利用合成生物学开发噬菌体疗法和益生菌Harnessing Synthetic Biology for Phage Therapy and Probiotic Development

研究人员正在利用合成生物学技术开发更精确的抗菌药物。本文发表于2024年12月2日，作者Blake Forman。Blake Forman是《Technology Networks》的高级科学作家，负责撰写和编辑各种科学领域的最新新闻、文章和专题报道。他拥有萨里大学的化学荣誉学位和南安普顿大学的化学硕士学位，研究项目集中在新型荧光染料的合成，这些染料常用于化学/生物传感器和光动力疗法。了解我们的编辑政策

近十年来，我们理解和操控生物学的工具得到了显著发展，最终催生了新型疗法来对抗疾病。然而，病原体也在构建自己的防御系统。耐药机制的进化导致抗菌药物耐药性（AMR）被宣布为全球公共卫生的主要威胁之一。为了应对AMR，研究人员转向了如噬菌体疗法等抗生素替代方案。合成生物学技术已成为人类与耐药细菌斗争中的变革工具。这一多学科领域涉及新或改良活系统的工程设计，可以用于工程设计新的抗菌药物，以对抗超级细菌。如今，研究人员正利用合成生物学技术改造抗生素、提高抗生素产量和工程设计更精确的噬菌体，仅举几例。

AMR危机的规模

抗生素耐药性已被宣布为全球健康危机，据估计，2019年细菌AMR直接导致了127万人死亡。临床抗生素耐药感染病例的增加归因于过度使用、不当处方和抗生素创新不足等因素。尽管需要新的抗菌药物，但许多大型制药公司正在放弃这一领域。这种下降被认为是因为投资回报低、传统方法难以发现新化合物、推测新抗菌药物会出现耐药性以及将新抗菌药物推向市场的严格监管要求。现在，合成生物学方法的发展正在帮助寻找新型药物和更精确的策略。

噬菌体疗法的复兴

噬菌体或噬菌体已成为传统抗生素的强大替代品。与许多同时攻击肠道微生物群的抗生素不同，每种噬菌体都进化为针对特定的细菌株或物种。噬菌体疗法最初出现于100多年前，但在西方国家由于抗生素的普及而逐渐失宠。在大多数西方国家，噬菌体的应用仅限于医学的边缘领域，主要用于同情使用案例。这通常归因于缺乏临床证据证明噬菌体疗法的有效性。随着AMR威胁的加剧，人们对这种先于抗生素的抗菌方法的兴趣重新燃起。

什么是噬菌体疗法？

裂解性噬菌体或噬菌体是专门针对和杀死细菌的病毒。噬菌体疗法涉及向患者施用裂解性噬菌体，以裂解引起感染的细菌病原体。美国食品药品监督管理局（FDA）尚未批准任何噬菌体产品用于人体临床使用。因此，美国研究人员或临床医生打算向患者施用噬菌体时，必须首先提交新药研究申请。

“噬菌体并不是新的，它们有100年的分离和表征历史，”莱斯特大学微生物学教授兼噬菌体研究中心主任Martha Clokie教授此前在接受《Technology Networks》采访时说，“但本质上，以前的研究是盲目的，而现在我们可以深入研究基因组学。这可以帮助我们找到针对许多新生物体的噬菌体。”

正在进行的临床试验希望增加支持噬菌体疗法使用的临床证据。一项早期临床试验正在评估噬菌体疗法在携带铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa, P. aeruginosa）的囊性纤维化成人患者中的应用。

为了弥合转化噬菌体研究的差距，达特茅斯盖塞尔医学院的科学家们最近研究了噬菌体-宿主在人体细胞中的反应。他们发现，治疗性噬菌体可以被人体呼吸道上皮细胞检测到，引发促炎反应。研究人员建议，可能可以通过利用免疫反应来改善噬菌体疗法的效果。

“即使噬菌体不能在哺乳动物细胞中复制，噬菌体仍可以展示病原体相关分子模式，这些模式可以被人类细胞上的免疫模式识别受体识别，”达特茅斯盖塞尔医学院微生物学和免疫学教授Jennifer Bomberger博士此前在接受《Technology Networks》采访时说。“我们的研究，以及其他一些评估噬菌体疗法效果的研究，一致认为免疫反应似乎是自限性的，不会对接受这种治疗的人造成严重的不良影响。”

