编译：微科盟小木，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读  

尽管数十年来，噬菌体作为治疗药物的作用一直被抗生素所掩盖，但多重耐药菌的出现以及对肠道微生物群在人类健康和疾病中的作用的更好理解，使它们重新成为人们关注的焦点。本文简要介绍了噬菌体生物学知识，并总结了近年来噬菌体在肠道微生物群和炎症性肠病、慢性肝病等胃肠道疾病中的作用。此外，我们回顾了噬菌体治疗肠道疾病的临床前研究和临床试验，并探讨了当前的挑战和未来潜在的研究方向。

论文ID

原名：Bacteriophages and their potential for treatment of gastrointestinal diseases

译名：噬菌体及其治疗胃肠道疾病的潜力 

期刊：Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology

IF：46.802

发表时间：2021.11

通讯作者：Bernd Schnabl

通讯作者单位：美国加州大学圣地亚哥分校

DOI号：10.1038/s41575-021-00536-z

综述目录

1 前言

2 噬菌体生物学：结构与功能

3 胃肠道中的噬菌体

   3.1 健康个体的肠道吞噬体  

   3.2 胃肠道疾病患者  

4 噬菌体治疗：过去和现在

   4.1 早期历史

   4.2 当前潜力

4.2.1 治疗细菌感染  

4.2.2 调控肠道微生物群  

4.2.3 噬菌体治疗作为一种精确医学方法  

5 挑战与未来方向

6 结论

主要内容

1 前言

人类肠道微生物群的变化与胃肠道和肝脏疾病有关，包括炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)、结直肠癌(colorectal cancer, CRC)、酒精性肝病和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)。虽然大多数变化都是针对细菌的，但一些研究揭示了肠道病毒组的变化与疾病和发育功能障碍有关。

人类病毒组主要以细菌噬菌体(也称为噬菌体)为主，它是一种可以感染细菌的病毒。 噬菌体在100年前被发现后，被广泛用作抗菌剂。然而，在Watson和Crick之前的几十年，微生物学的早期状态阻碍了噬菌体疗法有意义的科学发展，尤其是在上世纪中叶小分子抗生素的发现和快速工业化的背景下。在过去的几十年里，多重耐药菌的广泛出现减少了抗生素的实际用途。此外，对肠道微生物群与人类健康之间密切关系的新认知，使人们对广谱抗生素的普遍适用性提出了质疑。最后，现代分子遗传学、结构生物学和高通量基因组学揭示了噬菌体的高数量和多样性，能靶向大多数致病菌。

在本文中，我们综述了噬菌体在维持人类健康和疾病发病机制中的作用，总结了噬菌体治疗方法的进展，包括直接使用噬菌体治疗肠道疾病，并讨论了通过靶向特定细菌物种来调控肠道微生物群。最后，我们讨论了噬菌体临床应用的挑战和未来潜在的研究方向。

2 噬菌体生物学：结构与功能

据估计，噬菌体数量超过1031个粒子，是地球上最丰富和最多样化的生物实体。作为细菌的天敌，噬菌体在细菌丰富的环境中无处不在，如土壤、海洋和人体。

通常，噬菌体由含有基因组核酸的蛋白质衣壳(很少有内膜)组成，这些核酸可以是线状双链DNA(dsDNA)、线状单链或双链RNA或单链环状DNA(sscDNA)。噬菌体通常根据其结构，基于透射电子显微镜和基因组序列进行分类。在人类肠道微生物群中，绝大多数DNA噬菌体属于有尾病毒目(Caudovirales)，是具有约15-750 kb基因组DNA(gDNAs)的dsDNA噬菌体。Caudovirales具有二十面体对称的蛋白质衣壳，并有三种由尾部结构定义的一般形态：siphophages(可弯曲尾部)、myophages(收缩性尾部)和podophages(短尾)。尾部和相关的尾部纤维构成了一个装置，它不仅定义了病毒粒子的靶向特异性，而且提供了近100%的感染效率。人类肠道微生物群中还含有大量很小(约5 kb gDNA)的sscDNA微小噬菌体科(Microviridae)噬菌体，这些噬菌体是缺乏尾部结构的等轴噬菌体，仅限于革兰氏阴性细菌，如肠杆菌(Enterobacteria)。

