍，大大减少了用药剂量。该药于2006年被批准上市，用于治疗年龄相关性黄斑病变，2010年被批准用于治疗糖尿病性黄斑水肿，2015年被批准用于治疗糖尿病性视网膜病变。 Ecallantide (Kalbitor？) Ecanllantide是由60个氨基酸组成，是一种重组激肽释放酶蛋白抑制剂。使用人类脂蛋白相关凝血抑制剂(LACI-D1)的第一个Kunitz结构域构建的噬菌体展示文库作为支架发现了Ecallantide。该药于2009年批准上市，用于治疗遗传性血管性水肿(HAE)这种罕见的遗传性疾病。 Romiplostim (Nplate？) Romiplostim含有两个相同的亚单位，每个亚单位分别由一个IgG1 Fc结构区和c-Mpl结合区共价结合构成，结合促血小板生成受体(TPOR)，于2008年由美国FDA批准上市，该药物是首个由FDA批准的肽体药物，也是首个并且是唯一的血小板生成药物。 Raxibacumab (Abthrax？) Raxibacumab是一种人源单克隆IgG1λ抗体，用于治疗和预防由炭疽杆菌感染造成的疾病，Raxibacumab结合炭疽杆菌的保护性抗原，阻止细菌毒素的释放。该药由Human Genome Sciences研发，试验证明，Raxibacumab明显增加了兔子与猴的生存期。 Necitumumab (Portrazza？) Necitumumab由ImClone Systems、Eli Lilly与Bristol-Myers Squibb三公司利用“de Haard”Dyax Fab噬菌体展示技术文库，共同合作研发，该药靶向表皮生长因子受体(EGFR)。在该药的研发过程中，表皮样癌细胞作为抗体筛选的靶点，Necitumumab对该细胞的亲和性为3.3±0.5nM。2015年，Necitumumab被批准上市，与gemcitabine与cisplatin联用治疗鳞状非小细胞肺癌。 Ramucirumab (Cyramza？) Ramucirumab也是从deHaard Fab噬菌体展示技术文库中筛选得到的，VEGFR2药物，Ramucirumab是利用人类Fabs非免疫的噬菌体展示技术文库，通过PCR扩增得到的人源重链与轻链。在临床前研究中，该药显示出优良的抗肿瘤活性，在临床III试验中显示，该药对多种肿瘤具有显着的抑制效果。2014年由美国FDA批准上市，用于治疗晚期胃癌或胃食管结合部腺癌。 总结 除了上述的上市药物，还有更多的药物处于正在临床试验中。在抗体药与蛋白质药物筛选方面，噬菌体展示技术显示出巨大的优越性，提高了药物研发的成功率，也节省了药物筛选的时间与费用。
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  • 《噬菌体疗法：精准打击土传病原菌》
    • 来源专题：生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：hujm
    • 发布时间：2023-02-09
    • 　利用噬菌体阻控病原细菌的手段被称为“噬菌体疗法”，这是一种有望替代抗生素的绿色生态技术。目前，国内已有研究单位针对不同的植物病害收集了大量的噬菌体资源，研究不同噬菌体的作用机制，以及噬菌体之间的相互影响，利用不同噬菌体联合抑制土壤病原细菌。 　　噬菌体，是专门“吃”细菌的一类病毒，它们广泛存在于海洋和陆地自然生态系统中。噬菌体通过侵染宿主细菌，可以调控细菌种群数量，驱动细菌群落多样性和组成的变化，进而影响生态系统功能。 　　但长久以来，土壤中的噬菌体与作物土传病害的关系还鲜有研究。 　　近日，国际学术期刊《微生物组》在线发表了中国工程院院士、南京农业大学资源与环境科学学院教授沈其荣团队的最新研究论文。该团队研究发现，土传青枯病的发生，与作物根际噬菌体群落构成及噬菌体—宿主细菌的互作特征密切相关。该研究首次证明特异性侵染土著细菌的噬菌体，对土传病原细菌青枯菌入侵的潜在影响，为利用噬菌体消减青枯菌导致的作物土传青枯病提供了新的理论基础。 　　靶向消灭病原细菌，对环境更友好 　　在农业生产中，化学农药和抗生素已被广泛使用，但不合理的使用会造成土壤功能退化、环境污染等问题。 　　“例如，化学农药的滥用会显著增加病原细菌的耐药性和抗性基因的风险传播。此外，在病原细菌与其宿主植物互作的热点区还存在大量土著微生物，这些微生物通过复杂的协同互作，在抵御病原细菌侵入和感染宿主植物中发挥重要作用。然而，广谱杀菌的抗生素和化学农药等在抑制病原细菌的同时，也会破坏土壤中土著微生物群落的结构和功能稳定。”