噬菌体怼上耐药菌,等待死亡时

日期:2020-02-03编辑作者:国际新闻

作者:谷双双 来源: 中国科学报 发布时间:2019/5/16 10:19:19 选择字号:小 中 大 噬菌体怼上耐药菌 新疗法为囊胞性纤维症治疗带来曙光

最近,科学家们使用了一种实验疗法,借助海洋噬菌体项目收集到的噬菌体成功帮助一名 15 岁的女孩治愈了身上的分枝杆菌感染。

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Isabelle Carnell(右二)和她的母亲(右一)、医生Helen Spencer(左一)、噬菌体研究人员Graham Hatfull(左二)。图片来源:HELEN SPENCER

据介绍,这位患者因囊胞性纤维症于 2017 年在伦敦一所医院进行双肺移植手术。这种遗传疾病不仅会导致肺部被积液堵塞,而且会让患者长期遭受感染困扰。近几年,她也一直服用抗生素来治疗两种顽固的细菌感染。手术完成数周后,这位患者刀口出现发红和肝脏感染。随后患者手臂、腿和臀部也出现了细菌感染引发的结节,遗憾的是传统的抗生素也不再有效。

接受治疗的患者伊莎贝尔·卡内尔与她的母亲。海伦·斯潘塞与格拉哈姆·哈特富尔是本文的两位主要研究者。

Helen Spencer的15岁囊胞性纤维症患者,在2017年9月接受双肺移植手术1周后,伤口变成了鲜红色。Isabelle Carnell一直都在与脓肿分枝杆菌的耐药性感染作斗争,目前,流脓的溃疡和肿胀的结节在她虚弱的身体里迅速蔓延开来。英国伦敦大奥蒙德街医院呼吸儿科医生Spencer说,当我看到患者的伤口感染时,我的心情就会失落,因为我知道接下来的病情会是个什么情况。这是一个痛苦的过程,所有的孩子都将以死亡告终。

科学家们在《自然—医学》杂志发表的成果中称,在接受转基因噬菌体这一新疗法治疗的 6 个月里,女孩身上的皮肤结节几乎全部消失,她的手术伤口开始愈合且肝脏功能得到改善。

2010年,南非德班。夸祖鲁·纳塔尔大学的本科生莉莉·霍尔斯特(Lilli Holst)正在刮一根茄子底部腐烂的果肉,这是一堂病毒课程的家庭作业——寻找噬菌体,而这种部分腐烂的蔬菜似乎正是找到它们的好材料。黑暗潮湿的腐烂果肉如同肥沃的土壤,大量肉眼不可见的食腐者在里面蠢蠢欲动。

在标准治疗方法失败后,Isabelle的母亲向Spencer咨询关于替代疗法方案,她还说自己读过一些关于使用病毒杀死细菌的文章。Spencer决定在一个看似遥不可及的想法上赌一把:噬菌体,这是一种具有悠久历史的医学治疗方法,该病毒可以杀死细菌。她与权威的噬菌体研究人员合作,研制出第一批被用作治疗的基因工程噬菌体的混合物,并首次用于分枝杆菌,包括结核病。日前,作者在《自然医学》杂志上报道说,在经过6个月特制的噬菌体注射后,Isabelle的伤口愈合了,病情有所好转,并没有严重的副作用。

匹兹堡大学霍华德—修斯医学院教授 Graham Hatfull 表示,这项研究首次证实了转基因噬菌体用在人类患者身上的安全性和有效性。这种治疗方案能够为我们提供一种对抗耐药细菌的个性化方法,它甚至有可能更广泛地应用于控制肺结核等疾病。

把“土壤样本”放在显微镜下观察,仍是一派繁荣景象。霍尔斯特很快发现了她要寻找的东西:一种从未被描述过的噬菌体,它能杀死某些分枝杆菌。霍尔斯特给这个噬菌体起了个应景的名字——Muddy。之后,Muddy沉睡在美国匹兹堡一座实验室的冰柜里,而这个学生继续她的生活,她拿到了更多的学位,在一家通信机构工作。她怎么也想不到的是,8年之后,当年课程中的意外发现,不仅挽救了一位身患绝症的女孩,还可能为更多疾病的治疗带来革命。

这是一个具有说服力的试验,尽管这只是个单一的病案分析。美国哈佛大学公共卫生学院的传染病研究者Eric Rubin说。他补充说,这还需要通过临床试验进行严格的检验。