一般来说，噬菌体可分为毒性噬菌体和温和噬菌体。毒性噬菌体(如Escherichia coli T4噬菌体)只遵循一种溶解途径，该途径始于对细菌表面受体的特异性吸附，该受体可以是蛋白质、碳水化合物、脂质或其他外部特征，如菌毛、胞外多糖或鞭毛。受体吸附之后，将gDNA注入宿主细胞质，然后进行DNA复制和基因表达过程，组装子代病毒粒子，最后通过裂解宿主释放子代病毒(补充图1)。相比之下，温和噬菌体(如E. coli λ噬菌体)以同样的方式启动感染，但可以选择进行溶原作用，在这个过程中，病毒基因表达被噬菌体编码的抑制因子阻断，休眠的原噬菌体整合到宿主染色体中或形成线形或环形自我复制质粒(补充图1)。重要的是，由于溶原抑制因子的存在，由此产生的溶原细胞对同一噬菌体的进一步感染免疫。

这些原噬菌体可以永远被细菌宿主携带；它们还经常携带影响细菌宿主的基因，如致病因子和对其他噬菌体的防御。此外，无论是自发的低频率还是还是细胞应激导致的高频率，原噬菌体都可以诱导并进入裂解途径，导致细胞死亡和子代病毒粒子的释放。即使在未受干扰的浮游生物培养中，所有溶源菌株都自发地产生一定浓度的游离病毒粒子，其水平取决于抑制的稳定性，其差异可以超过六个数量级。

噬菌体的宿主范围主要由宿主表面的受体、噬菌体的受体识别蛋白及其相互作用决定。然而，有许多抗噬菌体系统在感染过程的几乎每一个层面都施加阻断，包括抑制DNA渗透到细胞、破坏噬菌体DNA，抑制噬菌体基因表达和感染细胞的利他性自杀。此外，噬菌体已经收集了对抗这些防御的分子和基因策略。总之，多种因素决定了宿主范围。噬菌体的宿主范围通常仅限于一种细菌；单个噬菌体在不同细菌属上的高效繁殖还没有令人信服的文献报道。然而，用于分离噬菌体的方法通常涉及对特定物种的富集，这可能会使噬菌体偏向于寻找“专家”病毒。E. coli P1噬菌体最初是作为噬菌体分离出来的，它能够将自己的DNA注入黄色黏球菌(Myxococcus xanthus)，其属于δ变形菌纲(Deltaproteobacteria)，而E. coli属于γ变形菌纲(Gammaproteobacteria)。

3 胃肠道中的噬菌体

人体含有多种微生物群落，包括细菌、病毒(包括噬菌体和真核病毒)、真菌等。据估计，人体中细菌细胞的数量与人体细胞的数量大致相同，其中大部分存在于肠道中。在肠道的不同微环境中，噬菌体本质上更难以量化，但大多数噬菌体与细胞的比率估计在0.1-10范围内。如上所述，与所有富含细菌的环境一样，人类肠道中的主要噬菌体是Caudovirales的dsDNA podophages、myophages和siphophages，其次是微小噬菌体科(Microviridae)的小型等轴病毒。

3.1 健康个体的肠道吞噬体

在新生儿的粪便样本中很难检测到噬菌体，但在几个月内可以检测到不同的种群。在生命的前2年，肠道吞噬体的丰富度降低，这与生命早期的细菌定植有关。虽然已经提出了核心肠道吞噬体，但其他研究人员认为每个个体都有独特的肠道吞噬体。肠道吞噬体由细菌细胞中的噬菌体和游离病毒粒子或病毒样颗粒组成。先前的研究发现，不同个体之间的肠道中存在相同的核心细菌成员(如拟杆菌属Bacteroides和瘤胃球菌属Ruminococcus)；因此，在多个个体中检测到的肠道噬菌体序列可能是这些核心细菌中的噬菌体，而不是游离病毒粒子。Caudovirales，尤其是那些生活方式温和、具有高度嵌合的基因组的Caudovirales，这意味着不同的噬菌体可以具有相同的基因序列簇，这使得准确地将特定的序列分配给特定的噬菌体成为一种挑战。

