這是《腸道產(chǎn)業(yè)》第 713 篇文章

2013 年，Tobi Nagel 結(jié)束了在格魯吉亞長達十年的探索之旅。在格魯吉亞的藥房里，除了傳統(tǒng)的抗生素之外，消費者們還有另外一種選擇——噬菌體溶液。噬菌體是一種微型病毒，可以通過滲透作用，從內(nèi)部溶解破壞細菌結(jié)構(gòu)。

當時，Nagel 還在對低收入國家進行考察——這是她作為制藥行業(yè)藥物開發(fā)科學家的工作之一，她一直在尋找成本效益最高的藥物生產(chǎn)方法。

Nagel 表示：“生活在兩個不同的世界，總是讓人感覺不安。在美國開發(fā)一種新的藥物可能需要花費 10 億美元，而那些發(fā)展中國家的人可能永遠無法接觸到這些藥物。因此，當我了解到噬菌體的作用機制后，我立刻意識到，這就是我一直在尋找的技術，一種物美價廉的技術?！?/p>

病毒被認為是地球上分布最廣泛的生物體，自第二次世界大戰(zhàn)以來，病毒就被東歐國家廣泛用作治療細菌感染。對 Nagel 來說，更重要的是，它們是普通抗生素的廉價替代品。

因此，自 2014 年開始，Nagel 就開始著手發(fā)起全球衛(wèi)生噬菌體（Phages for Global Health，PGH）項目，一個旨在將噬菌體及相關技術傳播到非洲和亞洲的非營利性組織。      

PGH 和一些初創(chuàng)企業(yè)看到了噬菌體進入畜牧業(yè)和食品生產(chǎn)領域的大好應用前景，因為在上述行業(yè)中，噬菌體相對容易獲批，且生產(chǎn)成本較低。相對于抗生素來說，噬菌體具有絕對的價格競爭優(yōu)勢，并且可以幫助農(nóng)民快速抗擊細菌。

這些病毒可以降低世界各地農(nóng)民對小分子抗菌素的依賴，并為人類提供一種對抗抗生素耐藥性的有力武器?；瘜W家和研發(fā)工程師正在抓緊改進配方，試圖研制出成型的噬菌體產(chǎn)品，并進一步延長噬菌體的保質(zhì)期。除此之外，還需要想辦法去說服那些已經(jīng)習慣了使用傳統(tǒng)抗生素的農(nóng)民改用新技術。

圖.全國衛(wèi)生噬菌體組織（PGH）機構(gòu)人員正在對當?shù)匮芯咳藛T進行現(xiàn)場培訓，通過觀察噬菌體對該地區(qū)土壤、農(nóng)場和水樣的反應，來篩選出有效的噬菌體。

彎曲桿菌是一種螺旋狀細菌，雖然只有幾微米長，但是廣泛分布于肯尼亞。彎曲桿菌與志賀氏菌和沙門氏菌同屬于食源性細菌，是引起肯尼亞腹瀉病的主要原因之一。據(jù)《全球疾病負擔》報告估計，2019 年，肯尼亞每 1000 名 5 歲以下兒童中，就有 1 人死于腹瀉病。

彎曲桿菌的常見宿主是雞。如果在屠宰和出售過程中，食品沒有進行冷藏保存，那么就會成為細菌繁殖的天堂。此時，如果恰好有一個消費者，不幸地購買了這些含有彎曲桿菌的肉類，并發(fā)生了感染，那么其能夠使用的有效抗生素種類會很有限，因為肯尼亞地區(qū)普遍分布著該細菌的耐藥性菌株。

2016 年，對肯尼亞全國進行的一項調(diào)查研究顯示，在 90%以上的雞及其糞便中發(fā)現(xiàn)了彎曲桿菌，且至少 61%培養(yǎng)樣本具有多重耐藥性。

造成多重耐藥性的兇手之一是農(nóng)民，他們頻繁使用抗生素來預防感染，甚至是去治療那些與微生物感染并不沾邊的疾病。而且，農(nóng)民還大量使用藥物，來促進牲畜的生長，而不是通過增強能量，來避免感染。動物可以利用能量促進骨骼和肌肉的生長。

