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格致論道講壇（ID:SELFtalks）
我們還需要更多的噬菌體研究人員，包括醫生參與進來，構建更廣泛、針對臨床耐藥菌的噬菌體資源庫，最終才可以實現噬菌體大規模的應用。
以下視訊來源於
格致論道講壇
馬迎飛·
中國科學院深圳先進技術研究院研究員
格致論道第76期 | 2021年12月17日 廣州
大家好，我叫馬迎飛，來自中科院深圳先進技術研究院深圳合成生物學創新研究院。非常高興能夠來到格致論道，給大家分享一些非常有意思的知識。今天我給大家介紹一下超級細菌的剋星——噬菌體。
在我們身體的每個部位都有大量的微生物定植，這些微生物絕大部分都是共生的有益菌，能幫助人體維護健康，有助於人體降解食物等等。但也有極少一部分微生物，它可以導致人體發生疾病，這類細菌叫做致病菌。
目前我們對付致病菌比較有效的辦法，就是用抗生素。但是抗生素的濫用也會適得其反。
什麼叫抗生素的濫用呢？就是不應該用抗生素的病用了抗生素，或者用的抗生素不適合，從而造成身體負擔。比如，有些人在感冒的時候可能會吃抗生素藥物來緩解病情，但實際上，對於病毒性的感冒，吃抗生素遠不如喝點熱水更有效。
抗生素的濫用還體現在農業養殖方面。農業養殖常用抗生素提高動物的養殖率，維護動物的健康。但是抵抗抗生素的細菌也會在環境裡聚集。通過循環，人類極容易在臨床上感染這種細菌。
有一些細菌可以抵抗所有臨床的抗生素，我們把它叫做超級細菌。超級細菌並不是危言聳聽，它在臨床上已經經常出現。我們在感染超級細菌之後，沒有藥物可以去抑制它，這怎麼辦呢？
Part.1
一場延續了億萬年的戰爭
人類通常在碰到困難的時候，總會在自然界裡尋找幫助，這就是所說的師法自然。
我們來看一段視訊，這段視訊顯示的是一種細菌，然後有一個類似於外星生物的很小的東西，它把自己的DNA注射到這個細菌體內，瘋狂地複製自己，最終把這個細菌給殺死了。
這個場景在地球的歷史上已經維持了億萬年。這個長相奇特、能夠殺死細菌的小東西，我們叫它噬菌體。
▲ 正在進攻細菌的噬菌體示意圖
什麼是噬菌體？噬菌體就是專一感染並殺死細菌的病毒。和病毒一樣，它的結構也非常簡單：一個蛋白質構成的外殼，包裹著一段核酸。
▲噬菌體結構
那噬菌體是如何被發現的呢？20世紀初期，印度恆河流域的衛生狀況是非常糟糕的，在那裡經常會發生霍亂，即由霍亂弧菌引發的疫情，疫情反反覆覆，但是爆發的霍亂常常很快就消失了。
當時有一位英國科學家叫歐內斯特·漢伯裡（Ernest Hanbury），他對這個事情非常感興趣，來到印度進行考察。他發現在印度恆河水裡有一種極小極小的物質，比細菌的大小還要小很多，它可以非常有效地把霍亂弧菌殺死，這可能是導致恆河兩岸霍亂疫情能夠自發消失的重要原因之一。
▲命名了噬菌體的雷德里克·圖爾特（Frederick Twort）
1915年的時候，法國巴斯特研究所有一個科學家，叫雷德里克·圖爾特（FrederickTwort），他首次在佈滿細菌的平板培養皿上發現了能夠殺死細菌，然後形成一個透亮圓環的現象，他認為這裡面的東西可以非常好地把細菌殺掉，所以稱之為「噬菌體」。這也是噬菌體第一次被命名。
▲Hoyles et al., Res.Microbiol. 2014
直到電子顯微鏡發明以後，我們才真正地看到了噬菌體的樣子。噬菌體呈現出了豐富的基因多樣性，同時也是地球上數量最多的生物，估計有10的31-32次方，比我們可以觀測到的宇宙中的星星的數量還要多。
Part.2
「十八般兵器」與「七十二變」的對抗
回到上面的問題，為什麼噬菌體可以非常高效地把細菌殺死？為什麼它們之間的戰爭持續了億萬年？既然噬菌體能夠殺死細菌，那麼是不是地球上所有的細菌都消失了呢？其實不是的，在我們這個地球上的每一個角落，每時每刻都有無數的細菌被噬菌體感染並殺死，但細菌的數量並沒有發生很大的變化，仍然在自然界發揮著重要的作用。