不同的样品制备方案导致各研究之间存在差异。 此外，可能影响数据获取和解释的其他因素包括：分析方法(宏基因组测序vs显微镜)，所使用的生物信息学工具和数据库，以及采样位置和测试材料。此外，有证据表明，一些噬菌体可以以“载体”状态存在，在载体状态下，它们处于休眠状态，但没有受到抑制或整合到宿主基因组中。综上所述，在人类肠道吞噬体的组成和动态方面观察到明显矛盾的结果也就不足为奇了。需要进一步的研究来制定从病毒DNA和RNA提取到生物信息分析的整个方法谱的标准化方案。

3.2 胃肠道疾病患者

肠道细菌失调常见于胃肠道患者和肝脏疾病患者，这些患者的肠道噬菌体与健康人群不同。通过对粪便样本中病毒样颗粒的DNA进行宏基因组测序，发现克罗恩病(n=27)或溃疡性结肠炎(n=42)患者中Caudovirales的相对丰度相较于Microviridae更高，而与健康个体(n=61)相比，Caudovirales科的组成不同(图1)。克罗恩病患者中有相对温和的噬菌体，而病毒组组成的变化反映在细菌的改变上。例如，炎症性肠病患者中厚壁菌门(Firmicutes)丰度下降，而靶向厚壁菌门的噬菌体水平增加。由于肠道微生物群随环境(包括饮食)的变化而变化，研究人员从同一家庭招募了健康的个体进行这些研究，而非使用来自不同家庭的匹配对照。有趣的是，55例肠易激综合征患者和51例对照个体粪便病毒样颗粒的宏基因组测序结果显示，肠易激综合征患者的粪便病毒组多样性低于对照组，但未观察到裂解型噬菌体向温和噬菌体的转变，这与炎症性肠病患者不同。

与健康个体结肠黏膜样本相比，克罗恩病患者结肠黏膜样本的病毒样颗粒丰度增加。溃疡性结肠炎患者直肠黏膜病毒的相对丰度高于健康个体，但Caudovirales噬菌体的多样性低于健康个体，这与粪便样本分析结果一致。通过对粪便样本进行宏基因组测序，还观察到CRC患者肠道病毒组的变化。在一项随机森林分析中，研究人员鉴定出了将CRC患者与健康个体区分开来的病毒组特征，以及与患者死亡率相关的4个分类标记。

有2项研究也对肝病患者的病毒组组成进行了研究。其中一项研究包括89名酒精性肝炎患者，36名酒精使用障碍患者和17名对照，而另一项研究包括73名非酒精性脂肪肝患者和22名对照。与无酒精使用障碍的对照组相比，在酒精性肝炎患者粪便样本中观察到病毒多样性增加。在这些患者中，埃希菌属(Escherichia)、肠杆菌(Enterobacteria)和肠球菌(Enterococcus)噬菌体的比例过高，而葡萄球菌属(Staphylococcus)噬菌体丰度的增加与疾病的严重程度高度相关。有趣的是，重症非酒精性脂肪肝患者肠道病毒多样性更低，与其他肠道病毒相比，噬菌体比例显著降低。在另一项研究中，纳入了40名对照和163名肝硬化患者。结果显示，各组间粪便病毒组的α多样性相似，而肝硬化患者中存在更多靶向乳杆菌目(Lactobacillales)和肠杆菌科(Enterobacteriaceae)的噬菌体。

总之，肠道噬菌体主要在炎症性肠病患者中进行研究，需要独立的队列研究来扩展和验证这些发现。肠道噬菌体与疾病之间尚未建立起致病关联，因此还需要进一步研究以确定肠道噬菌体改变是否导致疾病发生或发展，或者是疾病的结果。此外，迄今为止的发现主要局限于非常广泛的噬菌体种类，而不是特定的噬菌体类型或特定宿主的噬菌体。因此，我们在了解肠道“暗物质”及其对人类健康和疾病的影响方面仍处于初期阶段。

图1 健康人群和炎症性肠病患者的肠道吞噬体。炎症性肠病(IBD)患者中Caudovirales的相对丰度相较于Microviridae更高，与健康个体相比，Caudovirales科的组成不同。