烏干達 Makerere 大學微生物學家和噬菌體捕獵者 Jesca Nakavuma 表示：“當一個農(nóng)民眼中只有動物的經(jīng)濟價值時，他們就會不惜一切代價保證動物活著。”全世界范圍內(nèi)，都存在著抗生素過度使用的現(xiàn)象，以至于歐盟和美國已經(jīng)明令禁止農(nóng)民使用抗生素，來預防疾病和促進動物生長。

但是抗生素是一把鈍器，會無差別地根除各種有害和有益的細菌。從長期來看，過度使用抗生素會導致細菌耐藥性更強，以至于更難利用現(xiàn)有藥物殺死細菌。這就是為什么 Nakavuma 會聯(lián)合 PGH，識別具有有益作用的噬菌體，以幫助農(nóng)民和醫(yī)生將噬菌體治療作為抗生素治療的補充療法。

與抗生素相比，噬菌體更像是一把手術刀。通常噬菌體會寄生在特定的細菌內(nèi)，對其表面進行攻擊，而不影響其他種類細菌的繁衍。

根據(jù)噬菌體研究人員的說法，在農(nóng)業(yè)中過度使用噬菌體應該不會有什么太大的問題。因為從理論上講，噬菌體具有“自醫(yī)”和“自限”性：農(nóng)民需要提供足夠多的病毒，才能使病毒到達動物小腸內(nèi)的特定細菌體內(nèi)。一旦到達細菌體內(nèi)，噬菌體會在細菌體內(nèi)進行自我復制和繁衍，最終使細菌破裂、死亡。然后新的噬菌體就會被釋放出來，尋找新的寄主。

盡管噬菌體和抗生素都能殺死細菌，但細菌對二者產(chǎn)生耐藥性的方式卻不盡相同。

抗生素耐藥性產(chǎn)生的方式往往是以下兩種：細菌通過蛋白將抗生素泵出細胞，或者分泌一種可以將抗生素分子分解掉的酶。當存活的細菌逐漸聚集并“分享”用于消除抗生素的 DNA 時，耐藥性就會逐漸增強。

而噬菌體是不斷變化的。它們的變異速度非常快，與細菌變異速度一致，以至于細菌無法通過分享抵御機制，來消除噬菌體的威脅。

然而，一些針對噬菌體的抵御機制可以提供更持久的抵抗力。例如，某些細菌可以將噬菌體 DNA 片段保存在基因組中，以便以后能夠根據(jù)這些關鍵特征進行病毒識別和攻擊。

但由于這些 DNA 信息記錄的形成需要一定的時間，在細菌之間共享抵御機制之前，病毒可能就已經(jīng)發(fā)生了進化。最重要的是，這種信息記錄的容量并不是無限的，所以細菌為了不斷地獲取新的序列，需要不斷去忘記過去記錄的序列。

耶魯大學生物學家、Felix 生物技術公司噬菌體治療法聯(lián)合創(chuàng)始人 Paul Turner 表示：“細菌無法進化出噬菌體抗性，并將這種機制分享給其他細菌。這根本不會發(fā)生。”

圖.烏干達地區(qū)由于缺乏冷藏設備，可能導致肉類制品上細菌滋生。這些屠夫的目標，是在屠宰后 24 小時內(nèi)盡快售出他們的產(chǎn)品。

新型抗生素并不會憑空出現(xiàn)，需要數(shù)億美元去發(fā)現(xiàn)、調(diào)整、完善，并最終在符合規(guī)范的設施中制造出來。但是，有細菌的地方就會有噬菌體：土壤、水以及動物體內(nèi)。這就是噬菌體研究人員尋找候選藥物的地方。

為了研制出最有效的噬菌體治療方法，專家們試圖從當?shù)丨h(huán)境——細菌滋生的地方如污水、農(nóng)家肥和溪流中采集病毒。

Nakavuma 希望通過收集這些野生病毒，來構(gòu)建一個地域性噬菌體庫。

特定類型的噬菌體已經(jīng)進化到可以針對性殺死它們在野外遇到的細菌的某一個亞類。一旦生物學家弄清楚培養(yǎng)物中與目標細菌一起生長的病毒有哪些，他們就會對該病毒的基因組進行測序，并將其添加到數(shù)據(jù)庫中進行保存。

