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噬菌体是专一性的细菌病毒，能高效快速的杀灭靶细菌而不受细菌耐药性和生长环境的影响。在细菌耐药性日益严重的今天，噬菌体作为一种天然的治疗性制剂逐渐受到重视。在后抗生素时代，噬菌体疗法有望成为治疗细菌感染的未来趋势，但是受科技发展水平、法律法规的监管理念以及伦理和生物安全等因素制约，噬菌体治疗依然面临着诸多挑战。 噬菌体的发现 噬菌体（Bacteriophage, phage）又称“细菌病毒”，是一类专门“捕食”细菌的病毒。噬菌体在自然界中普遍存在，通常与细菌相伴而生，共同进化。不管是在冰冷的深海，还是在炙热的火山口，都能寻得他们的踪迹。据推测噬菌体是地球上数量最庞大的生物体，约有10^31种----是细菌总数的10倍之多。噬菌体最早是由弗德里克·特沃特（Frederick W.Twort）1915年在培养葡萄球菌的过程中发现的。同年8月加拿大医学细菌学家费利克斯·德赫雷尔（Felixd’ Herelle）也发现了这种病毒。当时德赫雷尔发现志贺痢疾杆菌的新鲜培养物能被某种无菌滤液所溶解至澄清，将此澄清也过滤后加到另一新鲜志贺痢疾杆菌培养液中能观察到同样的现象。于是他将这些能使浑浊细菌培养液变澄清测病毒（virus）称为噬菌体。后来，噬菌体在支原体、螺旋体、放线菌及蓝细菌（蓝藻）中陆续被发现。 噬菌体的感染周期 噬菌体由蛋白质外壳和包装在其内部的单一核酸组成。根据噬菌体的形态结构，可将其分为13个科，其中比较常见的是长尾噬菌体科（Sipho-viridae）、肌尾噬菌体科（Myoviridae）和足状噬菌体科（Podoviridae）。这3个科共包含15个属，包含了大部分的噬菌体，其余噬菌体分属于剩余的10个科。典型的噬菌体通常包含一个20面体的头部，一个中空的针状结构及外鞘组成的尾部，以及尾丝和尾针组成的基部。 T4噬菌体的形态。图片来源：百度百科/T4噬菌体 噬菌体的侵染有严格的种属特异性，即一种噬菌体通常只能侵染一种细菌。当烈性噬菌体侵入活的细菌细胞后，能利用细菌的营养物质和细胞工厂加工出自己的病毒蛋白，并在细菌胞内组装成新的病毒粒子。等到新包装的病毒粒子“整装待发”之后，噬菌体会编码一类新的武器---噬菌体裂解酶（bacteriophage lysin），用来裂解宿主细胞，释放子代噬菌体。噬菌体的整个感染周期通常在30-40分钟内完成，比细菌的繁殖速度要快的多。一个感染周期可以释放几百个子代噬菌体，这些释放出来的子代噬菌体又可以重新感染周围的正常细菌。因此，一个噬菌体只需要重复4次，便可使几十亿个细菌感染而死亡。
有些噬菌体在感染宿主后将自身的基因组整合进宿主细胞的基因组，并不导致细菌的快速死亡，这类噬菌体称为溶原性噬菌体。但在适当的条件下，溶原性噬菌体也可导致细菌的裂解，释放出子代噬菌体。
噬菌体治疗已有近百年的历史 噬菌体对细菌具有天然的吞噬能力和与生俱来的进化优势，这种超级噬菌的能力不受细菌耐药性和生存环境的影响，而是大自然一物降一物的杰作。近年来，噬菌体作为一种对付细菌的武器受到了人们的关注。然而，噬菌体受到关注不仅仅是因为他们能噬菌，而是因为近年来无法遏制的耐药性细菌的不断出现和传播。如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，耐碳青霉烯类肠杆菌，多耐药的铜绿假单胞菌和鲍曼不动杆菌等。有些耐药细菌已经突破了传统抗生素的极限，达到了“百毒不侵”的地步，快要让临床大夫束手无策了！ 英国伦敦的Digital Science公司发布了2015年100篇最热门的学术论文，拔得头筹的不是肿瘤新疗法，也不是埃博拉，而是2015年1月发表在《自然》上关于新抗生素的研究。