我们还需要更多的噬菌体研究人员，
包括医生参与进来，
构建更广泛、针对临床耐药菌的噬菌体资源库，
最终才可以实现噬菌体大规模的应用。
大家好，我叫马迎飞，来自中科院深圳先进技术研究院深圳合成生物学创新研究院。非常高兴能够来到格致论道，给大家分享一些非常有意思的知识。今天我给大家介绍一下超级细菌的克星——噬菌体。
在我们身体的每个部位都有大量的微生物定植，这些微生物绝大部分都是共生的有益菌，能帮助人体维护健康，有助于人体降解食物等等。但也有极少一部分微生物，它可以导致人体发生疾病，这类细菌叫做致病菌。
目前我们对付致病菌比较有效的办法，就是用抗生素。但是抗生素的滥用也会适得其反。
什么叫抗生素的滥用呢？就是不应该用抗生素的病用了抗生素，或者用的抗生素不适合，从而造成身体负担。比如，有些人在感冒的时候可能会吃抗生素药物来缓解病情，但实际上，对于病毒性的感冒，吃抗生素远不如喝点热水更有效。
抗生素的滥用还体现在农业养殖方面。农业养殖常用抗生素提高动物的养殖率，维护动物的健康。但是抵抗抗生素的细菌也会在环境里聚集。通过循环，人类极容易在临床上感染这种细菌。
有一些细菌可以抵抗所有临床的抗生素，我们把它叫做超级细菌。超级细菌并不是危言耸听，它在临床上已经经常出现。我们在感染超级细菌之后，没有药物可以去抑制它，这怎么办呢？
一场延续了亿万年的战争
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人类通常在碰到困难的时候，总会在自然界里寻找帮助，这就是所说的师法自然。
我们来看一段视频（文章转载自微信公众号格致论道讲坛，可关注iSynBio造物公众号或格致论道讲坛公众号观看视频），这段视频显示的是一种细菌，然后有一个类似于外星生物的很小的东西，它把自己的DNA注射到这个细菌体内，疯狂地复制自己，最终把这个细菌给杀死了。
这个场景在地球的历史上已经维持了亿万年。这个长相奇特、能够杀死细菌的小东西，我们叫它噬菌体。
▲ 正在进攻细菌的噬菌体示意图
什么是噬菌体？噬菌体就是专一感染并杀死细菌的病毒。和病毒一样，它的结构也非常简单：一个蛋白质构成的外壳，包裹着一段核酸。
▲噬菌体结构
那噬菌体是如何被发现的呢？20世纪初期，印度恒河流域的卫生状况是非常糟糕的，在那里经常会发生霍乱，即由霍乱弧菌引发的疫情，疫情反反复复，但是爆发的霍乱常常很快就消失了。
当时有一位英国科学家叫欧内斯特·汉伯里（Ernest Hanbury），他对这个事情非常感兴趣，来到印度进行考察。他发现在印度恒河水里有一种极小极小的物质，比细菌的大小还要小很多，它可以非常有效地把霍乱弧菌杀死，这可能是导致恒河两岸霍乱疫情能够自发消失的重要原因之一。
▲命名了噬菌体的雷德里克·图尔特（Frederick Twort）
1915年的时候，法国巴斯特研究所有一个科学家，叫雷德里克·图尔特（FrederickTwort），他首次在布满细菌的平板培养皿上发现了能够杀死细菌，然后形成一个透亮圆环的现象，他认为这里面的东西可以非常好地把细菌杀掉，所以称之为“噬菌体”。这也是噬菌体第一次被命名。
▲Hoyles et al., Res.Microbiol. 2014
直到电子显微镜发明以后，我们才真正地看到了噬菌体的样子。噬菌体呈现出了丰富的基因多样性，同时也是地球上数量最多的生物，估计有10的31-32次方，比我们可以观测到的宇宙中的星星的数量还要多。
“十八班兵器”与“七十二变”的对抗
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回到上面的问题，为什么噬菌体可以非常高效地把细菌杀死？为什么它们之间的战争持续了亿万年？既然噬菌体能够杀死细菌，那么是不是地球上所有的细菌都消失了呢？其实不是的，在我们这个地球上的每一个角落，每时每刻都有无数的细菌被噬菌体感染并杀死，但细菌的数量并没有发生很大的变化，仍然在自然界发挥着重要的作用。