之后，當一個地區(qū)牲畜出現(xiàn)病原體性疾病時，專業(yè)技術和基礎設施將可以立馬提供量身定制的噬菌體雞尾酒，就好像我們每年通過調(diào)整流感疫苗，來預防正在流行的病毒株。

但是一旦離開它們的棲息地，噬菌體就會變得有點挑剔?？股厝匀辉谵r(nóng)場占據(jù)主導地位的一個重要原因是它們便宜且穩(wěn)定。噬菌體可能相對更脆弱一些——如果無法以細菌為食，它們在室溫下會變得不活躍。對于農(nóng)民來說，這是一個問題。因為他們沒有足夠多、足夠大的冰箱，可以在 4℃ 溫度下，保存大量的噬菌體溶液。

因此，研究人員正在尋找一種可以將這些溶液烘干，使噬菌體可以以一種不需冷藏的固態(tài)狀態(tài)儲存。PGH 聯(lián)合工程師，設計出了實現(xiàn)這一目標的方法。Alberta 大學的 Reinhard Vehring 聯(lián)合 PGH，對噴霧干燥工藝進行了優(yōu)化，用于制備封存有抗彎曲桿菌噬菌體的粉末。

噴霧干燥是指利用一種加熱的氣體將液體噴霧為氣溶膠，并快速進行干燥的方法，該方法可以在一小時內(nèi)生產(chǎn)出成噸粉末。這也是大規(guī)模生產(chǎn)奶粉的常用方法。但是噬菌體與牛奶不同，它們需要保持完整的蛋白質(zhì)復合物，一旦蛋白結(jié)構(gòu)被破壞，病毒遇水后也無法再進行自我復制。

為了保證粉末狀噬菌體的安全，Vehring 的實驗室借鑒了復活植物鱗葉卷柏（Selaginella lepidophylla）的策略。卷柏可以在沒有水的情況下生存數(shù)年。干旱時，卷柏會用糖分子替代其維持細胞器結(jié)構(gòu)的氫鍵水分子，形成所謂的糖玻璃。當下雨時，水分會重新充滿細胞時，此時，卷柏就會重獲生機。

為了模擬上述過程，研究人員在進行噴霧干燥前，將海藻糖添加到噬菌體懸浮液中。Vehring 說，一種理論認為，海藻糖分子有助于包裹和穩(wěn)定噬菌體。利用海藻糖處理過的病毒，可以在室溫下保存，且貨架期可達數(shù)月甚至一年。而且只要再次加水，噬菌體就會復活，攻擊彎曲桿菌。

其他研究人員正試圖用另一種方式封裝噬菌體。Nicholas Svitek 擔任國際牲畜研究所（ILRI）的高級科學家，目前在肯尼亞工作，專門從事沙門氏菌相關研究。

國際牲畜研究所采取的舉措之一就是發(fā)展和促進可持續(xù)和可規(guī)模化的牲畜業(yè)實踐，以限制抗生素耐藥性的產(chǎn)生。Svitek 表示，該機構(gòu)的研究小組正在探索封裝噬菌體的方法，即將病毒聚集在多糖或二氧化硅的微米或納米顆粒上。

海藻酸鹽和堿性多糖殼聚糖混合而成的封裝材料，不僅可以保護噬菌體在儲存期不受外界環(huán)境的影響，而且還可以保護噬菌體不受動物酸性胃液的影響。如果噬菌體需要穿過胃部找到腸道中生長的細菌，這一特性就很重要了。當然，上述方案僅適用于作為飼料添加劑或者添加到水中的干燥粉劑和膠囊。

總部位于蘇格蘭的初創(chuàng)公司 Fixed Phage，正在試圖將噬菌體封裝到食物中。該公司目前正在對表面沾有噬菌體的魚飼料顆粒進行調(diào)整。

Fixed Phage 公司將經(jīng)過預處理的飼料視為一種便于農(nóng)民使用的產(chǎn)品。該公司首席科學官 Jason Clark 表示：“就適用性而言，這總比我們將其保存在 4℃ 冰箱中要好得多——必須現(xiàn)取現(xiàn)用，適量使用，用完還需要立刻放回冰箱。”