论文共同作者波士顿东北大学微生物学家Brian Conlon对媒体如此关注这一研究有点意外，因为在CBS晚间新闻上看到关于细菌培养的照片是一种非常陌生的体验。 其实，他大可不必意外。因为新的抗生素，或者说能有效对付耐药细菌感染拯救生命的物质，全世界都太需要了！ 噬菌体就是一个这样的存在！ 其实早在1919年，噬菌体刚刚问世不久，在对其生物学特征知之甚少的情况下，东欧和前苏联便开始运用噬菌体来治疗细菌感染。Herelle曾在法国农村传染病流行的地区，给农民的羊群接种噬菌体，结果表明用噬菌体治疗过的羊群的死亡率很低，传染病的持续时间大大缩短。在噬菌体成功地治疗动物的感染后，Herele开始考虑利用噬菌体治疗人的细菌感染。1919年他在巴黎Enfants-Malades医院用抗痢疾噬菌体治愈了一个患有严重痢疾的男孩。其它3名患有细菌性痢疾的病人在接受同样治疗后，在24h内开始恢复。Herele还曾用抗瘟疫噬菌体治愈了4例患有淋巴腺鼠疫的病人。在1920-1930年间，印度大面积用噬菌体治疗霍乱取得了较好的效果。 噬菌体治疗细菌感染性疾病成未来趋势 进入21世纪后，由于耐药细菌的出现和广泛传播，科研界开始对噬菌体治疗抱有积极的态度并进行了许多有益的尝试。噬菌体治疗的研究进入了一个新的阶段。各国都投入了很大的精力来发展噬菌体技术，以及寻找各种病原菌的噬菌体并尝试将其用于细菌感染的治疗。大量的噬菌体得到分离，几乎每周都有新的噬菌体基因组序列公布。噬菌体治疗的范围也极大的广泛，不仅有体外感染/控制模型的建立，而且很多都涉及到了体内具体病例的动物模型。不仅涉及到人类疾病的预防与治疗，而且涉及到食品、饲料中病原细菌的清除，以及细菌生物膜的防控。此时，噬菌体用于治疗的研究不仅得到了科研界的支持，而且也得到了许多国家政策的支持和鼓励。2006年，美国FDA批准了一个噬菌体鸡尾酒复配剂用于食品中李斯特菌的控制。2007年，比利时布鲁塞尔医学伦理委员会正式批准医务工作者用噬菌体治疗由绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌引起的烧伤后感染。 近年来，噬菌体治疗向着国际化和临床化的方向迅猛发展。去年3月，美国NIH过敏和感染疾病研究所将噬菌体疗法作为7种对付抗生素耐药的手段之一。同年，欧盟投资520万美元资助一个跨国家的噬菌体疗法多中心临床研究计划（Phagoburn计划），用噬菌体治疗人类细菌感染。同年9月，法国、比利时和荷兰的科学家也在招募感染大肠杆菌和绿脓杆菌的烧伤患者，对这些患者使用法国毕达哥拉斯医药公司提供的噬菌体进行治疗。格鲁吉亚Eliava研究所所长Mzia Kutateladze说，人们对噬菌体和病毒自然产生恐惧心理，但在格鲁吉亚，噬菌体治疗已经使用了将近一个世纪。越来越多欧洲患者到格鲁吉亚去接受噬菌体治疗。欧洲一些国家的医生也把患者的样本送到格鲁吉亚Eliava研究所，然后Eliava研究所再把制备好的特定噬菌体鸡尾酒送到欧洲。 Eliava研究所的噬菌体制剂。图片来源：科学网博客/噬菌体疗法有望克服抗生素耐药困境 国内噬菌体研究如火如荼 噬菌体治疗在我国也不是一个新鲜词。早在1958年，我国第一位细菌学博士余贺教授，就利用噬菌体成功治疗了绿脓杆菌对烧伤病人的感染，成为微生物学界的一段佳话。这件事情还被拍成了一部名为《春满人间》的电影。 近年来，国内的噬菌体研究取得了快速的发展，并迅速和国际接轨。去年11月，第一届噬菌体国际学术研讨会在江苏省农业科学院成功召开。来自美国、加拿大、新西兰、格鲁吉亚、菲律宾等7个国家及我国53所大学和研究机构的120多名专家学者齐聚南京，共同研讨噬菌体领域的最新研究进展。 第一届国际噬菌体会议在南京召开。