三十多年来,Hatfull 一直从事噬菌体的收集研究工作,这也方便他开展噬菌体能否治疗细菌感染的研究工作。

来源 | STAT等

噬菌体疗法可以追溯到上世纪,但直到最近,噬菌体疗法在大多数国家被边缘化,主要是因为抗生素的出现。与广谱抗生素不同,单个噬菌体通常会杀死一种细菌菌株,这意味着对一个感染者有效的治疗可能会在另一个感染同种细菌变种的人身上失败。噬菌体也有毒。但最近一系列针对耐抗生素细菌的成功,重新激起了研究人员对这一想法的兴趣,导致美国知名大学纷纷成立噬菌体研究中心。耐药结核菌株是噬菌体治疗的一个特别诱人的靶点。

Hatfull 的学生已经帮助他从全世界收集了大约 1.5 万个噬菌体样本,摆满了实验室的两个架子。Hatfull 称:“这其实并非这个项目的初衷,我曾经认为这个噬菌体收集项目能够帮助我们解决生物学上的各种问题。但是,我们并未考虑过噬菌体在医疗领域的这种应用。”

编译 | 董依明 吴非

脓肿和其他细菌通常会在囊胞性纤维症患者的肺部繁殖黏液,囊胞性纤维症是一种遗传性疾病,全世界约有8万人患有这种病。一旦感染可能导致严重的肺损伤,移植手术是最后的治疗方法。例如,Isabelle肺功能那时已经失去了2/3,感染威胁着她的生命。

噬菌体疗法的想法已经存在了近一个世纪。但是在此之前,人们对于这种疗法的安全性和有效性仍然知之甚少。2017 年加州大学圣迭戈分校的医生们成功借助噬菌体治愈了一位感染多重耐药菌的患者。Hatfull 称,正是这一案例以及抗生素抗性的提升让人们对噬菌体产生了兴趣。

生死边缘

为了帮助Isabelle,Spencer的团队联系了宾夕法尼亚州匹兹堡大学的噬菌体研究员Graham Hatfull。Hatfull和他的团队收集了超过1.5万个噬菌体,其中许多是由150多所参加关于噬菌体教育活动的学校的本科生发现的。Hatfull和他的团队耗费3个月的时间寻找能够杀死从Isabelle的伤口和痰中分离出来的脓肿分枝杆菌的噬菌体。他们发现了3种。

在 Hatfull 听闻伦敦有两位肺部严重感染的患者消息之后不到一个月时间,他收到了两位患者所感染的细菌菌株样本。他的团队从样本中搜索了有可能对这种细菌产生作用的噬菌体。他们不仅测试了个体噬菌体,而且将数千种噬菌体混合进行测试。如果有一种噬菌体能够清除实验室塑料盘上培养的细菌,那么它或许就有可能对抗两位患者感染的细菌。

2017年9月,伦敦大奥蒙德街儿童医院的呼吸科专家海伦·斯潘塞(Helen Spencer)正在进行一场双肺移植手术。手术台上的15岁女孩名叫伊莎贝尔·卡内尔(Isabelle Carnell),她出生时就患有囊性纤维化,这是一种罕见的遗传性疾病,患者的粘液会堵塞胸部,让细菌有机会侵入。随着时间推移,卡内尔越来越难以呼吸。此外,为了抑制细菌感染,她从7岁起就持续使用了多种抗生素。最终,卡内尔的肺功能衰竭至正常人的三分之一,她不得不进行双肺移植才能生存。

Hatfull研究小组希望将噬菌体与混合物相结合,以降低脓肿分枝杆菌产生耐药性的几率,但有一个问题这3种噬菌体中有两种是所谓的温和性噬菌体,具有抑制其致死率的抑制基因。为了将这两种噬菌体转化为可信赖的细菌杀手,Hatfull的实验室研发了用于研究噬菌体遗传学的基因编辑技术,以去除抑制基因。

最终,研究团队终于发现一种噬菌体能够对其中一位患者感染的细菌产生作用,但遗憾的是,这位患者已经离世。Hatfull 称,那真的是危及生命的严重感染。接下来他们为第二位患者筛选出了三种噬菌体,分别为 Muddy、ZoeJ 和 BPs。

手术本身并不复杂,为了防止伤口感染,医生向其血管注射了抗生素。但静脉注射药物让这个女孩出现了严重的恶心、腹泻和厌食,治疗不得不停止。

2018年6月,Isabelle首次接受了噬菌体混合物的注射。在72小时内,她的伤口开始结痂。在为期6周、每12小时进行一次静脉注射治疗后,感染几乎消失。然而,伤疤依然存在,她仍然每天坚持接受两次注射。她的生活和平常的青少年一样,上学、和朋友购物、学习驾驶技能。

Muddy 能够感染并杀死这位患者感染的细菌,但是 ZoeJ 和 BPs 效果没有这么明显。因此,Hatfull 和他的团队调整了两种噬菌体的基因,将它们打造成 “细菌杀手”。他们切除了让噬菌体在细菌内无害繁殖的基因。缺少这种基因,噬菌体就能够在细菌细胞中爆发并杀死细菌。随后研究人员将三种噬菌体混合,对其进行了安全性测试。