為了將噬菌體固定在食物顆粒上，F(xiàn)ixed Phage 借鑒了一種可將墨水印在塑料上的通用方法。該公司在放電下運行這些顆?！獓娚涑龅牡入x子體使表面電離——并迅速向其噴灑噬菌體溶液。隨著溶液逐漸干燥，病毒粘附在電離顆粒上，可在室溫下儲存數(shù)月而不失去活性。該公司正在對其飼料進行現(xiàn)場實驗，以了解噬菌體在現(xiàn)實世界中是如何發(fā)揮作用的。

圖.2017 年，在烏干達舉行的“全球衛(wèi)生噬菌體研討會”上，科學家們觀察了細菌培養(yǎng)物。

去年 10 月，Evans Agbemafle 帶著面罩，站在一群加納東部水產(chǎn)養(yǎng)殖戶面前，向他們詳細說明了噬菌體的好處，并試圖消除養(yǎng)殖戶們的擔憂。

Agbemafle 是加納政府科學工業(yè)研究委員會（CSIR）的科學家，也是 SafeFish 項目的共同負責人之一。該項目旨在解決烏干達和加納蓬勃發(fā)展的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)所面臨的魚類死亡問題。去年，在非洲聯(lián)盟和歐洲委員會提供的 100 萬美元資金資助下，SafeFish 科學家開始著手收集當?shù)赝寥?、糞便、溪流和魚腸道內(nèi)容物，以便最終能夠提純并表征該地區(qū)的噬菌體群。

研究人員傾向于使用當?shù)氐氖删w，但是加納缺乏高精尖的基因測序設備和解讀基因數(shù)據(jù)的生物信息學家，這也是加納發(fā)展主要的阻礙。

因此，Agbemafle 和 Makerere 大學的 Nakavuma 有意與其他機構(gòu)合作，通過組裝設備和集合專業(yè)知識，對噬菌體進行識別和歸類。

他們更遠大的目標是建立一個區(qū)域性噬菌體研究聯(lián)盟和數(shù)據(jù)庫，從而幫助非洲國家更好地應對耐藥性細菌的出現(xiàn)。但是這還有很長的路要走。Agbemafle 說：“我們現(xiàn)在是從零開始。”

技術問題可能比較復雜。PGH 的 Nagel 回憶說，她曾于 2020 年初在坦桑尼亞主持過一次研討會，期間她試圖向當?shù)氐纳锘瘜W家展示如何使用 Oxford Nanopore 技術公司的 MinION 手持式基因測序儀。雖然已經(jīng)為該設備設置了專用路由器，但帶寬仍然無法滿足對樣本中的基因組進行測序。最終，PGH 的科學家們使用了移動熱點來完成培訓。

Nagel 說：“所以就是這樣零碎的小事，停電、缺少制冷設備等?！?/p>

PGH、SafeFish 團隊及 ILRI 表示，與農(nóng)民交流互動，對于農(nóng)民最終接受采用新農(nóng)產(chǎn)品至關重要。來自研討會和焦點小組以及該地區(qū)工作人員的反饋，有助于指引研究人員的設計過程。

ILRI 博士后 Angela Makumi 說：“當你了解了農(nóng)場系統(tǒng)的生態(tài)機制后，你就能理解產(chǎn)品的發(fā)展方式，這并不是全部都適用的?！?/p>

Makumi 來自肯尼亞，在回國前曾在歐洲接受過噬菌體生物學家的培訓?；貒?，帶回了新的理論知識，可以幫助研究團隊確認農(nóng)民對噬菌體產(chǎn)品的具體需求。例如，為了降低成本，他們傾向于不單獨購買產(chǎn)品，而是希望購買已經(jīng)添加了噬菌體的飼料或已經(jīng)混合了疫苗的飼料。

Nakavuma 表示：“如果我們在沒有事先讓農(nóng)民知悉并產(chǎn)生興趣的情況下，引入一種產(chǎn)品，那么讓農(nóng)民采用該產(chǎn)品將是一項艱巨的任務。因此，我希望在我們研發(fā)出新產(chǎn)品時，已經(jīng)先贏得了他們的信任?！?/p>

原文鏈接：

https://cen./food/agriculture/Phages-farm-tiny-viruses-help/99/i28 

作者｜Manny I. Fox Morone

編譯｜ninety

審校｜617

編輯｜笑咲