利用合成生物学进行噬菌体疗法和益生菌开发

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，作者为Blake Forman。

抗生素耐药性的规模

抗生素耐药性已被宣布为全球健康危机，据估计，细菌抗生素耐药性（AMR）在2019年直接导致了127万人死亡。临床中抗生素耐药性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逐渐退出这一领域。这种下降被认为是由于投资回报低、传统方法难以发现新化合物、对新抗菌药物出现耐药性的猜测以及将新抗菌药物推向市场的严格监管要求。合成生物学方法的发展现在正在帮助寻找新的剂型和更精确的策略。

噬菌体疗法的复兴

噬菌体，或称噬菌体，已成为传统抗生素的强大替代品。与许多同时攻击微生物群落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。噬菌体疗法最早出现在100多年前，但在西方因抗生素的出现而失宠。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。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，是专门针对并杀死细菌的病毒。噬菌体疗法涉及向患者施用裂解性噬菌体以溶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类临床使用。因此，美国研究人员或临床医生打算向患者施用噬菌体前必须提交新药研究申请。

“噬菌体并不是新的，它们有一百年的分离和表征历史，以及尝试使用它们的历史，”莱斯特大学微生物学教授、噬菌体研究中心主任Martha Clokie教授此前在接受《技术网络》采访时说，“但现在我们可以深入基因组研究，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（P. aeruginosa）的成人囊性纤维化患者中的应用。

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，引发炎症反应。研究人员建议，可能可以通过利用免疫反应来提高噬菌体疗法的疗效。

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有限的问题，并且可能会出现噬菌体耐药性。这些限制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，噬菌体基因组内的特定基因或基因簇可以被精确改造，以改变噬菌体的功能。

SNIPR Biome利用CRISPR-Cas系统工程化噬菌体，专门针对大肠杆菌（E. coli），这是由微生物群落细菌迁移引起的血液感染的常见原因。研究人员筛选了一个包含162个野生型噬菌体的文库，鉴定出8个具有广泛覆盖范围的大肠杆菌噬菌体，这些噬菌体可以稳定携带插入的货物。这些噬菌体随后接受了尾纤蛋白工程和CRISPR-Cas武装。后续测试显示，工程化的噬菌体减少了噬菌体耐药性大肠杆菌的出现，并在共培养实验中超过了其祖先野生型噬菌体。这些发现促成了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，可以针对多种大肠杆菌菌株。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大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，这些技术可以帮助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前途的替代品。

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化益生菌。这些“有益”的细菌可以被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。庆北国立大学的研究人员已经基因工程化了能够检测和根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，该系统产生一种针对铜绿假单胞菌的选择性抗菌肽（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化益生菌表达和分泌AMP的能力，结果在体外抑制了铜绿假单胞菌。“此外，在小鼠模型中，通过口服给药工程化EcN，减少了粪便和结肠中的铜绿假单胞菌水平，”研究人员表示。虽然工程化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体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微生物群落失调、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。

在问题出现之前检测病原体

为了相互沟通并与其他物种协调细胞行为，细菌利用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检测有害病原体的工具，防止其传播和成为问题。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伯克霍尔德氏菌（B. pseudomallei），这两种细菌都被认为是水传播疾病的常见致病因子。这项研究构建并表征了基于群体感应信号系统的生物传感器。将合成电路工程化到微生物群落细菌中以感知、记录和响应体内信号是一种诊断、治疗和预防疾病的新方法。

合成生物学与个性化医疗

耐药性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化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多规模足够大且可重复的对照试验以确认其有效性和安全性。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，这些疗法可以针对有害病原体，同时不干扰宿主微生物群。未来，可能可以通过利用个人微生物组数据来定制抗菌疗法。

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