一周后,手术创面发红并出现了感染迹象。诊断结果为脓肿分枝杆菌(Mycobacterium abscessus),它们与引起肺结核的分枝杆菌是近亲,正在她的体液、器官和皮肤中繁殖、蔓延。卡内尔全身多处出现了溃疡。雪上加霜的是,由于过去8年间卡内尔一直在使用抗生素,她体内的细菌早已具备极强的耐药性。因此,内科医生们尝试了所有的抗生素,但除了损害女孩的肝脏之外,对病情几乎没起什么作用。“当我看到患者伤口感染时,我很是沮丧,因为我知道这会带来什么,”斯潘塞说,“对这些孩子来说,这是一个折磨人的过程。”

我们乐观地认为,随着时间的推移,可以彻底清除感染。Spencer说。

去年 6 月医生们使用混合噬菌体对这位患者进行了治疗。6 周之后的肝脏扫描表明,她的感染基本上消失了。现在这位女孩身上只残留了一到两个皮肤结节。Hatfull 对治疗结果充满期望,因为这些细菌尚未表现出任何对噬菌体具有抵抗力的迹象,他的研究团队也准备好将第 4 种噬菌体加入这个混合物中。

在移植后的9个月里,斯潘塞目睹了这个侃侃而谈的女孩变成一个口齿不清的病人,医护人员也逐渐失去了信心。女孩无法进食,她被送回家,在朋友和宠物狗的陪伴中进行姑息治疗——这似乎是唯一能做的了。

Spencer、Hatfull和其他共同作者强调,如果没有噬菌体治疗,Isabelle可能会有所好转。他们还注意到,她特制的混合物对测试的其他脓肿分枝杆菌菌株无效。尽管如此,初期的成功还是对研究人员起到了鼓励作用。Hatfull资源库中的其他噬菌体在试管中感染并杀死结合分枝杆菌,他认为这些噬菌体可能成为对付抗药性菌株的有力武器。

Hatfull 声称:“我们正在探索的是一个未知领域,而且为每位患者找到准确的噬菌体是一种巨大的挑战。未来有一天科学家们或许能够打造一种疗效更广泛的噬菌体混合物,治疗那些危急烧伤患者的假单胞菌感染等。

这时,卡内尔的母亲仍不愿放弃。当常规治疗方案失效,她与向斯潘塞询问替代方案,并提到了噬菌体疗法。

但是,纽约爱因斯坦医学院的结核病专家William Jacobs在小鼠结核病模型中对这些噬菌体进行了测试,最终没有发现任何效果。结核病存在于细胞内,我认为噬菌体无法进入细胞内。Jacobs说。但其他人说,可能有办法将噬菌体运送到受感染的细胞中。

相关论文信息:

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一些噬菌体公司至少进行了3次试验,以严格评估其潜在产品对不同细菌感染的价值。加拿大蒙特利尔麦吉尔大学的流行病学家Madhukar Pai说,即使治疗成功,他们也面临着巨大的实际障碍。为了能够实现这种现实疗法,我们需要找出我们是否能以最少的努力和成本来做到这一点。

卡内尔与她的母亲(图片来源:Christian Sinibaldi/卫报)

相关论文信息:-019-0437-z

噬菌体,就是可以摧毁细菌的病毒,作为医疗方案有着悠久的历史。在二战时,西方国家开始开发抗生素,而苏联仍倾向于使用“噬菌体疗法”。冷战时期,苏联人更难接触到西方世界最好的抗生素。为此,苏联投入巨资发展噬菌体疗法。但相比于广谱抗生素,单个噬菌体通常只会杀死一种细菌菌株,这意味着,针对一个人的治疗方法可能会对另一个感染了相同细菌的变种的人失效。因此,在很长一段时间内,噬菌体在大多数国家都属于边缘医学。但到了上世纪90年代,情况出现了变化。随着抗生素耐药性日益严重,西方研究者也开始认真看待噬菌体的作用。

《中国科学报》 (2019-05-16 第3版 国际)

斯潘塞本人不太了解噬菌体疗法,但医院里的病毒学家詹姆斯·苏西尔(James Soothill)医生向她们伸出了援手。上世纪90年代,苏西尔在格鲁吉亚首都第比利斯遇见了研究分枝杆菌噬菌体的遗传学家格拉哈姆·哈特富尔(Graham Hatfull)。

噬菌体宝库

哈特富尔任职于匹兹堡大学,他是一位“噬菌体狂人”。此前,他参与开展了一项全球性的噬菌体项目:世界各地的学生在实验室分离并识别噬菌体,这样他们在学习生物学知识的同时,也扩展了人类对病毒的认识。包括Muddy在内,上万种沉睡在哈特富尔实验室冷柜内的新型噬菌体,就是这个项目的丰硕成果。

