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/前言/
01
噬菌体抗性
机制
研究发现，细菌进化出一系列策略来抵抗噬菌体感染。在噬菌体的生命周期中，每一个步骤都可以被细菌靶向。例如，细菌可以通过突变噬菌体识别的受体来阻碍噬菌体的吸附；为了干扰噬菌体的复制，细菌可以利用限制-修饰系统和CRISPR-Cas系统来切割噬菌体的基因组（图1）。此外，近年来还发现了多种新型的抗噬菌体系统，通过激活流产感染、抑制噬菌体DNA或者RNA合成、以及其它尚未明确的机制来发挥作用。这些机制都是以浮游细菌为研究对象，并主要在细胞水平上发挥功能。
图1 浮游细菌对噬菌体的抵抗机制[1]
图2 生物被膜对噬菌体的抵抗机制[2]
02
细菌裂解物可导致生物被膜
对噬菌体产生抗性
我们发现，细菌裂解物中噬菌体编码的游离尾纤维蛋白导致肺炎克雷伯菌生物被膜对噬菌体产生耐药性[4]。当细菌被噬菌体裂解后，除了释放出组装好的子代噬菌体外，还会释放出多余的游离态噬菌体尾纤维蛋白。这些尾纤维蛋白通常具有多糖解聚酶的活性。这是因为许多致病性细菌表面有密集的荚膜层，这些由重复寡糖单元组成的线性或具有支链结构的荚膜层通常会覆盖细菌外膜，掩盖潜在的噬菌体结合受体，从而阻止噬菌体的吸附。为了突破这一障碍，许多噬菌体使用尾纤维结合荚膜，即把荚膜作为初级受体，之后通过将荚膜降解接触到细菌细胞膜上的次级受体，进而注入遗传物质以启动感染[5]。
03
噬菌体清除生物被膜
的潜在策略
上述机制暴露出生物被膜的一些弱点，即虽然其通过丢失荚膜获得了对噬菌体的抗性，但荚膜作为生物被膜中主要的胞外基质成分，其缺失可能对生物被膜造成重要的影响，这为开发新型噬菌体疗法提供了潜在的启示。
在生物被膜中，由于细菌的密集堆积以及胞外基质的存在，很多生物大分子（例如蛋白质）向生物被膜内的渗透是很有限的。而荚膜的降解则可以促进这些大分子的扩散。这就为噬菌体与大分子药物的联用创造了可能。例如，将噬菌体与纤维素酶结合使用，可以有效分解生物被膜[4]。此外，还可以利用工程化的噬菌体向生物被膜中递送一些杀菌大分子，例如内溶素。对于革兰氏阴性细菌（如肺炎克雷伯氏杆菌）来说，外源性内溶素通常难以突破其外膜的保护，因而难以杀死细菌。因此，一个潜在策略是使用工程化噬菌体生产能够穿透细胞外膜的改良内溶素。当用这种类型的工程化噬菌体感染生物被膜时，被裂解细菌将同时释放游离尾纤维和改良内溶素，前者将促进后者进入生物被膜，从而可以导致整个生物被膜的裂解。
噬菌体-抗生素组合是临床常见的治疗手段，但组合的效果通常受多种因素影响。例如，噬菌体尾纤维对细菌荚膜的降解可能会影响抗生素的效果。因此，在将噬菌体与抗生素联用时，细菌裂解物的影响可能不容忽视。此外，噬菌体和抗生素的使用顺序可能也很重要。我们需要更系统的研究噬菌体-抗生素联合使用如何更有效得清除生物被膜。
最后，噬菌体鸡尾酒是一种常用策略，荚膜降解这一现象为鸡尾酒设计提供了一种反直觉的新策略。具体而言，荚膜降解能够暴露出通常被荚膜掩盖的潜在受体。因此，当细菌对以荚膜为受体的噬菌体变得不敏感时，它们却对受体不是荚膜的噬菌体变得敏感。由于后者无法感染有荚膜的细菌，因此它们通常在筛选噬菌体时被排除。而我们的发现表明，将这两种类型的噬菌体联合使用或许可以更有效的清除生物被膜。
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参考文献
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专家简介
刘锦涛
刘锦涛，清华大学基础医学院副教授、博士生导师。国家青年海外高层次人才、求是科技基金会杰出青年学者。中国科学技术大学物理学学士，美国匹兹堡大学物理学博士。美国加州大学圣地亚哥分校生物科学部博士后。长期从事细菌群体研究，首次发现了细菌间的相互合作与竞争导致生物被膜周期性减缓生长的新现象及其机制（Nature 2015, Science 2017）；开发了定量研究细菌群体的新方法（Small Science 2022, Nature Chemical Biology 2023）；揭示了细菌群体跨区域代谢交互的新模式（Nature Chemical Biology 2023）；发现了细菌对抗生素以及噬菌体耐受性的新机制（Nature Chemical Biology 2024, Nature Communications 2024, Science Advances 2024）。
撰文：胡倩瑜，刘锦涛
编辑：刘建方
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