利用合成生物学增强噬菌体

除了缺乏支持其使用的临床数据外，天然噬菌体通常存在宿主范围受限的问题，并且可能会出现噬菌体耐药性。这些问题可以通过利用合成生物学提供噬菌体额外的治疗能力来克服。通过重组工程、CRISPR-Cas辅助选择或合成体外基因组组装等技术，可以精确地工程设计噬菌体基因组内的特定基因或基因簇，以修改噬菌体的功能。

SNIPR Biome利用CRISPR-Cas系统工程设计噬菌体，专门针对大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli），这是由肠道细菌移位引起的血液感染的常见原因。研究人员筛选了一个包含162种野生型噬菌体的文库，确定了8种具有广泛覆盖大肠杆菌且能够稳定携带插入货物的噬菌体。这些噬菌体接受了尾纤毛工程和CRISPR-Cas武装。后续测试显示，工程设计的噬菌体减少了噬菌体耐受大肠杆菌的出现，并在共培养实验中超越了其祖先的野生型噬菌体。这些发现导致了SNIPR001的开发，这是一种结合了四种最互补的CRISPR-Cas武装噬菌体的组合，针对广泛的E. coli菌株。SNIPR001现已进入临床开发阶段。

结合噬菌体的自然能力和合成工具，可以扩展它们针对的细菌范围，并帮助消除多重耐药细菌。结合基因组学和人工智能的进步，这些技术可以更准确地识别针对特定细菌菌株的噬菌体，噬菌体再次成为抗生素的有希望的替代品。

英国议会科学、创新和技术委员会2023-2024年关于噬菌体抗菌潜力的报告发布后，伦敦国王学院高级讲师Ken Bruce博士表示：“噬菌体疗法的重新关注代表了应对临床感染的积极步骤。噬菌体疗法已使用多年，现在英国科学界对此的兴趣正在增长。”

改造益生菌以发挥抗菌活性

另一种有前途的抗生素替代品是工程设计的益生菌。这些“有益”细菌可以重新编程以识别特定分子，触发分泌抗菌物质，从而破坏细菌病原体。庆尚国立大学的研究人员已经基因工程设计了能够检测和清除铜绿假单胞菌的益生菌。为此，研究人员创建了一个基于质粒的系统，该系统产生一种铜绿假单胞菌选择性抗菌肽（AMP）。然后将基于质粒的系统转移到益生菌大肠杆菌Nissle 1917（EcN）中。研究人员展示了工程设计的益生菌表达和分泌AMP的能力，结果在体外抑制了铜绿假单胞菌。“此外，在小鼠模型的肠道铜绿假单胞菌定植中，给予工程设计的EcN导致粪便和结肠中的铜绿假单胞菌水平降低，”研究人员表示。

虽然工程设计的益生菌在检测特定分子方面表现出色，但仍需进行更多的人类研究以确定这些疗法的影响。益生菌释放的抗菌物质可能导致肠道失调、代谢紊乱或其他副作用。此外，AMP通常对益生菌菌株有毒，甚至可以杀死产生细胞。

在问题出现前检测病原体

为了相互之间和其他物种沟通和协调细胞行为，细菌利用了一种称为群体感应的过程。合成生物学家试图利用群体感应的特性，作为构建微生物控制系统以在病原体传播和成为问题之前检测有害病原体的工具。圣母大学的科学家们创建了一种新型全细胞生物传感器，用于检测水污染中的铜绿假单胞菌和假单胞菌（Burkholderia pseudomallei, B. pseudomallei），这两种细菌都是公认的水源性疾病常见致病因子。这项研究基于群体感应信号系统构建和表征了生物传感器。将合成电路工程设计到肠道细菌中，以感知、记录和响应体内信号，是诊断、治疗和预防疾病的有前景的新方法。

合成生物学与个性化医疗

耐药病原体已进化出克服许多常用抗生素的能力。合成生物学可以通过工程设计噬菌体和细菌以实现靶向抗菌活性，为对抗AMR提供新的选择。在将这些合成创造的疗法转化为人类医学之前，仍有许多重大挑战需要克服。这些挑战包括需要进行更大规模和可重复的对照试验以确认疗效和安全性。成功的抗菌疗法应尽量减少对个体微生物群的影响，以减少负面副作用。为此，越来越多的努力正在致力于开发精确的抗菌疗法，以针对有害病原体，同时不干扰宿主微生物群。未来，可能可以利用个人微生物群数据来定制抗菌疗法。

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