Cell|基因组监测可作为开发精准噬菌体疗法的有效工具

引言

如果不采取积极措施，抗生素耐药性的不可控将会上升并预计于2050年成为人类死亡的主要原因，而噬菌体疗法正有望取代传统抗生素以解决这一难题。然而，不同耐药菌株都具有不同的细胞表面结构和防御机制，而噬菌体的宿主范围狭窄，这些因素限制了这一疗法的施展。目前，已由此衍生出两种应对措施，一种是组合多种噬菌体以扩大细菌覆盖范围，虽然正在进行一些此类尝试，但市场上尚未有注册的药用噬菌体产品【1】；第二种策略是个性化治疗，即筛选患者的细菌样本以从噬菌体库中识别有效噬菌体，但其缺点也很明显，比如耗时的噬菌体生产过程等【2】。基因组监测是一种大规模追踪病原体并了解其传播模式的有效工具，该工具或许能为噬菌体个性化疗法提供一定程度的帮助。

近日，来自匈牙利HUN-REN生物研究中心的Bálint Kintses团队在Cell杂志上发表了一篇题为Genomic surveillance as a scalable framework for precision phage therapy against antibiotic-resistant pathogens的文章，他们通过对全球>15000个鲍曼不动杆菌基因组序列进行系统分析，确定了31种常见的造成全球大多数感染的碳青霉烯类耐药鲍曼不动杆菌（carbapenem-resistant A. baumannii，CRAB）类型，这些菌株表现出区域同质性，强调了使用区域特异性噬菌体组合对于CRAB靶向的潜在有效性，此外，他们还使用动物模型证实噬菌体“鸡尾酒”疗法在体内的功效。因此，基因组监测可以识别跨地理范围但受益于相同噬菌体的患者，为精准噬菌体疗法的扩展提供了有用信息。

CRAB感染者死亡率高达25%-60%，2019年死亡人数超100000人，世界卫生组织已将其确定为迫切需要创新疗法的优先病原体。因此，该团队通过对NCBI数据库中所有公开可用的鲍曼不动杆菌基因组进行检索并对2011-2022年间从不同国家地区收集的419个鲍曼不动杆菌临床分离株进行测序，共确定了31种流行的MLST-CPS（多位点序列分型和细胞表面荚膜多糖分型）类型，虽然存在地区差异，但地理上接近且相互联系的国家往往具有更相似的CRAB组成，且一个国家内已建立的CRAB谱系可能是至少6年来大多数感染的原因。该团队试图了解细菌基因组监测在识别针对导致特定区域内大多数感染的CRAB类型的有效噬菌体组合方面的潜力，他们重点关注了欧洲5个国家2016-2022年间占该地区样本90.7%的11种流行MLST-CPS类型，并从这些地区的公共污水中分离出15种噬菌体，这些噬菌体有效地靶向了其中9种MLST-CPS类型中95%以上的分离株。其中，Silvergun（S）遗传组成独特，可能代表一个新的噬菌体家族，它能针对属于ST2-KL3和ST2-KL2类型的两种最流行的全球传播菌株（占2016年以来分离的6461个鲍曼不动杆菌CRAB基因组的46%），此外，S联合Highwayman（H）能共同针对56个ST2-KL3临床分离株的代表性组中的98%，但无论单独还是组合使用，10-12小时，共孵育的分离株对其敏感性减弱，若此时给予其他噬菌体（Fanak、Pht-2-v2、Porter、Navy4-v2和Konradin-v2）中的一种则能显著抑制靶细胞生长，72小时后，也仅有零星细菌显示抗性，说明多种噬菌体参与的“鸡尾酒”疗法可防止抗性出现。为阐明细菌抗性机制，他们队19个噬菌体抵抗的菌株进行测序，发现仅对H具有抗性的细胞在β-4-葡萄糖基转移酶基因中包含功能丧失突变，而对Silvergun具有抗性的则在参与CPS生物合成途径的基因中存在功能丧失突变。接下来，他们测试了噬菌体在体内感染模型中的功效。首先，使用H或HS/HSFPh (H+S+Fanak和PhT2-v2) 治疗可显著提高感染ST2-KL3分离株的大蜡螟幼虫的存活率，在小鼠腹腔感染模型中，H单一疗法或HSFPh组合疗法分别挽救了80%和100%的动物，而所有未经治疗的动物均在感染后1天死亡，凸显了HSFPh鸡尾酒疗法的优势。为了应对不断升级的抗生素耐药性危机，特别是在医院获得性多重耐药性感染的背景下，这项工作探讨了基因组监测指导下的精准噬菌体治疗的前景，通过绘制CRAB的遗传多样性和地理分布图，开发并设计了噬菌体混合物，可能成为解决CRAB感染者耐药问题的有效策略。模式图（Credit: Cell）

参考文献

1. Uyttebroek, S., Chen, B., Onsea, J., Ruythooren, F., Debaveye, Y., Devolder, D., Spriet, I., Depypere, M., Wagemans, J., Lavigne, R., et al. (2022). Safety and efficacy of phage therapy in difficult-to-treat infections: a systematic review. Lancet Infect. Dis. 22, e208–e220. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(21)00612-5.2. Green, S.I., Clark, J.R., Santos, H.H., Weesner, K.E., Salazar, K.C., Aslam, S., Campbell, J.W., Doernberg, S.B., Blodget, E., Morris, M.I., et al. (2023). A retrospective, observational study of 12 cases of expanded-access customized phage therapy: production, characteristics, and clinical outcomes. Clin. Infect. Dis. 77, 1079–1091. https://doi.org/10.1093/cid/ciad335.https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.09.009

责编|探索君

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文章来源|“BioArt”

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