抗菌治療中噬菌體與抗菌藥物聯合使用的研究進展及前景

周鐵麗 徐雯雅

近年來，隨著抗菌藥物的廣泛使用甚至濫用，細菌的耐藥性不斷增強，呈現出高度耐藥、多重耐藥的趨勢[1-3]。隨著多重耐藥菌的不斷出現及流行播散，嚴重細菌感染性疾病的防控變得愈加困難。噬菌體具有特異性強、不良反應小、增殖快且種類豐富等優點，近年來作為天然抗菌劑受到人們廣泛關注。盡管噬菌體具有治療多重耐藥菌感染的潛力，但治療仍存在一些“障礙”。例如，噬菌體的高特異性導致其裂解譜窄；噬菌體與細菌相互作用時，細菌可通過改變受體、超感染免疫、R-M限制修飾系統、CRISPR系統以及流產感染系統（Abi）對抗噬菌體的侵襲[4-6]；某些噬菌體可能攜帶毒力基因或耐藥基因，使得細菌從無毒性變為有毒性或無抗性變為有抗性等。目前研究表明，無論在治療成果方面還是在遏制細菌耐受性演變方面，噬菌體與抗菌藥物聯合使用的效果均優于兩者單獨使用的效果。這種聯合治療策略可能是對抗現在細菌耐藥時代的一種合乎邏輯的方法[4]。本文對噬菌體-抗菌藥物協同作用的機制、臨床應用現狀及展望作一述評，為噬菌體-抗菌藥物的進一步研發和應用提供參考。

1 噬菌體的生物學特性及殺菌機制

1.1 噬菌體的生物學特性 噬菌體是一種能特異性侵襲細菌、真菌、螺旋體和支原體等的病毒，只含有一種核酸，DNA或RNA，廣泛存在于水源、土壤等各種環境甚至人和動物體內，與人類健康息息相關[5]。其種類繁多，在自然界中的數量可以達到1031，為細菌數量的10倍[6]。作為病毒的一種，噬菌體具有病毒的一些特性：個體微小，不具有完整細胞結構，只含有單一核酸，可視為一種“捕食”細菌的生物。噬菌體對理化因素的抵抗力比一般細菌的繁殖體強，一般經75℃30 min以上才失去活性，對紫外線敏感[7]。

1.2 噬菌體的殺菌機制 大多數用于治療的噬菌體其DNA位于棱柱狀頭部，由蛋白質衣殼、刺和附著在細菌上的尾纖維包裹組成，還有一個中空管（尾鞘），DNA通過這個中空管流入宿主體內（圖1）。不同噬菌體的結構可能有所不同。這些無生命的有機體依靠它們的細菌宿主生存，病毒復制的兩個主要生命周期包括裂解（或毒性）和溶源（或溫和）周期。毒性噬菌體的工作原理是裂解細菌細胞，而溫和噬菌體則在細胞內休眠，不會立即殺死細胞[8]。毒性噬菌體的感染是通過將噬菌體的尾部纖維吸附到細菌細胞表面的特定受體上，開始感染毒力強的噬菌體。研究表明細菌表面存在許多受體，臨床相關噬菌體針對的常見受體包括蛋白質、碳水化合物和其他主要位于細菌細胞壁組件上的細胞表面結構（如孔蛋白、外排泵、脂多糖和肽聚糖）[9]。噬菌體通過酶促過程推動一條管從其鞘中出來，在細菌表面形成一個洞，從而將遺傳物質從其衣殼頭部、鞘注入細菌細胞質。在理想的條件下，遺傳物質能夠接管宿主細菌的運作，進行復制，從而在細胞內建立新的噬菌體。這些病毒繼續復制，直到細菌細胞被裂解殺死，然后噬菌體后代逃離細胞，重新啟動其他細菌的感染循環[10]。

圖1 肌病毒科噬菌體的結構

2 噬菌體-抗菌藥物聯合使用

噬菌體與抗菌藥物兩者作用機制差異較大，聯合使用不僅可以產生更好的抑菌效果，而且可以有效抑制各自抗性菌的產生，達到較好的殺菌抑菌效果，為臨床治療多重耐藥的超級細菌，提供了一種可行的治療思路，具有極大的開發潛力。現已有部分關于噬菌體聯合抗菌藥物在體內或體外聯合使用對抗病原菌的研究（表1），筆者將聯合使用在不同細菌中的效果進行總結。

