工程病毒可以抵抗耐药性

在对抗抗生素耐药性的斗争中,许多科学家一直在尝试使用一种被称为噬菌体的自然产生的病毒,这种病毒可以感染并杀死细菌。

噬菌体通过不同于抗生素的机制杀死细菌,而且它们可以针对特定的菌株,这使它们成为克服多药耐药性的一个有吸引力的选择。然而,快速发现和优化定义明确的噬菌体来对抗细菌目标是具有挑战性的。

在一项新的研究中,麻省理工学院的生物工程师们表示,他们可以通过使一种与宿主细胞结合的病毒蛋白发生突变,从而迅速对噬菌体进行编程,杀死不同的大肠杆菌菌株。研究人员发现,这些经过改造的噬菌体也不太可能引起细菌的耐药性。

麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程副教授Timothy Lu说:“正如我们现在越来越多地在新闻中看到的,细菌耐药性正在不断演变,对公众健康的问题也越来越多。”“与抗生素相比,噬菌体是一种非常不同的杀死细菌的方式,抗生素是抗生素的补充,而不是试图取代它们。”

研究人员创造了几种工程噬菌体,可以杀死实验室中培养的大肠杆菌。其中一种新创造的噬菌体还可以消灭两种大肠杆菌菌株,这两种菌株对小鼠皮肤感染中自然产生的噬菌体有抗药性。

卢是这项研究的资深作者,该研究发表在10月3日的《细胞》杂志上。麻省理工学院博士后Kevin Yehl和前博士后Sebastien Lemire是这篇论文的主要作者。

改造的病毒

美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration,简称fda)已经批准了少数几种噬菌体用于杀灭食品中的有害细菌,但它们尚未被广泛用于治疗感染,因为找到针对特定细菌的天然噬菌体可能是一个困难而耗时的过程。

为了使这种治疗方法更容易开发,Lu的实验室一直在研究工程病毒“支架”,它可以很容易地用于针对不同的菌株或不同的抗性机制。

“我们认为噬菌体是一个很好的工具包,可以杀死和降低复杂生态系统内的细菌水平,但要有针对性,”卢说。

2015年,研究人员使用了一种来自T7家族的噬菌体,这种噬菌体可以自然杀死大肠杆菌。研究表明,他们可以通过交换尾巴纤维(噬菌体用来附着在宿主细胞表面受体的蛋白质)编码的不同基因,使之针对其他细菌。

虽然这种方法确实有效,但研究人员想要找到一种方法来加快噬菌体对特定类型细菌的裁剪过程。在他们的新研究中,他们提出了一个策略,允许他们快速创造和测试更多的尾部纤维变异。

从先前对尾部纤维结构的研究中,研究人员知道,这种蛋白质由称为beta片的片段组成,这些片段通过环状结构连接在一起。他们决定只系统地突变形成环状结构的氨基酸,同时保留beta结构。

耶尔说:“我们确定了一些我们认为对蛋白质结构影响最小的区域,但这些区域能够改变蛋白质与细菌的结合作用。”

他们创造了约有1000万种不同尾巴纤维的噬菌体,并对它们进行了几次大肠杆菌菌株的测试,这些菌株已经进化到能够抵抗非工程噬菌体。大肠杆菌对噬菌体产生耐药性的一种方法是使“LPS”受体发生突变,使其缩短或缺失,但麻省理工学院的研究小组发现,他们设计的一些噬菌体甚至可以杀死具有突变或缺失LPS受体的大肠杆菌菌株。

魏茨曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的分子遗传学教授罗特姆·索雷克(Rotem Sorek)说,这有助于克服使用噬菌体作为抗菌素的一个限制因素,即细菌可以通过突变受体产生耐药性,噬菌体利用这些受体进入细菌体内。

通过对噬菌体-细菌识别生物学的深入了解,加上聪明的生物工程方法,卢和他的团队成功地设计了一个庞大的噬菌体变体库,每个变体都有可能识别出稍微不同的受体。他们表明,用这个文库而不是单一噬菌体来处理细菌,限制了耐药性的出现,”Sorek说,他没有参与这项研究。

其他目标

Lu和Yehl现在计划将这种方法应用于针对大肠杆菌使用的其他抗性机制,他们还希望开发能够杀死其他类型有害细菌的噬菌体。耶尔说:“这仅仅是个开始,因为还有许多其他的病毒支架和细菌可以作为攻击目标。”研究人员还对利用噬菌体作为一种工具来对付生活在人类肠道内并导致健康问题的特定菌株很感兴趣。

“能够有选择地打击那些非有益的菌株,在人类临床结果方面会给我们带来很多好处,”卢说。

这项研究由国防威胁减少局、美国国立卫生研究院、美国陆军研究实验室/陆军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所以及国家癌症研究所的科赫研究所支持(core)资助。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/engineered-phage-viruses-drug-resistance-1003

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