4 噬菌体治疗：过去和现在

4.1 早期历史

1917年提出“细菌噬菌体”一词后，Félix d’ Herelle立即开始对志贺菌病(shigellosis)患者进行噬菌体治疗。晚期患者在接受口服剂量的志贺氏菌(Shigella)噬菌体治疗后表现出极大的恢复。其他研究者也报道了利用噬菌体疗法治疗痢疾的成功案例，包括来自美国和澳大利亚的研究人员。在20世纪20年代末，d’ Herelle及其同事报道称，口服霍乱弧菌(Vibrio cholerae)噬菌体可大大降低Assam霍乱流行期间的死亡率。噬菌体治疗组(n=74)患者的死亡率约为6%，而拒绝噬菌体治疗的对照组(n=124)患者的死亡率为63%。尽管结果并不总是积极乐观的，但同时也有多篇关于使用噬菌体治疗其他肠道疾病(如伤寒)的报道。然而，在抗生素发现之前，噬菌体治疗被广泛认为是防治细菌感染的可行策略。

然而，在20世纪30年代，临床综述，尤其是美国医学会委托进行的一项大型综合研究得出结论，认为噬菌体疗法缺乏经过证实的有效性，并特别引用了多个噬菌体治疗霍乱和其他肠道疾病失败的报告。在此之后，西方国家对将噬菌体作为抗菌药物开发的兴趣下降，尤其是在二战期间小分子抗生素工业化之后。回顾过去，在分子生物学时代之前，噬菌体在临床实践中的应用可能还为时过早。然而，噬菌体疗法现在仍然在一些东欧国家/地区使用；不幸的是，这些疗法在英文同行评议文献中没有得到很好的记录，我们将等待更可靠的临床前研究和更优设计的临床试验。

4.2 当前潜力

4.2.1 治疗细菌感染

在过去的二十年中，一些临床试验和案例研究调查了噬菌体治疗胃肠道疾病的情况(表1)。口服E. coli T4样噬菌体的安全性和有效性已经在健康个体和细菌性腹泻患者中进行了几个小规模的研究，包括成人和儿童。结果显示，无严重不良反应报告，但也未观察到疗效。在使用噬菌体治疗孟加拉国儿童细菌性腹泻的大型临床试验中也获得了类似的结果(n=120)。在这些研究中，在接受治疗的儿童中，针对靶向细菌宿主(E. coli)的粪便噬菌体增加，但其滴度并未显示大量肠道噬菌体复制；E. coli的绝对丰度较低，因此应用较高的噬菌体滴度可能会得到更好的结果。

2017年的一份病例报告报道了一例68岁的男性糖尿病患者感染多重耐药菌鲍氏不动杆菌(Acinetobacter baumannii)，并发展为坏死性胰腺炎并发假性囊肿。尽管经过多次抗生素治疗和经皮穿刺胰腺假性囊肿引流，但患者在4个月期间病情恶化。根据FDA的紧急用新药研究(EIND)许可，开始了噬菌体治疗(腔内和静脉)，患者在大约5个月后恢复健康。虽然这只是一个病例报道，但噬菌体治疗前明显下降的临床过程和噬菌体治疗后明显的转折点引起了广泛的关注，这为噬菌体疗法用于治疗细菌感染(尤其是多重耐药菌)带来了新的希望。在过去4年中，已有多例报告报道了在其他EIND病例中使用噬菌体治疗铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和脓肿分枝杆菌(Mycobacterium abscessus)。然而，还需要标准化的临床试验来进一步确定噬菌体治疗不同传染病的疗效。

在临床前模型中，噬菌体也被用于疾病预防。在霍乱弧菌(V. cholerae)攻毒24小时前给幼鼠口服三种噬菌体的混合物，可显著减少肠道细菌定植。此外，使用幼兔模型，在细菌攻毒前给药噬菌体可以保护动物免受类似霍乱的腹泻。由于霍乱流行具有季节性和疾病自限性，在暴发期间可使用噬菌体预防来控制疾病传播和保护高风险个体。还需要进行更多的研究来探索细菌攻毒后的潜在保护作用，从而减少细菌定植，预防疾病。

