Bobby Burgholzer 患有囊性纤维化，这是一种遗传性疾病，使他一生都容易感染肺部细菌。几年前，抗生素还能在很大程度上控制他的症状，但后来药物开始失效，导致这位 40 岁的医疗器械销售员容易气喘吁吁，并且感到沮丧。他一直努力保持健康并打冰球，但他发现每天爬山或爬楼梯变得越来越困难。随着病情恶化，Burgholzer 担心自己患上了一种无法治愈的疾病。他有妻子和年幼的女儿，他想为了她们活下去。因此，他开始研究替代疗法，其中一种引起了他的注意：一种叫做噬菌体的病毒。
噬菌体，正如它们所知，在自然界中无处不在。它们通过入侵细菌并劫持其繁殖机制来复制。一旦进入注定死亡的细胞内部，它们就会繁殖成数百个，然后爆裂而出，通常在此过程中杀死细胞。噬菌体仅在细菌中复制。微生物学家在 20 世纪 10 年代发现了噬菌体，医生在第一次世界大战后首次将其用于治疗伤寒、痢疾、霍乱和其他细菌性疾病患者。后来，在 1939 年至 1940 年的苏芬冬季战争期间，据报道，使用这种病毒将受伤士兵的坏疽死亡率降低了三分之二。
在一些前东方集团国家，这些疗法仍然可以商业化获得，但这种方法在几十年前的西方逐渐失宠。1934 年，两位耶鲁大学的医生——门罗·伊顿和斯坦霍普·贝恩-琼斯——发表了一篇有影响力的、持否定态度的评论文章，声称噬菌体可以治愈细菌感染的临床证据是矛盾且不确凿的。他们还指责生产药用噬菌体的公司欺骗公众。但噬菌体疗法的真正终结是在 20 世纪 40 年代，当时医生广泛采用了抗生素，抗生素非常有效且价格低廉。
支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅，以支持我们屡获殊荣的新闻报道。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
噬菌体疗法在当今任何西方市场均未获准用于人类。研究经费也很少。尽管东欧的人体研究产生了一些令人鼓舞的结果——特别是来自格鲁吉亚第比利斯的埃利亚瓦研究所（该领域的研究中心）的结果——但许多西方学者表示，这项工作不符合他们严格的标准。此外，在西欧和美国进行的一些临床试验也产生了一些备受瞩目的失败案例。
然而，尽管历史上存在怀疑，噬菌体疗法正在卷土重来。关于这种治疗的科学会议的出席人数正在激增。美国食品药品监督管理局和其他卫生机构的监管机构正在发出重新产生兴趣的信号。十几家以上的西方公司正在该领域进行投资。今年启动了新一轮美国临床试验。为什么如此兴奋？噬菌体疗法已经治愈了对多种药物耐药 (MDR) 感染的患者，这些感染对抗生素不再有反应。美国食品药品监督管理局允许请愿医生在“同情使用”的基础上管理这些实验性治疗，前提是他们能够证明他们的患者没有其他选择——这正是 Burgholzer 希望证明的。
MDR 感染是一种迅速增长的公共卫生噩梦。目前全球每年至少有 70 万人死于这些无法治愈的疾病，联合国预测到 2050 年这个数字可能会上升到 1000 万。与此同时，制药行业的抗生素研发管线正在枯竭。
像所有病毒一样，噬菌体并不是真正活着的——它们无法生长、移动或产生能量。相反，它们会漂浮，直到偶然粘附在细菌上。与抗生素不同，抗生素在杀死使人生病的菌株的同时，也会杀死一系列有益细菌，而噬菌体只攻击单一细菌种类，或许还有一些与其关系最密切的亲属，并放过其余的微生物群。大多数噬菌体都有一个二十面体的头部——就像一个有 20 个三角形面的骰子。它包含噬菌体的基因，并连接到一个长长的颈部，颈部末端有一个尾部纤维，尾部纤维与细菌细胞壁上的受体结合。然后，噬菌体将一种注射器刺穿细胞壁，并注入自身的遗传物质，从而迫使细菌制造更多的噬菌体副本。其他类型的噬菌体（不用于医疗）也以相同的方式进入，但处于休眠状态，仅在细胞分裂时才繁殖。
