原文题目：Phage therapy in noncommunicable diseases
通讯作者：ERAN ELINAV
隶属单位：魏茨曼科学研究所系统免疫学系
DOI：10.1126/science.adh2718
噬菌体（以下简称噬菌体）是一个多世纪前被预测为一种有效的抗菌药物的细菌病毒，主要在前苏联加盟共和国被广泛使用。尽管最初令人兴奋，并且鉴于抗生素的发现，对抗菌噬菌体治疗的兴趣逐渐减弱。然而，对传染病噬菌体治疗的探索已经重新出现，以解决广谱抗生素耐药性这一令人担忧且全球不断扩大的问题。此外，鉴于人们越来越认识到微生物群在调节健康和非传染性疾病方面的不同作用，噬菌体可以构成一种有希望的靶向疗法，针对天然栖息在体内但有助于非传染性疾病的共生细菌（或病理细菌）。
噬菌体治疗感染的主要优点包括噬菌体对其过时细菌的特异性，从而最大限度地减少对周围微生物群的损害;缺乏真核宿主脱靶效应;以及噬菌体在细菌细胞入侵时繁殖，从而在细胞裂解时繁殖和新的靶标接合。在某些情况下，噬菌体处理甚至可以在先前的抗生素耐药性感染中赋予抗生素敏感性。然而，使用噬菌体作为抗感染剂也存在挑战，包括通过其外来抗原负荷和遗传物质引发免疫反应;细菌抗噬菌体耐药性的出现，由细菌噬菌体受体的自发突变介导，使它们对噬菌体接合产生抗性;以及多种抗噬菌体防御机制。这些防御包括限制性修饰核酸内切酶，CRISPR和100多种其他新发现的防御系统，它们在富含噬菌体的环境中为细菌提供多层保护，从而损害噬菌体处理的功效。
微生物群落由居住在粘膜表面附近的各种微生物群落组成，它们影响宿主的大量生理功能。微生物群落结构的改变（生态失调）与人类疾病的联系越来越密切，包括心血管疾病、1 型和 2 型糖尿病、炎症性肠病 （IBD）、一些癌症，甚至神经变性。实验性微生物群改变方法，如个性化营养、精准益生菌、微生物群移植和代谢物补充，旨在调节微生物群的组成和功能，使其更健康。然而，在不诱导周围微生物生态系统生态失调的情况下，有针对性地抑制致病的病理因素仍然是一个令人生畏的未满足需求。
作为在非传染性疾病中使用噬菌体疗法的概念证明，噬菌体联合疗法用于靶向小鼠中新发现的抗生素耐药性人类IBD相关肺炎克雷伯菌（Kp）菌株分支。这导致有效的Kp抑制并降低了炎症和疾病的严重程度。此外，口服噬菌体的活力和安全性在健康人类志愿者的胃肠道中得到证实。合理构建靶向感兴趣的细菌菌株或菌株分支的噬菌体联盟，其中每个联盟噬菌体成员通过不同的机制参与目标菌株，防止了噬菌体耐药性的出现。口服给药与胃酸抑制相结合，可确保噬菌体与肠道微生物群的可行接触、耐受性以及参与者最小的脱靶生态失调或不良反应。因此，Kp靶向噬菌体联盟在携带Kp的IBD患者中的应用（在四个地理上不同的队列中评估的患者中有38%发生）值得进一步的干预研究。
在原发性硬化性胆管炎（PSC）患者中，靶向富含胃肠道Kp分支的毒噬菌体联合疗法显示出持续的体外抑制作用和粪便Kp的体内减少，同时在肝胆损伤小鼠模型中减轻肝脏炎症和疾病严重程度。同样，使用靶向产生酒精的Kp菌株的单一毒性噬菌体可以缓解小鼠的脂肪性肝炎，而不会改变肠道微生物群。噬菌体干预伴随着肝细胞凋亡和炎症途径的抑制，以及抗炎细胞因子白细胞介素-10的增强产生。
未来的噬菌体组合可以应用于将抑制致病共生体与噬菌体介导的药物递送到不同的生态位。例如，核梭杆菌与结直肠癌（CRC）进展和对免疫疗法和化疗的反应改变有关。由噬菌体指导的纳米系统被工程化以选择性靶向小鼠CRC肿瘤微环境中的F. nucleatum，将抗癌药物伊立替康封装在葡聚糖纳米颗粒中。这种噬菌体靶向治疗显着提高了化疗的疗效，同时抑制了F. nucleatum的肿瘤内生长。
除了使用活噬菌体外，效应噬菌体蛋白还可以整合为替代治疗选择，使噬菌体诱导的细菌抑制，而没有与施用活噬菌体疗法相关的复杂性，包括免疫原性和耐药性。例如，内溶素是肽聚糖水解酶，通过噬菌体预先形成的孔移动到厚壁菌的murein层，在那里它们降解肽聚糖壁，从而诱导细胞死亡。使用改进的噬菌体裂解素合成版本可以治疗抗生素耐药性感染和潜在的非传染性疾病。
