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蔣夢萍 病毒中的一股“清流”

發布時間:2020-03-06

  作者: 中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心   蔣夢萍     

  1.聞病毒而色變 

  病毒的名字“virus”起源于拉丁文,意思是毒藥和其他有毒的液體,這個最早的名稱就表明virus在人們心目中是一種不好的事物。“virus”的中文翻譯是病毒,也暗示著和疾病、毒物相關,聽起來就讓人敬而遠之。病毒家族幾個流量明星的大爆,比如艾滋病毒、流感病毒、乙肝病毒、SARS、埃博拉病毒等等,為病毒的惡名遠揚推波助瀾,仿佛它是十惡不赦的魔鬼,恨不能滅之而后快。 

  

 

    

  那么,臭名昭著的病毒家族真的都是惡棍嗎?今天就給大家介紹病毒家族中特立獨行的一位成員——噬菌體。 

  2. 意外發現——“細菌的病毒 

  噬菌體是病毒家族的一個分支,有成千上萬個不同的成員。它的獨特之處在于可以感染細菌,通過寄生在細菌體內進行復制增殖,最終殺死細菌,一種噬菌體只能感染一種細菌。和其他病毒一樣,噬菌體也是由蛋白質包裹的外殼和內部的核酸兩部分構成。 

  

 

  噬菌體在1915年首次被細菌學家弗雷德里克·圖爾特(Frederick T.wort)報道。他發現瓊脂培養基上的部分細菌菌落變得透明,這樣的菌落進一步培養時不能形成新的菌落,也就是細菌被殺死了。 

  與此同時,在巴黎巴斯德所工作的加拿大細菌學家費利克斯· 德赫雷爾(Felix d’Herelle)在培養從痢疾患者的糞便中分離出的痢疾桿菌時,也在培養皿上發現了一些不長細菌的圓點。他猜測圓點里有某種顆粒殺死了細菌。他把這些圓點稱為噬斑,引起噬斑的顆粒稱為噬菌體(bateriophage)。之后,由于噬菌體感染細菌的獨特特性,其在生物領域的傳奇故事就此揭開序幕。 

  

 

  3. 噬菌體對抗超級細菌 

  順著噬菌體可以感染細菌的思路,很容易就想到,很多疾病是細菌感染引起的,是不是可以以毒攻毒,用噬菌體來殺細菌,達到治療疾病的目的呢?治療細菌感染的首選通常是抗生素,但是隨著抗生素的濫用,耐藥現象越來越常見,這讓人們的注意力重新回到噬菌體身上。 

  那么如何利用噬菌體對抗超級細菌呢? 

  我們來看2019年《自然醫學》雜志的一個案例報道。案例的主人公是一個15歲的少女,由于患有先天性肺囊性纖維化,肺功能持續下降,不得不進行肺移植。移植后的免疫抑制讓本就有的感染炎癥雪上加霜。體外培養發現是一種名為分枝桿菌的耐藥菌種感染,盡管給予了患者強效治療分枝桿菌的藥物和抗生素,但是效果不好。 

  為此,醫生不得不尋找新療法,他們想到的就是用噬菌體治療。 

  噬菌體治療的第一步,是體外分離驗證。他們培養從患者傷口分離的分枝桿菌,形成不同的菌落,一個菌落就是一類相同的分枝桿菌。之后選取從分枝桿菌中分離的大量噬菌體,一種一種進行共培養,看其是否可以感染菌落,結果從大約10000種噬菌體中找到三種噬菌體可以感染菌落1 

  然后,需要通過基因改造技術提高它們的感染效率。 

  接下來,測試這三種噬菌體對其他菌落的感染效率,盡管發現并不是每一種噬菌體都能感染殺滅所有的菌落,但是如果將三者連用,則可以殺滅大部分分枝桿菌。這種噬菌體連用的療法,被稱為雞尾酒療法 

  體外有效是萬里長征的第一步,接下來就要進行體內驗證了。 

  首先在患者手術傷口附近局部用藥,確認沒有過敏等不良反應后,改為局部加靜脈注射。持續治療6個月之后,患者的皮膚感染持續好轉,肝功能和肺功能也持續好轉,各項指標表明此次嘗試的噬菌體療法非常成功。 