表1 噬菌體-抗菌藥物聯合使用對抗病原菌的成功案例

2.1 銅綠假單胞菌 迄今為止，大多數噬菌體-抗菌藥物研究都集中在銅綠假單胞菌上，顯然是因為它作為機會性病原體具有重要的臨床影響，通常可導致囊性纖維化、燒傷感染、醫院獲得性肺炎、尿路感染等[18-19]。TkHilaishvili等[20]在2019年報道了1例多重耐藥銅綠假單胞菌假體關節感染和骨髓炎的患者，通過結合使用假體摘除、抗菌藥物間隔治療、全身抗菌藥物的使用以及留置引流管將噬菌體輸送到關節間隙成功治療感染，結果表明噬菌體-粘菌素的組合在體外對抑制銅綠假單胞菌生物膜形成具有協同作用。Torres-Barceló等[21]將噬菌體聯合不同種類、不同濃度的抗菌藥物對銅綠假單胞菌進行了體外敏感性實驗，結果顯示慶大霉素及甲氧芐啶與特異性噬菌體聯合治療具有顯著的協同效應。Oechslin等[22]應用心內膜炎小鼠模型評估噬菌體聯合環丙沙星對銅綠假單胞菌的殺菌作用，同樣發現了明顯的協同效應。Chan等[23]在應用特異性噬菌體OMKO1聯合抗菌藥物治療1例多重耐藥銅綠假單胞菌引起主動脈植入物感染患者的過程中發現，對噬菌體敏感的銅綠假單胞菌菌株對頭孢他啶與環丙沙星耐藥性高，而產生噬菌體抗性的菌株對頭孢他啶與環丙沙星恢復敏感，MIC值明顯降低。

2.2 大腸埃希菌 大腸埃希菌是一種在一定條件下可以引起人和多種動物發生胃腸道、尿道、血液等多種感染的條件致病菌[24]。Huff等[25]用恩諾沙星（一種用于治療家畜的氟喹諾酮類抗菌藥物）與SPR02和DAF6噬菌體的混合物同時處理肉雞，拯救了所有實驗感染禽致病性大腸埃希菌的肉雞。這一結果與單獨使用噬菌體或恩諾沙星有明顯差異，后者的病死率分別為15%和3%。

2.3 肺炎克雷伯菌 肺炎克雷伯菌是腸桿菌科克雷伯菌屬中非常重要的菌種之一，廣泛分布于自然界的水和土壤中，是人類鼻咽部和腸道常居菌，也是常見的條件致病菌，可引起人類肺炎、腦膜炎、泌尿系統感染、膿毒癥等各種感染性疾病，也是醫院感染的重要病原菌之一[26-27]。研究表明，與單獨用藥作用12 h的肺炎克雷伯菌成熟生物膜相比，噬菌體KPO1K2和環丙沙星的聯合使用抗生物膜作用無明顯差異，但聯合使用也沒有產生負面干擾，當改用阿莫西林作為噬菌體的抗菌藥物補充劑時，抗生物膜效果顯著增強，表明β-內酰胺類是該噬菌體類型的首選聯合藥物[12]。

2.4 金黃色葡萄球菌 金黃色葡萄球菌是一種重要的院內感染病原菌，可導致血流感染、肺炎、心內膜炎等危及生命安全的重癥感染[28]。Aslam等[29]報道了1例金黃色葡萄球菌引起的植入性左心室輔助裝置感染并發胸骨骨髓炎患者，在經過反復清創及長期抗菌藥物治療效果欠佳后，改為頭孢唑林、四環素聯合3種特異性噬菌體的靜脈治療，感染完全治愈且未復發。

3 噬菌體-抗菌藥物協同作用的可能機制

3.1 噬菌體-抗菌藥物的協同作用 噬菌體-抗菌藥物聯合使用的關鍵是兩者產生協同作用。噬菌體-抗菌藥物協同作用的定義是某些亞抑菌濃度的抗菌藥物可顯著刺激宿主細菌內烈性噬菌體的產生，兩者聯用可發揮更好的抗菌活性現象[30-31]。Comeau等[4]研究發現在亞抑制濃度的β-內酰胺和氟喹諾酮類藥物存在的情況下，較低的藥物暴露并沒有完全阻止大腸埃希菌細胞分裂，而是迫使細胞分裂不良，細胞壁變弱。這種改變的狀態導致了細胞絲化（細胞延長但沒有分裂），這被認為是通過一個簡單的概念發揮作用的：與細胞絲化相關扭曲的生理狀態可以導致噬菌體生物合成能力的增加（即可用于促進噬菌體組裝和成熟的前體增加），這一概念與β-內酰胺類改變細胞壁的事實相結合，可能進一步導致噬菌體裂解能力的增強效應。