沈其荣介绍，要护卫土壤、动植物、环境健康，亟须有效靶向消灭土传病原细菌并对环境友好的新措施。 　　噬菌体，便是其中的“天选之子”。噬菌体是专门侵染细菌的一类病毒，在环境中普遍存在，“目前地球生物圈中噬菌体的数量高达10^31个。利用噬菌体阻控病原细菌的手段被称为‘噬菌体疗法’，这是一种有望替代抗生素的绿色生态技术。”论文共同通讯作者、南京农业大学教授韦中告诉科技日报记者。 　　目前，噬菌体疗法已广泛应用于临床医疗、畜牧业、水产养殖和种植业等领域。 　　韦中介绍，噬菌体疗法具有几大优势：噬菌体可以识别特定病原细菌，对环境影响小；噬菌体可以利用宿主进行增殖，并进入细菌体内，高效裂解病原细菌；噬菌体疗法的应用可以减少抗生素的使用，为食品安全提供保障。 　　打造噬菌体“鸡尾酒”，守护植物健康 　　“在抗生素普及前，噬菌体疗法已经有了应用。”韦中所言非虚。自噬菌体被发现以来，噬菌体疗法不断发展，在解决由病原细菌侵染引起的作物健康问题方面已有不少尝试。 　　1924年，研究人员发现白菜滤液中的噬菌体类物质能够防止由黄单胞菌引起的白菜腐烂。随后， 该物质又被广泛应用于防治由青枯菌、欧文氏菌、丁香假单胞菌和野油菜黄单胞菌等引起的茄科作物青枯病、猕猴桃细菌性溃疡病、果树火疫病、柑橘斑点病、水稻叶枯病以及土豆洋葱软腐病和黑胫病等。2005年，美国环境保护局首次批准了防治由野油菜黄单胞菌和丁香假单胞菌引起的番茄和辣椒的细菌斑点病的噬菌体产品。2011年，美国环境保护局批准一家公司生产的噬菌体生物农药用于防治番茄的溃疡病。 　　目前，国内已有研究单位针对不同的植物病害收集了大量的噬菌体资源，这些噬菌体为有效防控病害提供了资源保障。 　　沈其荣研究团队将目标对准青枯菌。青枯菌在土壤中可通过侵染作物根部，引起烟草、马铃薯、番茄、生姜等重要经济植物的萎蔫。严重时，可导致作物大面积减产甚至绝收。 　　“青枯菌的专性噬菌体以青枯菌为食，它们可以进入青枯菌体内，进行大量增殖，并最终裂解杀死青枯菌。而土壤中还有很多土著细菌，这些细菌也有各自的‘专属’噬菌体。当青枯菌被其专性噬菌体抑制后，土壤中的其他细菌会纷纷‘占位’，细菌之间会上演一场此消彼长的攻防战。”韦中说，团队在此次研究中发现，土壤中的土著细菌，有的是青枯菌的“帮手”，有的则是青枯菌的“敌人”，这些土著细菌与其专性噬菌体互作也能间接影响植物健康。例如，一些土著细菌可以抑制青枯菌“作孽”，而其专性噬菌体的侵染压制，使它们的力量削弱，导致青枯菌更加猖狂，从而加剧病害。不同的噬菌体在土壤中像“鸡尾酒”那样混搭存在，影响着植物健康。 　　“这启发我们，可以充分挖掘土壤噬菌体资源，研究不同噬菌体的作用机制，以及噬菌体之间的相互影响，利用不同噬菌体联合抑制土壤病原细菌。”韦中解释。 　　新技术赋能，噬菌体疗法或可增强威力 　　与广谱抑菌的抗生素相比，噬菌体疗法有很强的专一性，能精准靶向某一类病原细菌。不过，噬菌体疗法也面临着一些技术挑战。 　　“与使用抗生素类似，噬菌体疗法也会不可避免地诱导靶细菌产生抗性。而且病原细菌在不断变异，抗性也会随之发生变化。这需要针对不同特点的病原细菌作研究，不断筛选噬菌体，进行精准治疗。”韦中说。 　　除了天然的噬菌体侵染阻碍物外，细菌也进化出一系列的抗噬菌体系统，来阻止噬菌体的侵染。因此，应用单一噬菌体往往无法有效抑制环境中多样的病原细菌，要有针对不同病原细菌的噬菌体配方。 　　纵然病原细菌有千般面孔，可以“七十二”变，但“魔高一尺，道高一丈”。韦中表示，目前科研人员正尝试多种方式抑制病原细菌作恶。 　　“首先是建立噬菌体资源库。近年来我们团队建立了全国土传青枯菌专性噬菌体资源库。库里包含了我们从全国收集的几千株青枯菌与五六百个青枯菌专性噬菌体。”韦中说，有了资源库，就可以结合培养组学、实验进化学、机器学习等，构建基因组预测噬菌体抗性的模型，选择能够侵染不同病原细菌或同一病原细菌的不同抗性突变体的噬菌体，配置噬菌体“鸡尾酒”配方，将不同的噬菌体组合，有针对性地杀灭病原细菌。 　　“其次，随着合成生物学的发展和对噬菌体侵染机制了解的不断深入，可以通过基因编辑定向改造噬菌体，如改变、扩大噬菌体的宿主范围以及增强噬菌体的裂解效率等。”韦中说。 　　人工智能也为提高噬菌体的有效性提供了更多可能。韦中认为，每个病原细菌的变异有限，人工智能可以在积累大量的实验数据和机器学习后，判断病原细菌基因突变的可能性及致病性的大小，并据此筛选、设计相应的噬菌体。 　　“尽管噬菌体疗法还面临诸多技术挑战，但发挥其优化微生态的优势是解决土壤病原细菌危害，提升土壤—植物系统健康的重要路径之一。”沈其荣表示。
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