  其實我們可以發現,篩選噬菌體的過程和噬菌體被發現的過程有異曲同工之妙,一種解藥(噬菌體)配一種毒藥(細菌),難點就是找到這個唯一的解藥。面對越來越狡猾的超級細菌,噬菌體一度被認為是對抗細菌的終極武器。 

  國內也有利用噬菌體對抗超級細菌的報道。2017年上海還成立了上海噬菌體與耐藥研究所,致力于研究利用噬菌體對抗耐藥細菌引起的感染,期望在以后和耐藥細菌的對抗中占據有利地位。 

  

 

  圖五,20179月,上海噬菌體與耐藥研究所在復旦大學附屬上海市公共衛生臨床中心成立。(圖片來源:網絡視頻截圖) 

  4. 噬菌體的諾貝爾獎之路 

  除了可以用來對抗超級細菌,噬菌體因其對生物學研究和制藥領域的貢獻,而兩度成為諾貝爾家族的座上賓。 

  第一次是通過噬菌體感染細菌實驗證明了DNA是生物體的遺傳物質,而不是蛋白質,這項研究獲得了1969年諾貝爾生理學或醫學獎。簡單來說,構成噬菌體外殼蛋白的氨基酸含有硫(S),而DNA不含硫。相反,磷(P)主要存在于DNA。所以用35S32P標記噬菌體的外殼蛋白和核酸,然后檢測被感染的宿主細菌體內主要是35S還是32P就可以推斷出遺傳物質究竟是核酸還是蛋白質。這個巧妙又簡單的實驗因其重要性也出現在了大家的高中生物課本中。 

  

 

  噬菌體感染細菌實驗。阿爾弗雷德·赫爾希(Alfred Hershey)和瑪莎·蔡斯(Martha Chase)因此獲得1969年諾貝爾生理學或醫學獎。(圖片來源:百度百科) 

  噬菌體的第二個諾貝爾獎來自于噬菌體展示技術。簡單來說就是將目標基因插入到噬菌體外殼蛋白基因的特定位置,讓目標基因對應的多肽或蛋白隨著衣殼蛋白的表達而表達,借此得以展示出來。這個絕妙的設計大大減少了傳統基因克隆篩選蛋白的工作量,也開辟了抗體藥物研發的新思路。 

  在基于噬菌體展示技術研發的藥物中,最著名的就是聲名遠播的用來治療類風濕性關節炎等自身免疫疾病的藥王”——阿達木單抗(TNF-α抗體)。在已經上市的數十種抗體藥物中,利用噬菌體展示技術研發的有近10種,還有更多的抗體藥物正在研發當中。 

    

  

2018年諾貝爾化學獎頒給了兩項研究成果。一個是阿諾德的酶的定向演化,另一個是多肽和抗體的噬菌體展示技術,由史密斯和溫特共同獲得。(圖片來源:https://www.nobelprize.org 

  

 

  除了以上介紹的幾種,噬菌體在其他領域也有非常重要的貢獻,比如,在分子生物學領域,推動了包括DNARNA聚合酶等各種重要操作酶的發現和驗證。在生態領域,對于生物多樣性的巨大貢獻等等。而最期待的是其在醫藥領域的巨大潛力。 

  病毒可以致病,也可以治病,可以是武器,也可以是工具。而作為病毒家族重要成員的噬菌體,其傳奇故事仍在持續上演。 

 

參考資料 

  1.  https://biologyreader.com/bacteriophage.html 

  2.  Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. Nature Medicine. 2019 May; 25(5):730-733. doi: 10.1038/s41591-019-0437-z. Epub 2019 May 8. 

  3.  A (r)evolution in chemistry.https://old.nobelprize.orz/che-popular.pdf 

  4.  《超級細菌感染患者經噬菌體治療痊愈出院》,報道來自上海市公共衛生信息網頁 

  5.  黃廣濤,2017,《噬菌體在燒傷泛耐藥細菌感染治療中的應用研究》,第三軍醫大學 

  6.  彭毅志,黃廣濤,2016,《燒傷細菌感染的噬菌體治療》,中華燒傷雜志 

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