3.2 噬菌體-抗菌藥物對生物膜的清除作用 生物膜是指微生物為適應周圍環境，黏附于有生命或無生命的介質表面，并被其自身分泌的胞外基質包裹而形成的一種緊密、穩定、高度異質的聚合三維網狀結構[32]。細菌分泌的大量胞外聚合物使生物膜形成相對堅固嚴實的結構。研究表明，幾乎所有的細菌都可以形成生物膜[33]。噬菌體可產酶（如解聚酶、內溶酶），促進生物膜細胞外基質的分解，這種作用亦可使生物膜中細菌更多地暴露在抗菌藥物的作用下，達到更好的殺菌效果[34]。此外，當噬菌體產生的酶消滅了生物膜外部的細菌時，由于增加了氧氣和營養物質的暴露，生物膜內部細菌的新陳代謝會變得更加活躍，因此可能對噬菌體和抗菌藥物的作用更加敏感[35-36]。

3.3 噬菌體-抗菌藥物的“蹺蹺板效應” 噬菌體對細菌菌株施加選擇壓力導致噬菌體抗性菌株的產生，噬菌體抗性菌株可能會發生適合度代價改變或重新獲得對抗菌藥物的敏感性，即“進化權衡”-“蹺蹺板效應”[37]。“進化權衡”在生物學中常見，即細菌在一個性狀上表現出適應能力提高的變化，而同時在另一個性狀上表現出性能下降。Ho等[38]研究中也發現了這種“進化權衡”的現象，epaR基因的一個突變導致噬菌體對糞腸球菌的吸附減少；然而，這種基因改變導致了細菌對達托霉素的敏感性增加。有趣的是，這種“蹺蹺板效應”也在金黃色葡萄球菌對β-內酰胺和糖肽/脂肽藥物之間的敏感性中發現[17]。

4 噬菌體-抗菌藥物聯合使用潛在的缺陷

盡管噬菌體-抗菌藥物聯合使用在抗菌療效、降解生物被膜及防止耐受菌產生方面具有很大的潛力[39-40]，但其仍存在一些缺陷。首先，兩者聯合使用時細菌受到兩種不同的選擇壓力，產生抗菌藥物及噬菌體雙耐受株的問題應當重視；其次，噬菌體優先靶向于抗菌藥物敏感菌株，這樣可通過“競爭性釋放”（在缺乏競爭者而導致競爭減弱時，物種會擴展其實際生態位）促進抗菌藥物耐受菌亞群的產生。根據這種假說，先由抗菌藥物處理過的細菌擁有敏感的亞群，這些敏感的亞群優先成為噬菌體的靶向目標，從而間接促進抗菌藥物耐受菌株的產生；最后，噬菌體和抗菌藥物可能通過群體感應或“競爭性釋放”獨立調節細菌的毒力，給治療帶來更糟糕的結果[41]。雖然目前還沒有大量實驗證實這些現象是聯合使用的重要障礙，但在臨床運用時必須根據實際情況，“因地制宜、因時制宜、因人而異”，選擇合適的聯合使用方案，使治療效果達到最佳。

5 展望

目前，細菌對抗菌藥物產生的廣泛耐藥性及新型抗菌藥物研發滯緩迫使研究人員尋求新的策略來對抗耐藥菌株的出現。對噬菌體的研究結果表明，它們可以成為消除對人類和動物構成威脅病原體的另一種方法。目前，關于介導噬菌體與抗菌藥物之間協同作用的確切機制仍然不清晰。因此，到目前為止，仍然很難預測特定病原體的最佳噬菌體-抗菌藥物作用組合。然而，目前獲得的良好實驗結果仍鼓勵繼續進行噬菌體-抗菌藥物協同作用的研究，這很可能阻止現在面臨的耐藥時代，并在未來作為一種強有力對抗多重耐藥細菌的手段。雖然噬菌體的臨床廣泛應用尚需時日，但在科技飛速發展的今天，相信很快就會找到解決問題的鑰匙，開啟噬菌體臨床應用的大門。

（本文由浙江省醫學會推薦）