表1 噬菌体治疗胃肠道细菌感染的临床试验及病例报告。

4.2.2 调控肠道微生物群

调控肠道微生物群的策略包括粪便微生物群移植、使用益生元和益生菌、调整饮食和营养摄入。在过去的十年中，噬菌体也被用于肠道微生物群的精确编辑(表2)。2017年，PreforPro(Deerland Probiotics and Enzymes, Kennesaw, GA)获得了美国专利，这是一种靶向E. coli的噬菌体混合物。已经进行了两项安慰剂对照试验，以确定PreforPro通过改变肠道细菌组成来改善肠道健康的安全性和有效性。一项试验评估了单独使用噬菌体鸡尾酒的疗效，而另一项试验测试了PreforPro对益生菌Bifidobacterium animalis subsp. lactis BL04的添加效果。这两项试验都包括健康个体，他们报告有轻度到中度的胃肠不适，但没有诊断出胃肠紊乱。在这两个试验28天的研究中，发现胶囊化的PreforPro是安全和耐受的，但有效性的证据并不明确。E. coli和腹部症状之间的联系尚未得到充分证实；因此，还需要更多的研究来更好地评估其潜在的疗效。

表2 基于噬菌体的肠道微生物群调控策略在胃肠道疾病中的研究。

粘附侵袭性大肠杆菌(Adherent–invasive E. coli)在过去二十年中被认为是炎症性肠病的发病机制之一。针对这种E. coli菌株的噬菌体已被提议作为一种治疗选择。将黏附性侵袭性大肠杆菌定植的常规小鼠灌服含2%右旋糖酐硫酸钠(DSS)的饮用水，以诱导轻度结肠炎症状。1周后，小鼠灌胃噬菌体鸡尾酒(三种噬菌体混合物)，然后小鼠饮用含2% DSS的水，持续2周。噬菌体治疗的小鼠对DSS诱导的结肠炎有保护作用，E. coli定植减少。在来自克罗恩病患者的E. coli的回肠活检样本中检测到活跃的噬菌体复制，这为噬菌体在这种环境中的杀伤潜力提供了额外的证据。一项I/IIa期随机、双盲、安慰剂对照临床试验正在进行中，目的是评估口服靶向肠粘附侵袭性大肠杆菌噬菌体对缓解期克罗恩病患者的安全性和有效性(NCT03808103)(图2a)。

研究人员发现，与酒精使用障碍患者和非酒精使用障碍患者相比，酒精性肝炎患者粪便中粪肠球菌(Enterococcus faecalis)(一种丰度较低的人类肠道微生物群的共生成员)的水平显著增加。可产生细胞溶素(一种细菌外毒素)的E. faecalis菌株的存在与酒精性肝炎患者的不良预后和死亡率相关。口服细胞溶素阳性E. faecalis可加重常规小鼠乙醇诱导的肝脏疾病。为了将这些发现推广到人类，我们用细胞溶素阳性和细胞溶素阴性的酒精性肝炎患者的粪便样本定植无菌小鼠。用特异性靶向细胞溶素阳性E. faecalis的噬菌体灌胃小鼠，显示出乙醇诱导的肝脏疾病减少，而用靶向细胞溶素阴性E. faecalis的噬菌体治疗的小鼠没有显示出任何有益的影响。除了对乙醇诱导的肝脏疾病的潜在治疗意义外，该研究还可以被视为通过去除E. faecalis亚群对肠道微生物群进行精确编辑的第一个有文献记载的例子之一(图2b)。还需要更大规模的研究来验证这些结果，以及进行临床试验来测试酒精性肝炎患者的疗效。

McCoy和Mason在1951年首次报道了这一现象，之后的几项研究表明Streptococcus gallolyticus subsp. gallolyticus(Sgg)是败血症和感染性心内膜炎的病因，与CRC有关。CRC患者的粪便样本中具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)的丰度高于对照组样本；与来自CRC患者的匹配对照组织标本相比，具核梭杆菌在肿瘤中的比例也过高。临床前研究表明，肠道微生物群中的许多细菌种类，特别是F. nucleatum、脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)、E. coli和E. faecalis，也通过不同的机制与CRC的发生和进展相关。在体外和体内使用小鼠模型的研究表明，Sgg通过上调β-连环蛋白(β-catenin, 结肠肿瘤发生的中枢信号分子)而发挥CRC肿瘤促进作用。此外，在2个小鼠模型(偶氮甲烷/DSS结肠炎模型和偶氮甲烷处理的Il10-缺陷小鼠模型)中，通过口服钨酸钠抑制肠道E. coli的过度生长，降低了两个小鼠模型(偶氮甲烷/DSS结肠炎模型和偶氮甲烷处理的Il10-缺陷小鼠模型)中肠道炎症和结肠炎相关结肠肿瘤的发生率。虽然还需要更多的研究来证实肠道细菌和CRC之间的致病联系，但噬菌体介导的肠道微生物群的精确编辑可能是一个有前景的治疗选择(图2c)。