这张图片展示的是细菌的生长曲线。绿色的线表示单独培养细菌的数量，细菌群体的数量增长很快。红线表示噬菌体和细菌共同培养时细菌的数量，我们发现细菌生长一段时间之后，它的数量会很快下降，下降到0，这个时候就是因为噬菌体把细菌杀死了。奇怪的是，过了一段时间之后，细菌的数量又很快增加。就是因为细菌对噬菌体产生了抗性，即使这个时候培养皿里有噬菌体，也不能杀死细菌了。
▲细菌对抗噬菌体的十八班兵器
这是怎么回事呢？因为细菌有对抗噬菌体的“十八班兵器”，它的对抗贯穿了整个噬菌体侵染细菌的过程。比如噬菌体侵染初期，它需要吸附在细菌的表面，细菌可以阻止噬菌体吸附；即使噬菌体能够吸附，细菌也可以拒绝噬菌体的DNA注射到细胞内；即使噬菌体可以把DNA注射到细菌的细胞内，细菌有一套可以识别外源DNA的系统，能把噬菌体的DNA切碎，这样噬菌体的基因就不能表达；即使噬菌体表达了基因，然后合成很多蛋白元件，这个时候细菌仍然可以阻止其完整正确地包装，使其不能形成一个完整的噬菌体。总之，细菌具有非常有效的对抗噬菌体侵染的手段。
▲噬菌体的变通之道
虽然细菌有“十八班兵器”，但是噬菌体有“七十二变”，它就像孙悟空钻到牛魔王的肚子里面，可以进行“七十二种变化”。DNA在传代的过程中都会发生一些突变，而噬菌体的突变率是极高的，要远远高于原核生物、真核生物。基因组的高突变率使得噬菌体可以千变万化，来攻破细菌的抵抗。
▲与噬菌体相关的研究获得诺贝尔奖
因此，虽然我们通常认为噬菌体不是生命，它们却是我们研究生物系统最重要的模式生物之一。我们在对噬菌体侵染速度的研究中，发现了很多生物学史上重要的发现，至少6项噬菌体相关的研究获得了诺贝尔奖，其中包括2020年获得诺贝尔化学奖的CRISPR/Cas9系统，这一套系统现在已经被广泛应用在各个领域，包括生物医学、农业等，它可以非常有效地提高我们基因组编辑的效率。
“噬菌体疗法”的成败兴衰
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噬菌体虽然小，却并不简单。在噬菌体发现的初期，它就已经被用作治疗细菌感染。在第一次世界大战时，欧洲战场上的环境卫生非常糟糕，就导致在士兵之间流行一种传染病叫“痢疾”。这种痢疾是由痢疾杆菌侵染引起的，痢疾杆菌会侵染人体肠道，导致腹泻。
▲左：费利克斯·迪海莱（Felix d’Herelle） 右：1919年首次用于治疗患有痢疾的士兵
很奇怪的是，其中有一些士兵感染痢疾之后很快就死去了，也有一些士兵感染痢疾之后，过一段时间之后又恢复了正常。当时有一位加拿大的科学家，叫费利克斯·迪海莱，他在恢复正常的士兵的肠道内分离出了噬菌体，可以非常有效杀死痢疾杆菌。所以他就想，是不是可以用噬菌体治疗由痢疾杆菌导致的感染。三年以后，也就是1919年，噬菌体制剂首次被用在战场上感染痢疾的士兵体内，获得了非常好的效果。
▲左：费利克斯·迪海莱于1925年获得列文虎克奖章 右：格鲁吉亚第比利斯研究所的标志
于是噬菌体疗法进入了一个非常兴盛的时期。因为当时细菌感染是非常恐怖的一类疾病，有很高的致死率，噬菌体便成为了一个非常有效对付细菌感染的方法。
1934年，费利克斯·迪海莱应斯大林之邀入境苏联，到达了格鲁吉亚的第比利斯，与他的老相识乔治·叶利亚瓦（George Eliava）一同，开始在第比利斯研究所工作，开展了噬菌体治疗的临床研究。
至今，第比利斯仍然是国际上噬菌体临床治疗中心之一，费利克斯·迪海莱也成为噬菌体疗法产业化的先驱。
大陆在早年也有噬菌体治疗的案例。1958年，上海钢铁工人邱财康因为一次炼钢事故，导致全身大面积烧伤，严重破坏了皮肤免疫器官。之后各种细菌在病人身上定植，其中有一类细菌非常难以治疗，就是铜绿假单胞菌，也叫作绿脓杆菌。
▲左：余贺教授 中、右：电影《春满人间》
当时感染绿脓杆菌的邱财康已经生命垂危，医院集中了所有著名的内外科专家，还请来细菌专家余贺教授会诊。余贺教授是大陆早期一位非常有名的微生物学家，他带领医生从病人的体内分离绿脓杆菌，从环境里寻找绿脓杆菌的噬菌体，最后成功分离出能清除掉绿脓杆菌的噬菌体。这个故事也被拍成了一部电影，叫《春满人间》，现在仍然可以在网上找到。
