活体成像揭示病毒在肠道微生物群中的传播方式

加州大学欧文分校的研究人员开发了一种名为Phollow的活体成像系统，该系统可以追踪单个噬菌体在斑马鱼微生物群落中的传播情况，揭示了来自不同细菌宿主的噬菌体在复制、传播和与宿主组织相互作用方面的差异。

噬菌体是感染并杀死细菌的病毒。它们是地球上数量最多的生物实体之一，也是人类微生物群落中最早的定居者之一。噬菌体在人类微生物组中扮演多种角色：它们可以影响微生物群体动态，作为新生儿的一种先天免疫调节形式，并通过介导水平基因转移增强细菌的适应性。

受控的噬菌体爆发可能促进有益活动的传播，或用于清除在某些条件下变得有害的常驻微生物。为了有效利用噬菌体爆发，需要全面了解噬菌体的传播动力学，包括噬菌体在单一宿主体内的复制模式、向其他宿主的传播以及对细菌群落的影响。

研究噬菌体的传播动力学技术上具有挑战性，因为控制噬菌体在体内复制和传播的因素大部分未知。没有对噬菌体复制的位置和持续时间以及噬菌体是处于细胞外病毒颗粒还是细胞内前噬菌体状态的上下文理解，这一领域的进展将受到严重限制。

在《自然·微生物学》杂志上发表的题为“Phollow揭示斑马鱼微生物群落微生物群中噬菌体的在位传播动力学”的研究中，研究人员设计了一种活体成像方法，以探究噬菌体如何在细菌群落和动物宿主体内复制和传播。

Phollow应用于无菌斑马鱼，这些斑马鱼被工程化的E. coli和Plesiomonas菌株定植，使研究人员能够在单病毒颗粒分辨率下观察噬菌体的行为。研究人员构建了荧光标记的噬菌体，并将其引入称为Phollow virocells的改良细菌宿主中。

使用抗生素诱导病毒复制，并通过延时成像、超分辨率显微镜、流式病毒测定和扩展显微镜监测活体中的噬菌体活动。

观察到Phollow噬菌体会形成病毒聚集体，在细菌裂解后分散成快速扩散的粒子云。使用丝裂霉素C处理一小时后，病毒复制达到峰值，涉及约20%的细菌群体。

在峰值复制时，Phollow virocells每微米细胞长度平均含有1.6个病毒焦点。三维投影显示，病毒焦点的表面积大约是单个P2样噬菌体衣壳的100倍。透射电子显微镜发现野生型和Phollow噬菌体颗粒之间没有明显的结构差异。

流式病毒测定显示，丝裂霉素C、环丙沙星和甲氧苄氨嘧啶都诱导了相当的峰值病毒输出。甲氧苄氨嘧啶诱导的斑马鱼微生物群落爆发在四小时内产生整个微生物群落的噬菌体云，24小时后大部分消失。传染性病毒颗粒在四小时时在微生物群落组织中达到峰值，并在周围水中持续存在24小时。来源于Plesiomonas的噬菌体系统性地传播到肝脏和大脑。

在体外，观察到Phollow噬菌体在新的宿主细胞中复制并进行进一步的细菌间传播。在体内，第二波噬菌体复制证实了水平传播的发生。

初步测试表明，Phollow能够支持多尺度的噬菌体传播和跨界相互作用研究，这可能为基于噬菌体的微生物组治疗开辟新的途径。

活体成像和流式病毒测定技术可以支持旨在解析噬菌体爆发机制的实验设计，具有许多未开发的临床应用潜力。

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