然而，需要注意的是，有必要对决定此类研究中噬菌体特异性的因素有一些了解，以达到精确度。E. coli T4噬菌体对不同的E. coli菌株使用不同的受体。一种类似的E. coli噬菌体，Ox2，可以将其受体从一种外膜蛋白(通常的受体是OmpA)改变为另一种(OmpC和/或OmpX)或脂多糖中不同的碳水化合物残基，这是由于尾部纤维的单突变。此外，一些噬菌体基因组编码尾部纤维基因阵列，这些基因可以通过高频重组过程进行切换。令人惊讶的是，一些Bordetella编码一种易错逆转录酶，这种逆转录酶会导致尾部纤维受体结合区域的超突变。因此，识别噬菌体的受体以精确定位宿主细菌是很重要的。

图2 噬菌体对肠道微生物群的调控。a噬菌体治疗克罗恩病。粘附侵袭性大肠杆菌刺激抗原呈递细胞(APCs)，驱动辅助性T细胞17(TH17)反应，引发慢性肠道炎症。靶向粘附侵袭性大肠杆菌的噬菌体被发现在结肠炎的临床前模型中是有益的。b噬菌体治疗酒精性肝炎。细胞溶素阳性E. faecalis从肠道转移到肝脏，通过分泌细胞溶素直接破坏肝细胞。在临床前模型中靶向细胞溶素阳性E. faecalis的噬菌体减少乙醇诱导的肝脏疾病。c噬菌体治疗结直肠癌。Streptococcus gallolyticus subsp. gallolyticus(Sgg)可上调β-连环蛋白，刺激细胞增殖，增加肠道炎症。噬菌体疗法可能是一种很有前景的治疗选择。

4.2.3 噬菌体治疗作为一种精确医学方法

噬菌体不仅可以精确编辑肠道微生物群，还可以将药物输送到特定的位置。作为细菌的天敌，噬菌体在宿主驻留的环境中繁殖。随着更强大的噬菌体工程工具的发展，药物可以附着在噬菌体表面，当噬菌体到达它们的目的地时释放。因此，高剂量的部位特异性给药是可行的，可以降低血液循环中的药物浓度，减少对非目标组织的毒性作用。

一些临床前研究已经测试了这种方法。在一项体外研究中，数以千计的抗生素氯霉素分子通过酯键附着在噬菌体表面，使其能够通过血清酯酶缓慢释放。这些噬菌体能靶向金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)，提供高浓度的氯霉素，足以抑制耐药的S. aureus细胞的生长。类似的想法也在小鼠模型体内得到了应用。F. nucleatum主要存在于CRC肿瘤中，并促进CRC小鼠对化疗的耐药性。F. nucleatum靶向Toll样受体4和特异性microRNAs来激活自噬通路，从而改变CRC化疗反应。在一项CRC小鼠模型研究中，Zheng等人用伊立替康包被F. nucleatum噬菌体，伊立替康是治疗CRC的一线药物。这些噬菌体靶向位于CRC肿瘤组织中的F. nucleatum。因此，噬菌体在CRC肿瘤中积累，并精确地将药物输送到目的地，对非肿瘤组织的不良影响最小。口服伊立替康包被的噬菌体也降低了F. nucleatum的丰度，从而使肿瘤细胞重新对化疗敏感。在另一项研究中，研究人员使用了类似的方法，在噬菌体表面组装了抗菌银纳米颗粒。这些噬菌体特异性靶向F. nucleatum，并在CRC肿瘤细胞中积累。与只接受化疗的小鼠相比，同时接受噬菌体治疗和化疗的小鼠肿瘤生长更少，生存时间更长。因此，噬菌体介导的药物传递具有广泛的临床应用前景。