▲左：亚历山大·弗莱明 右：超级神药青霉素的发现
1928年，亚历山大·弗莱明发现了青霉素，这是人类发展抗生素历史上的一个里程碑。青霉素是一种由真菌分泌的化合物，对于细菌，抗生素的治疗有很好的效果，而且非常容易实现大规模工业化生产，因此噬菌体疗法也渐入衰退。
细菌可以产生抗生素，必然也有能够对抗抗生素的机制。时间来到了21世纪，一方面，抗生素的大规模使用促使耐药机制在细菌之间广泛传播，催生了耐药菌的大量出现。另一方面，我们对于新抗生素的发现却远远滞后耐药菌产生的速度，这使得耐药菌在临床上频繁出现。
▲抗生素的困境
世界卫生组织对这一情况进行了预测，如果这一现象不加以控制，到2050年，全球每年将会有1000万人死于超级耐药菌的感染，中国每年将会有100万人因此死亡。
近两年，因为耐药菌在临床上出现的频次越来越多，噬菌体疗法渐渐又有了复兴的趋势。2016年，一对美国夫妇去埃及旅游，丈夫感染上一种恐怖的超级耐药菌，叫鲍曼不动杆菌。
经过多方治疗，所有临床用到的抗生素都已经用过了，仍然无法扼制他体内的鲍曼不动杆菌。
幸运的是，他的夫人是一位研究噬菌体的生物学家，她就紧急采用噬菌体疗法，通过FDA的审批，用鲍曼不动杆菌的噬菌体对她的丈夫进行救治，成功把她的丈夫挽救回来。
▲左：脓肿分支杆菌噬菌体 右：Isabelle Holdaway
上图照片中间的小女孩叫Isabelle Holdaway，她是一个肺纤维化病患者，因为双肺移植，她服用了大量的免疫抑制剂，导致肺部感染了脓肿分支杆菌，后期甚至全身分布，让她身体状况每况愈下。
当时微生物学家决定采用噬菌体疗法，找到脓肿分支杆菌噬菌体来治疗分支杆菌的感染。从环境中分离到噬菌体后发现，脓肿分支杆菌噬菌体的杀菌效果并不是那么的理想，所以又对这个噬菌体进行了改造，增强了它杀菌的活性，然后应用到临床上。
经过6个月的治疗，Isabelle体内脓肿分支杆菌的感染被成功控制，这是国际上首次将改造后的噬菌体用于细菌感染的治疗。
任重而道远
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现在我们有一个问题，噬菌体对人体是安全的吗？一方面，噬菌体应用到临床治疗已经有100年的历史了，到目前为止，有几千例噬菌体治疗的案例，我们仍未发现治疗过程中有明显的副作用。
▲生态安全性
另一方面，人体肠道中也有大量的噬菌体存在。据估计，每天有大约上百亿个噬菌体颗粒通过肠道进入人体。到目前为止，我们并没有发现这一过程对人体的健康造成伤害。
▲动物机体毒理安全性
我们实验室也很关注这个问题，所以我们用动物实验评估噬菌体对于动物机体的影响。我们通过静脉给小鼠注射高剂量噬菌体，发现这个小鼠的机体没有发生很明显的变化，而且噬菌体在小鼠体内很快就被清除掉了，似乎机体对噬菌体已经有了很好的应对措施。
除了用噬菌体来治疗临床上超级耐药菌的感染，我们还在农业上利用噬菌体防治养殖场细菌感染的病害。
现在我们离噬菌体疗法已经很近，每年都会有一些应用噬菌体来治疗临床超级耐药菌感染的病例报道出来。我们又离噬菌体疗法很远，因为噬菌体目前还没能获得大规模的临床使用。
其中的原因有两个，一个就是我们对于噬菌体的认识还远远不够，噬菌体的种类繁多，我们还不能确定所有的噬菌体都不会对人体造成伤害。
另一个原因就是我们还缺少噬菌体的基础研究和应用研究，我们需要对噬菌体有更加全面的认识和了解，才有可能正确地应用噬菌体疗法。
这样的话，我们还需要更多的噬菌体研究人员，包括医生参与进来，构建更广泛、针对临床耐药菌的噬菌体资源库，最终才可以实现噬菌体大规模的应用。
感谢大家！
本文转载自微信公众号格致论道讲坛
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作者 | 马迎飞
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