這張圖片展示的是細菌的生長曲線。綠色的線表示單獨培養細菌的數量，細菌群體的數量增長很快。紅線表示噬菌體和細菌共同培養時細菌的數量，我們發現細菌生長一段時間之後，它的數量會很快下降，下降到0，這個時候就是因為噬菌體把細菌殺死了。奇怪的是，過了一段時間之後，細菌的數量又很快增加。就是因為細菌對噬菌體產生了抗性，即使這個時候培養皿裡有噬菌體，也不能殺死細菌了。
▲細菌對抗噬菌體的十八般兵器
這是怎麼回事呢？因為細菌有對抗噬菌體的「十八般兵器」，它的對抗貫穿了整個噬菌體侵染細菌的過程。比如噬菌體侵染初期，它需要吸附在細菌的表面，細菌可以阻止噬菌體吸附；即使噬菌體能夠吸附，細菌也可以拒絕噬菌體的DNA注射到細胞內；即使噬菌體可以把DNA注射到細菌的細胞內，細菌有一套可以識別外源DNA的系統，能把噬菌體的DNA切碎，這樣噬菌體的基因就不能表達；即使噬菌體表達了基因，然後合成很多蛋白元件，這個時候細菌仍然可以阻止其完整正確地包裝，使其不能形成一個完整的噬菌體。總之，細菌具有非常有效的對抗噬菌體侵染的手段。
▲噬菌體的變通之道
雖然細菌有「十八般兵器」，但是噬菌體有「七十二變」，它就像孫悟空鑽到牛魔王的肚子裡面，可以進行「七十二種變化」。DNA在傳代的過程中都會發生一些突變，而噬菌體的突變率是極高的，要遠遠高於原核生物、真核生物。基因組的高突變率使得噬菌體可以千變萬化，來攻破細菌的抵抗。
▲與噬菌體相關的研究獲得諾貝爾獎
因此，雖然我們通常認為噬菌體不是生命，它們卻是我們研究生物系統最重要的模式生物之一。我們在對噬菌體侵染速度的研究中，發現了很多生物學史上重要的發現，至少6項噬菌體相關的研究獲得了諾貝爾獎，其中包括2020年獲得諾貝爾化學獎的CRISPR/Cas9系統，這一套系統現在已經被廣泛應用在各個領域，包括生物醫學、農業等，它可以非常有效地提高我們基因組編輯的效率。
Part.3
「噬菌體療法」的成敗興衰
噬菌體雖然小，卻並不簡單。在噬菌體發現的初期，它就已經被用作治療細菌感染。在第一次世界大戰時，歐洲戰場上的環境衛生非常糟糕，就導致在士兵之間流行一種傳染病叫「痢疾」。這種痢疾是由痢疾桿菌侵染引起的，痢疾桿菌會侵染人體腸道，導致腹瀉。
▲左：費利克斯·迪海萊（Felix d’Herelle）
右：1919年首次用於治療患有痢疾的士兵
很奇怪的是，其中有一些士兵感染痢疾之後很快就死去了，也有一些士兵感染痢疾之後，過一段時間之後又恢復了正常。當時有一位加拿大的科學家，叫費利克斯·迪海萊，他在恢復正常的士兵的腸道內分離出了噬菌體，可以非常有效殺死痢疾桿菌。所以他就想，是不是可以用噬菌體治療由痢疾桿菌導致的感染。三年以後，也就是1919年，噬菌體制劑首次被用在戰場上感染痢疾的士兵體內，獲得了非常好的效果。
▲左：費利克斯·迪海萊於1925年獲得列文虎克獎章
右：喬治亞第比利斯研究所的標誌
於是噬菌體療法進入了一個非常興盛的時期。因為當時細菌感染是非常恐怖的一類疾病，有很高的致死率，噬菌體便成為了一個非常有效對付細菌感染的方法。
1934年，費利克斯·迪海萊應史達林之邀入境蘇聯，到達了喬治亞的第比利斯，與他的老相識喬治·葉利亞瓦（George Eliava）一同，開始在第比利斯研究所工作，開展了噬菌體治療的臨床研究。
至今，第比利斯仍然是國際上噬菌體臨床治療中心之一，費利克斯·迪海萊也成為噬菌體療法產業化的先驅。
我國在早年也有噬菌體治療的案例。1958年，上海鋼鐵工人邱財康因為一次鍊鋼事故，導致全身大面積燒傷，嚴重破壞了皮膚免疫器官。之後各種細菌在病人身上定植，其中有一類細菌非常難以治療，就是銅綠假單胞菌，也叫作綠膿桿菌。
▲左：餘賀教授
中、右：電影《春滿人間》