噬菌体处理必须针对个体进行定制，这可以通过将患者收获的细菌靶标与潜在的噬菌体共培养来促进，以鉴定具有抗菌能力的噬菌体。因此，宏基因组分析可用作伴随诊断，以识别患者的主要疾病贡献病理，然后基于培养的噬菌体联盟优化。
针对非传染性疾病的噬菌体联合疗法正处于探索阶段。噬菌体治疗感染的挑战，包括免疫原性、耐药性和抗噬菌体细菌免疫，仍有待在前瞻性长期研究中探索非传染性疾病背景下。环境噬菌体分离、基因组和功能表征以及针对细菌面板的测试是劳动密集型任务，越来越多地满足自动化，再加上生成环境和/或临床分离的噬菌体和噬菌体编码蛋白的可持续集合。噬菌体生物库可以提供纯化、测序和结构表征的噬菌体。这种噬菌体储存库可以评估免疫原性和其他不良反应，这些不良反应已通过临床试验（NCT04650607）得到彻底验证，同时有助于针对其各自细菌靶标对噬菌体及其组合进行快速测试。
噬菌体疗法的挑战与前景
在噬菌体分离被证明困难的情况下，几种替代方法可以使噬菌体特异性的基因组转化为新的靶标。一般来说，温带噬菌体很丰富，但作为治疗方法不太理想，因为它们通过涉及整合酶和阻遏因子的过程将其基因组整合到细菌染色体中。被整合缺陷的温带噬菌体可能仍然能够将其遗传物质整合到细菌中，但不太稳定，在某些情况下可能导致转化为毒力状态。这种工程噬菌体可以掺入一些抗菌噬菌体组合治疗中。此外，天然产生的细菌毒素大肠杆菌素可能唤醒休眠的噬菌体，使其能够随后转化为毒性，临床上合适的噬菌体。
临床上可用的噬菌体的设计和选择可以通过应用进化权衡来促进。因此，噬菌体耐药性的发展可能伴随着细菌毒力的降低。这种权衡在实验上被利用为“噬菌体引导”来改变病原体毒力并降低感染严重程度，同样可以在非传染性疾病中探索。在没有针对病理学鉴定出环境噬菌体的情况下，合成生物学可以通过交换噬菌体尾巴的组分来重定向噬菌体特异性，噬菌体尾巴特异性识别，结合并将遗传物质注射到细菌靶标中。合成工程的“噬菌体”可以实现进一步的修饰，例如，导致获得新的细菌靶标范围，以允许对耐药细菌突变体具有特异性。同样，尾部纤维和CRISPR-Cas工程噬菌体显着提高了它们在靶向致病性大肠杆菌方面的功效，该大肠杆菌与小鼠致命感染有关。
噬菌体递送是一个主要的治疗考虑因素。口服噬菌体在沿人类胃肠道的传代中面临快速变化的生物物理条件。可变的运输时间、周期性的食物消耗和 pH 值的急剧改变可能会影响噬菌体在与细菌靶标接触时的活力和活性。其他肠道递送方法，如结肠镜检查和缓释和定时释放胶囊，可以优化噬菌体输送到人体肠道的指定壁龛。噬菌体与粘蛋白（形成粘液层的糖蛋白）的结合，沿胃肠道提供润滑和保护，可以减少噬菌体与粘膜粘附病理素的接触，粘膜粘附病理素通常在屏障功能和免疫耐受中起作用，并在各种非传染性疾病中被破坏。皮肤噬菌体制剂将最佳地能够充分渗透到毛囊中，许多皮肤共生体都位于毛囊中。将噬菌体施用到血液中可以补充当地的递送途径，值得未来的研究。
监管挑战不容忽视。目前，在大多数国家，噬菌体疗法法规遵循与传统候选药物相同的评估和批准途径。然而，由于噬菌体是活的生物制剂，它们与传统药物存在许多差异，因此值得量身定制的监管考虑。例如，批准联合药物治疗通常需要每种成分的疗效证据。在噬菌体的情况下，这种方法在许多情况下可能会失败，因为当作为单独的干预措施施用时，细菌会对部分或所有单个噬菌体产生耐药性。从安全的角度来看，一个多世纪以来噬菌体的广泛（但控制不佳）给药，加上缺乏已知的噬菌体真核受体，意味着这种治疗应该是安全的。然而，噬菌体诱导的先天免疫激活和免疫原性必须在长期给药以治疗非传染性疾病时密切评估。在平衡这些考虑因素时，建议进行专门的监督，使噬菌体疗法的监管评估适应其独特的特征。解决与噬菌体治疗相关的挑战，同时利用其在人类非传染性疾病中的治疗潜力，可以使噬菌体的抗菌能力在人类精准医学中得到利用。
DOI：10.1126/science.adh2718
转自：“生物医学科研之家”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