肠道微生物代谢物在人类健康中发挥着重要作用，同时也有助于疾病的发生。在小鼠CRC模型中，肠道细菌产生的短链脂肪酸(如丁酸)抑制肿瘤生长并刺激抗肿瘤免疫反应。 Zheng等人的研究表明，噬菌体可以与葡聚糖纳米颗粒共价连接，促进丁酸梭菌(Clostridium butyricum)的增殖，从而增加小鼠粪便中短链脂肪酸的水平，抑制肿瘤生长。这些噬菌体靶向致病菌F. nucleatum，不影响C. butyricum。多功能噬菌体颗粒可口服给药，不仅可将药物输送到特定部位，还可通过调节肠道微生物群(即减少致病菌数量，促进有益菌生长)来提高治疗效果。这种新颖便捷的给药途径(即口服化学包被噬菌体)值得重视。需要对不同的疾病模型进行研究，以评估长期影响。

5 挑战与未来方向

在噬菌体被发现的一个世纪后，噬菌体成为治疗细菌感染的新课题，特别是胃肠道疾病。在这些疾病中，不需要将噬菌体系统地引入血液。这些细菌捕食者有广泛的应用，但也有许多挑战需要克服。

大多数研究发现噬菌体疗法是安全的，因为噬菌体只在细菌中繁殖。然而，一项使用小鼠模型的研究表明，假单胞菌属(Pseudomonas)噬菌体可以直接与人体白细胞相互作用，产生噬菌体RNA并刺激干扰素的产生。这一观察结果表明，丝状噬菌体可能与人体免疫系统相互作用，对人体健康产生直接影响。一些临床前研究也评估了噬菌体诱导的免疫反应。一些研究发现，口服噬菌体能够刺激炎症细胞因子的产生并诱发炎症，主要是在肠道炎症和生物失调的小鼠模型中。另一方面，噬菌体在体外对炎症反应没有影响，或者通过测量炎症细胞因子水平对哺乳动物细胞产生了抗炎反应。鉴于细菌和噬菌体长期存在于哺乳动物的肠道中，发现噬菌体能够与人类免疫系统和其他不同类型的细胞相互作用也就不足为奇了。

宿主范围狭窄是噬菌体治疗的另一个明显缺陷。因此，噬菌体的高度特异性使其能够精确靶向细菌，这也是一个潜在的问题，因为狭窄的宿主范围可能会限制治疗效用。 一种选择是制备噬菌体混合物，该混合物由多个噬菌体组成，每个噬菌体靶向不同的受体。然而，这增加了治疗的复杂性和安全风险，因为根据现行准则，每个噬菌体个体以及每个不同噬菌体组合的安全性需要进行测试。因此，在开发治疗性噬菌体鸡尾酒时，必须考虑许多因素，如宿主范围、受体和感染效率。另一种可能的策略是“噬菌体训练”或噬菌体适应。这一过程选择具有更广泛宿主范围或通过实验室进行的实验程序克服细菌耐药性的进化噬菌体。通过使用不同的细菌分离物或耐药突变体进行多轮选择，可以获得靶向多个宿主的噬菌体。这种方法还可以避免重组DNA方法和转基因生物(GMO)分类的复杂性，具有“天然的”附加吸引力。另一方面，快速发展的合成生物学使得工程噬菌体具有吸引力，尽管它受到GMO调控。通过鉴定负责宿主识别的噬菌体蛋白，可以进行基因修饰来扩大宿主范围或降低噬菌体产生抗性的可能性。为了实现这一目标，高端的基因组编辑工具和更多关于宿主鉴定的知识将是必不可少的。

噬菌体治疗的研究尚处于起步阶段，还有许多科学问题有待解决。此外，为了获得更好的结果，在给药前应考虑和仔细评估许多因素。其中最重要的是筛选所有个体，看它们的肠道中是否存在靶向细菌宿主。还应在体外对细菌宿主进行测试，以确定其对所选噬菌体的敏感性。另一个关键点是确定给药噬菌体的剂量。多项研究表明，相对高剂量的噬菌体(例如，109 PFU，口服和静脉注射)具有安全性。高浓度的噬菌体可能是必要的，尤其是口服，因为胃酸可以减少噬菌体的数量。同时使用酸中和试剂和噬菌体包装可能在这方面有所帮助。此外，噬菌体的药代动力学和药效学特性也需要进行评估。多项研究发现，小鼠和人体内的噬菌体在数小时内就能从循环系统中清除，这可能会对需维持足够数量的噬菌体用于治疗产生问题。然而，一些研究人员发现，口服噬菌体几天后仍然可以在肠道中检测到噬菌体。噬菌体衣壳蛋白的修饰可能会改善其半衰期，因为这种改变可能有助于噬菌体更好地逃避吞噬。