所以,在2017年,当斯潘塞告诉苏西尔有关那个女孩的病情时,苏西尔给哈特富尔实验室发了封邮件。哈特富尔答应,将找到能帮助那个英国女孩的噬菌体。

苏西尔寄来了正在侵蚀女孩生命的细菌的样本。但问题是,噬菌体简直是出了名的挑剔,它们只对特定菌种的特定菌株起作用。而且,哈特富尔实验室中的噬菌体大多数是针对耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)的,与病人体内的脓肿分枝杆菌不同。

为了扩大筛选范围,哈特富尔还让实验室成员收集了更多土壤和污泥。他们从花坛和肥料堆中取了土壤样本,从养鸡场和养鸭场收集了大量的粪便。哈特富尔说,他们需要从上万种噬菌体中筛选出50到100种最好的,然后再进行单独筛选,以确定它们对脓肿分枝杆菌的杀伤力。

最终,他们找到的唯一能起作用的噬菌体,就是Muddy。

当然,研究到这里还没有结束。哈特富尔担忧的是,用单一噬菌体进行治疗将使细菌迅速演化出耐药性。他需要至少两种噬菌体,才能结合形成“鸡尾酒疗法”。

既然从上万种噬菌体中只能找到一种有效的答案,那么研究团队又将如何找到鸡尾酒中的另一种成分?哈特富尔想到了改造噬菌体。

哈特富尔团队知道,存在一些对病人体内菌株起作用的噬菌体,但是它们过于温和,不足以杀死菌株:一些噬菌体和平地将遗传信息挤进细菌;而另一些可能造成了一些破坏,但在充满细菌的培养皿中几乎没留下杀戮的痕迹。

为了增强它们杀灭细菌的能力,他们从中选取一些噬菌体,通过基因改造重新排列其遗传物质。哈特富尔说:“当抑制其噬菌能力的DNA被删除,噬菌体就会像繁殖迅速的兔子,在细菌内自由繁殖,很快就会使宿主细胞破裂死亡。”

最终,他们选出了两个经过基因改造的噬菌体——BPs和ZoeJ,与Muddy共同构成了为卡内尔定制的噬菌体“鸡尾酒”。

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参与此次治疗的三种噬菌体,从左至右依次为Muddy、BPs和ZoeJ(图片来源:研究论文)

浴火重生

药物被送至伦敦。2018年6月,人类首次基因改造噬菌体治疗在卡内尔身上进行。药物首先应用在卡内尔的手术创面,随后又被注射进血液。6周后,感染几乎消失了。然而,轻微的感染仍然存在,因此,她仍然每天接受两次注射。

慢慢地,女孩胸部的创面开始愈合,发红的迹象也渐渐消失。皮肤上因感染出现的肿块变平成了疤痕。检查发现,细菌从她的血清和痰中消失了,器官中的菌落也在减少。近一年后,虽然还需要治疗,但卡内尔已经可以正常地生活了,上学、和朋友一起购物,甚至还学了开车。

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治疗前,卡内尔皮肤的对比。(图片来源:研究论文)

不过,警报并没有完全解除。从女孩残余的皮肤肿块中的液体里,研究人员还是检测出了耐药性。斯潘塞对此很是担心。为此,哈特富尔一直在寻找新的噬菌体,从而为可行的未来治疗做好准备。

对哈特富尔来说,该案例的成功,并不意味着其他基因改造噬菌体的疗法一定会是简单、有效或安全的。进一步的研究发现,这次特制的组合药物也无法对其他脓肿分枝杆菌菌株起作用。尽管如此,这次成功还是鼓舞了噬菌体研究人员。他们相信,噬菌体有望成为全球细菌耐药性危机的答案,尤其是肺结核。肺结核由与脓肿分枝杆菌同属的另一种细菌引起。哈特富尔说:“如果我们能用噬菌体来简化、改进、缩短结核病治疗,将抗生素耐药性的几率降到最低,这将带来巨大的影响。这个案例让我们看到一道曙光。”

这项研究也让从事类似个性化噬菌体疗法的公司看到了前景。多个公司正在研发噬菌体鸡尾酒疗法——一些是个性化的,一些是预先组合好的;有天然的,也有经过基因改造的。至少三项试验正在进行,以严格评估针几种不同细菌感染的潜在产品价值。不过,目前仍缺少足够的临床试验。

这项研究只是噬菌体治疗的一小步,但对卡内尔来说,这是人生的一大步。而当故事开头的霍尔斯特听说,自己当年无意间的发现延长了另一位女孩的生命,她的兴奋来得更加直接。毕竟,谁会想到故事是从一根烂茄子开始的呢?

原始论文:

Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus

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