當時感染綠膿桿菌的邱財康已經生命垂危，醫院集中了所有著名的內外科專家，還請來細菌專家餘賀教授會診。餘賀教授是我國早期一位非常有名的微生物學家，他帶領醫生從病人的體內分離綠膿桿菌，從環境裡尋找綠膿桿菌的噬菌體，最後成功分離出能清除掉綠膿桿菌的噬菌體。這個故事也被拍成了一部電影，叫《春滿人間》，現在仍然可以在網上找到。
▲左：亞歷山大·弗萊明
右：超級神藥青黴素的發現
1928年，亞歷山大·弗萊明發現了青黴素，這是人類發展抗生素歷史上的一個里程碑。青黴素是一種由真菌分泌的化合物，對於細菌，抗生素的治療有很好的效果，而且非常容易實現大規模工業化生產，因此噬菌體療法也漸入衰退。
細菌可以產生抗生素，必然也有能夠對抗抗生素的機制。時間來到了21世紀，一方面，抗生素的大規模使用促使耐藥機制在細菌之間廣泛傳播，催生了耐藥菌的大量出現。另一方面，我們對於新抗生素的發現卻遠遠滯後耐藥菌產生的速度，這使得耐藥菌在臨床上頻繁出現。
▲抗生素的困境
世界衛生組織對這一情況進行了預測，如果這一現象不加以控制，到2050年，全球每年將會有1000萬人死於超級耐藥菌的感染，中國每年將會有100萬人因此死亡。
近兩年，因為耐藥菌在臨床上出現的頻次越來越多，噬菌體療法漸漸又有了復興的趨勢。2016年，一對美國夫婦去埃及旅遊，丈夫感染上一種恐怖的超級耐藥菌，叫鮑曼不動桿菌。
經過多方治療，所有臨床用到的抗生素都已經用過了，仍然無法扼制他體內的鮑曼不動桿菌。
幸運的是，他的夫人是一位研究噬菌體的生物學家，她就緊急採用噬菌體療法，通過FDA的審批，用鮑曼不動桿菌的噬菌體對她的丈夫進行救治，成功把她的丈夫挽救回來。
▲左：膿腫分支桿菌噬菌體
右：Isabelle Holdaway
上圖照片中間的小女孩叫Isabelle Holdaway，她是一個肺纖維化病患者，因為雙肺移植，她服用了大量的免疫抑制劑，導致肺部感染了膿腫分支桿菌，後期甚至全身分佈，讓她身體狀況每況愈下。
當時微生物學家決定採用噬菌體療法，找到膿腫分支桿菌噬菌體來治療分支桿菌的感染。從環境中分離到噬菌體後發現，膿腫分支桿菌噬菌體的殺菌效果並不是那麼的理想，所以又對這個噬菌體進行了改造，增強了它殺菌的活性，然後應用到臨床上。
經過6個月的治療，Isabelle體內膿腫分支桿菌的感染被成功控制，這是國際上首次將改造後的噬菌體用於細菌感染的治療。
Part.4
任重而道遠
現在我們有一個問題，噬菌體對人體是安全的嗎？一方面，噬菌體應用到臨床治療已經有100年的歷史了，到目前為止，有幾千例噬菌體治療的案例，我們仍未發現治療過程中有明顯的副作用。
▲生態安全性
另一方面，人體腸道中也有大量的噬菌體存在。據估計，每天有大約上百億個噬菌體顆粒通過腸道進入人體。到目前為止，我們並沒有發現這一過程對人體的健康造成傷害。
▲動物機體毒理安全性
我們實驗室也很關注這個問題，所以我們用動物實驗評估噬菌體對於動物機體的影響。我們通過靜脈給小鼠注射高劑量噬菌體，發現這個小鼠的機體沒有發生很明顯的變化，而且噬菌體在小鼠體內很快就被清除掉了，似乎機體對噬菌體已經有了很好的應對措施。
除了用噬菌體來治療臨床上超級耐藥菌的感染，我們還在農業上利用噬菌體防治養殖場細菌感染的病害。
現在我們離噬菌體療法已經很近，每年都會有一些應用噬菌體來治療臨床超級耐藥菌感染的病例報道出來。我們又離噬菌體療法很遠，因為噬菌體目前還沒能獲得大規模的臨床使用。
其中的原因有兩個，一個就是我們對於噬菌體的認識還遠遠不夠，噬菌體的種類繁多，我們還不能確定所有的噬菌體都不會對人體造成傷害。
另一個原因就是我們還缺少噬菌體的基礎研究和應用研究，我們需要對噬菌體有更加全面的認識和了解，才有可能正確地應用噬菌體療法。
這樣的話，我們還需要更多的噬菌體研究人員，包括醫生參與進來，構建更廣泛、針對臨床耐藥菌的噬菌體資源庫，最終才可以實現噬菌體大規模的應用。
感謝大家！
來源：格致論道講壇