尽管仍存在许多问题和挑战(Box1)，但噬菌体疗法在临床实践中具有巨大的应用潜力(图3)。精心设计的安慰剂对照临床试验显示出了安全性和有效性，这将有助于该领域的发展，并吸引更多的科学家和医生。然而，这一领域的发展不仅取决于研究人员(科学家、医生甚至患者)，还取决于监管环境。在美国和欧盟，噬菌体被视为医药产品，并且在其生产和销售许可方面受到非常严格的限制，例如遵守良好生产规范(GMP)。作为一种定制疗法，治疗性噬菌体需要特别选择和生产，这使得它们不可能成为固定的预定义药物产品。生产DMP认证的药品总体上是昂贵和耗时的，这使得启动噬菌体治疗的临床试验更加困难。最近，比利时政府将治疗性噬菌体归类为“随意制剂”，为噬菌体治疗提供了更多的灵活性。在欧洲法律中，随意制剂(在美国是复合处方药品)被定义为在药房根据患者的医疗处方配制的任何药品。尽管由于更严格的条例和更多的关注，这可能不太可能得到FDA的批准，因此噬菌体治疗将需要一些与其他标准药物不同的特定规则和法规。鉴于噬菌体在人体和环境中无处不在，而且它们根本不具备攻击人体组织的能力，FDA可能会考虑使用噬菌体作为GRAS(通常被认为是安全的)材料。这可能为进行一些噬菌体鸡尾酒的定点临床试验奠定了基础；假设在安全性和有效性方面取得了积极的成果，监管机构可能会提前批准以相同方式制备和配制的其他噬菌体组合，就像每个季节批准新流感疫苗的方式一样。总之，很显然，需要更多政府资助的、噬菌体治疗的临床试验，以更好地探索噬菌体在广泛胃肠道疾病中的治疗潜力。

Box 1 进一步研究噬菌体治疗的重要问题

尽管噬菌体在一个世纪前就已发现，但噬菌体治疗仍然是一个相对较新的研究领域，有许多挑战和问题，也有许多开放的问题和机遇。

①噬菌体治疗在临床实践中安全吗?规章制度是什么？

②噬菌体治疗会取代抗生素治疗吗?如果不是，什么时候该选择?或者两者应该同时使用？

③如何确定每种噬菌体治疗的最佳给药途径和剂量？

④单一噬菌体和噬菌体混合物哪个更好?在临床实践中应如何决定使用哪一种？

⑤生物膜是抗生素治疗的一大挑战。能找到在生物膜中高效繁殖的噬菌体吗？

⑥噬菌体可以用来防治细胞内细菌感染吗？

⑦可以发现更多的噬菌体。是否有可能快速而容易地确定新的分离物是否有帮助，增加治疗的力度?生物信息工具有帮助吗？

⑧噬菌体治疗对肠道微生物群和人类健康的长期影响？

图3 噬菌体的潜在应用。除了靶向细菌宿主外，噬菌体还可以与人体相互作用，从而对人类健康和疾病产生多种影响。

结论

噬菌体被用来防治细菌感染已经有一个多世纪了。肠道微生物群与人类疾病间关联的发现，重新引起了人们对这一研究领域的关注。噬菌体不仅是防治病原菌感染的有力武器，而且还能精确编辑肠道微生物群，对许多不同的胃肠道疾病都有良好的疗效。已经提出了多种治疗的可能性，但还需要更多的基础和临床前研究，以及合理设计的随机、双盲、安慰剂对照试验，以帮助该领域向前发展。该研究领域仍处于早期阶段，仍有许多重大问题和挑战有待解决，如潜在的噬菌体与人体相互作用的有利或有害影响，噬菌体作为重要生物实体的进化性质，以及噬菌体调控肠道微生物群对人类健康的长期影响。总之，噬菌体疗法有望成为治疗许多胃肠道和肠道外疾病的有效方法，值得更多的关注和进一步的探索。

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https://www.nature.com/articles/s41575-021-00536-z