图片来源：江苏省农科院/院内新闻 同时'国际噬菌体研究中心（IPRC）'正式挂牌成立，该中心由国际噬菌体会议主席Elizabeth Kutter教授和格鲁吉亚Eliava噬菌体微生物与病毒学研究所所长Mzia Kutateladze教授亲自命名，由国际噬菌体会议主席Elizabeth Kutter教授和中国微生物学会医学微生物学与免疫学专业委员会主席胡福泉教授在开幕式上揭牌成立。该中心的成立为实现我国噬菌体研究与国际噬菌体研究的同步发展奠定了基础。 国际噬菌体研究中心揭牌。图片来源：江苏省农科院/院内新闻 今年一月，由中国科学院病毒研究所主办的国内第一本专业的病毒学杂志《Virologica Sinica》刊发了噬菌体治疗的专辑（phages and therapy），以纪念噬菌体发现100周年。该专辑收到了来自美国、芬兰、俄罗斯、马来西亚、格鲁吉亚等多国研究人员的稿件，出版后引起了国内外同行的强烈支持和共鸣。几乎同时，国外的大型出版商和专业杂志也开辟了类似的噬菌体治疗的专辑，如Frontiers推出的专辑Phagetherapy: past, present and future。 Virologica Sinica出版的噬菌体治疗专辑。图片来源：Virologica Sinica。 噬菌体用于治疗的优势 噬菌体用作为治疗性制剂，和抗生素相比，有其独特的优势。 （1）噬菌体具有很强的特异性，一般只感染特定种属的病原菌，不会破坏正常菌群。抗生素由于其广谱性，在用于治疗感染性疾病的同时，往往也会破坏消化道及泌尿生殖道等部位的正常寄居菌，从而导致微生态微生物群落的失衡，引起机会性感染甚至更严重的全身性感染。 （2）噬菌体作用于细菌赖以生存所必须的元件，不易产生耐药性。噬菌体与细菌共同进化，具有很好的识别宿主细菌的能力，特异性的作用于细菌细胞壁上的保守组分，细菌很少能产生抗性。因此，噬菌体用于治疗会省去许多抗生素特有的细菌耐药性的问题。 （3）噬菌体增殖能力强，能不断的扩大作用疗效。噬菌体噬菌体药代动力学显示：在适当的条件下，一个裂解周期内平均每个噬菌体会产生200个子代噬菌体，即噬菌体将以200n进行增殖。这就意味着当噬菌体用于治疗时，噬菌体的疗效是随时间而放大的，直到全部杀灭宿主细菌。而抗生素用于治疗，其疗效是消耗型的，往往需要多次给药以维持一定的浓度，才能达到理想的治疗效果。 （4）噬菌体治疗副作用少。目前的研究还没有发现噬菌体治疗会引起严重副反应。也没有噬菌体口服过敏现象的报道。甚至一些免疫缺损的病人服用噬菌体制剂也是很安全的。这一点与抗生素不同，很多抗生素都会有副作用，甚至严重的副作用。所以使用前要对患者作过敏测试，有些抗生素只有到万不得已的时候才可以使用。 （5）噬菌体治疗不受细菌耐药性的限制。噬菌体具有完全不同于抗生素的杀菌机制，不受到细菌已经获得的抗生素耐药性的影响。这就意味着，噬菌体用于治疗可以不用考虑患者所携带的细菌的耐药情况，不仅省去了许多的药敏测试环节，节省了成本，提高了效率，而且避免了很多因延误给药或者不正确给药所造成的人员伤亡（因为很多药敏测试需要花费很长的时间，如结核等）。 （6）噬菌体进入机体后没有代谢，不会造成机体的二次污染。噬菌体只在细菌感染的部位发生作用，随着病原菌的死亡而减少，直至消失。而抗生素则进入机体新陈代谢，有些易在体内残留造成二次污染。 （7）噬菌体制备工艺简单，研发周期短，成本低廉。噬菌体往往只需要通过筛选即可快速得到，制备工艺相对抗生素而言要简单得多。 噬菌体由于制备简单、宿主单一、不受细菌耐药性水平影响以及杀菌能力强大，可以弥补抗生素的诸多缺点，是一个不错的用来对抗日益严重的耐药细菌的候选药物。虽然噬菌体用于控制耐药细菌，在体外、体内都取得了很多不错的进展，而且噬菌体治疗能在食品、饲料行业得到接受和应用，但，这并不代表着噬菌体治疗就真的可以“大摇大摆”的走入临床，进入公众医疗保障服务体系。因为噬菌体作为一种治疗用的药物，还有很多问题值得人们深思，诸如给药方式、剂型、药物残留、不良反应等。 噬菌体用于治疗的挑战 尽管噬菌体治疗取得了广大的认可和积极的实践，但是，随着研究的深入，人们对噬菌体治疗有了更清楚和深刻的认识。不仅看到了噬菌体用于治疗所具有的潜力，同时也发现了许多的缺点和不足。 （1）到目前为止，噬菌体通过口服或者注射进入人和动物体内后具体的新陈代谢情况还不清楚，但是有一点可以肯定，无论是口服、吸入或者是注射，都可以在血液中检测到噬菌体的存在。 （2）并不是所有的噬菌体都适合用于治疗。一个具有良好治疗前景的噬菌体应该具有很强的结合并快速杀灭宿主的能力，而不改变微环境的生态平衡。此外，还应该具有专一的裂解特性（烈性噬菌体）、稳定的裂解效果（不受温度、环境的影响）以及安全高效的品质（确保其基因组中没有毒素蛋白基因）。温和型噬菌体在裂解时往往会携带大量的宿主毒力因子，如内毒素等。有些裂解缓慢或缺陷的噬菌体也应该避免用于治疗。这类噬菌体或者具有较低的吸附靶细菌的能力，或者增值能力不强，或者不能有效避开宿主细菌的防御反应。 （3）窄宿主导致治疗的盲目性。噬菌体具有非常窄的宿主选择性，通常只作用于细菌的某个属，有的只作用于某个种，有的甚至只作用于该种下的有限几株菌。这导致噬菌体在用于治疗时面临一个困境：必须弄清楚所使用噬菌体的确定的宿主范围，以及用于治疗的噬菌体是否对引起该感染的细菌有裂解作用。这就意味着，噬菌体在用于治疗前要做对病原菌的杀灭效果的测定，而临床感染通常有不同类型的细菌造成，有的还是混合感染。因此，治疗前的测定往往是不可能的。即使是使用噬菌体的鸡尾酒疗法也不能完全解决噬菌体窄谱所造成的使用缺陷。甚至，有些细菌已经产生了对噬菌体的抗性，这会严重影响噬菌体治疗的效果。 （4）噬菌体制剂成分不单一，质量控制标准缺乏。噬菌体制剂成分不单一，既含有蛋白质，又含有化学分子，这给制剂的质量评价造成了很大的困难。不像很多蛋白质药物，可以通过抗体效价来评估药物的活性和纯度。而且，噬菌体制剂可能还含有宿主细菌的内毒性蛋白，以及在制备过程中没有清除干净的其它物质。而且，在每批次纯化的噬菌体中，这些成分的含量和占比都是不同的。这使得噬菌体制剂在使用上具有很大的盲目性和不确定性。噬菌体制剂成分的复杂性导致质控标准很难统一，甚至缺失。同时，也造成了剂型和用量不好界定。而且，噬菌体制剂的给药方式、剂型、浓度和给药时间都会直接影响到治疗的效果。 （5）噬菌体制剂药代动力学不清楚，噬菌体进入机体后的安全性无法评估。噬菌体毕竟是基于蛋白质的活的生命体，能够和机体的免疫系统相互作用。噬菌体在使用的过程中会增殖、进化，甚至和机体进行基因交换。已有证据表明人体的免疫系统会让部分噬菌体失活。进入机体的噬菌体本身是否也会对人的免疫系统造成负面的影响还没有定论，但是噬菌体裂解宿主后所释放的细菌内毒素会影响机体的正常功能却是不争的事实。 展望 噬菌体的独特属性使其具有很强的竞争力，有望作为化学抗生素的补充而应用于耐药细菌的感染治疗。但是，在噬菌体走向临床一线之前，仍然有一些富有争议的问题有待解决。包括理想噬菌体的筛选，有效的剂型，以及临床实践。一个理想的可用于治疗的噬菌体应具备强大的裂解能力、较好的环境适应性和稳定性、基因组上不携带内毒素基因、具有相对广谱的裂解范围（至少应能裂解某个属的绝大部分细菌）、易于分离和纯化、对人的免疫系统没有负面的影响等。在这些问题得到全部的解答或者解决之前，有可能只是像Herelle所说的那样“噬菌体的裂解本性为临床传染病的治疗提供了有益的线索”。在这个耐药细菌快速出现和广泛传播的时代，也许还需要进一步加深对噬菌体生物学的理解，建立科学有效的针对噬菌体的药学标准，噬菌体才能真正获得与抗生素同等重视的第二次机会。 参考资料： 1. 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