噬菌体与细菌共同进化了数十亿年，并且分布非常广泛，以至于它们每天杀死多达 40% 的全球海洋细菌，影响海洋氧气产生，甚至可能影响地球气候。随着技术进步使将病毒与目标更准确地匹配成为可能，作为医疗工具的噬菌体正受到越来越多的关注。少数几家在技术上有能力在严格的监管协议下提供噬菌体疗法的机构，正被请求淹没。
正在进行的临床试验开始产生说服监管机构噬菌体疗法可行的所需高质量数据，但仍然存在相当多的问题。最大的问题是噬菌体疗法是否能够大规模地应对感染。临床医生必须将噬菌体与患者体内的特定病原体相匹配；目前尚不清楚他们是否能够以经济有效的方式以及以将噬菌体投入常规使用所需的速度和效率做到这一点。另一个问题是缺乏监管指南来规范噬菌体疗法的生产、测试和使用。“但是，如果它有可能挽救生命，那么作为一个社会，我们需要知道它是否会起作用以及如何最好地实施它，”澳大利亚墨尔本莫纳什大学的微生物学家杰里米·J·巴尔说。“抗生素耐药性危机太可怕了，我们现在不能不接受噬菌体疗法。”
权衡弱点
Burgholzer 通过与全国各地其他患有囊性纤维化的人交谈了解了噬菌体。在互联网上搜索更多信息时，他偶然发现了一个由耶鲁大学噬菌体研究人员制作的 YouTube 视频。很快，他开始与耶鲁大学生态与进化生物学系的生物学家本杰明·陈通信。自 2013 年来到那里以来，陈积累了一个噬菌体“库”，这些噬菌体是从污水、土壤和其他自然来源收集的，他将其提供给耶鲁纽黑文医院和其他地方的医生。
陈的第一个案例发生在 2016 年，取得了巨大成功。他从池塘水中分离出一种噬菌体，医生用它治愈了著名的眼科医生阿里·霍达杜斯特。霍达杜斯特患有胸部严重的 MDR 感染，这是四年前心脏直视手术引起的并发症。他每天服用大剂量的抗生素，试图对抗入侵的病原体，即顽固的铜绿假单胞菌。陈选择的病毒会附着在细菌细胞壁上被称为外排泵的物质上。这些泵排出抗生素，并且经常在耐药细菌中发现。霍达杜斯特体内的大多数铜绿假单胞菌都带有泵，噬菌体杀死了它们。相对较少的剩余铜绿假单胞菌面临着进化上的权衡：它们缺乏外排泵意味着它们在病毒攻击中幸存下来，但这使它们对抗生素无能为力。通过同时服用噬菌体和抗生素，霍达杜斯特在短短几周内逐渐康复。两年后，他因非感染性疾病去世，享年 82 岁。
在第一个案例之后，陈为耶鲁大学近十几个实验性治疗提供了噬菌体，其中大多数涉及患有铜绿假单胞菌肺部感染的囊性纤维化患者。他要求 Burgholzer 通过隔夜快递发送一份痰液样本，以便他可以识别可能有所帮助的噬菌体。
图片来源：AXS 生物医学动画工作室
去年 12 月，在筛选开始后，我拜访了耶鲁大学的陈。他穿着格子牛津衬衫、卡其裤和乐福鞋，很快就称我为“老兄”，这是他喜欢的称呼。在他的办公室里短暂交谈后，我们前往隔壁的实验室，陈在那里给我看了一个培养皿。Burgholzer 的细菌已经发展成覆盖整个培养皿的灰色菌苔，但两条细细的、透明的条纹横穿其中。陈告诉我，那些条纹中的细菌都死了，是被 Burgholzer 即将接受治疗的噬菌体溶液滴液杀死的。Burgholzer 的感染是由无色杆菌属的三种细菌引起的，陈计划选择能够逐个消灭它们的个体噬菌体——这种方法被称为序贯单噬菌体疗法。“我们本质上是在抗菌战争中下棋，”陈说。“我们需要采取有计划的行动。”
陈希望诱导类似于他认为对霍达杜斯特有效的进化权衡。由于无法找到针对无色杆菌细菌外排泵的噬菌体，他转而选择了一种针对微生物细胞壁中称为脂多糖 (LPS) 的大型蛋白质的噬菌体。LPS 具有分子侧链，称为 O 抗原，其长度各不相同。链越长，细菌不仅抵抗抗生素的能力越强，而且抵抗宿主免疫系统的能力也越强。陈计划用噬菌体杀死顽强的长链菌株，留下较弱的短链病原体。他说，在最好的情况下，一系列噬菌体将使细菌种群向短链菌株转移，这些菌株可能更容易受到药物和 Burgholzer 自身免疫防御的控制。“细菌在体内争夺地盘，”陈说。“在一种细菌被噬菌体大量杀死后，在许多情况下，其他细菌会侵入。”他希望新的入侵者不如他们的前辈那么毒力强。
陈的老板保罗·特纳一生致力于研究微生物世界的进化权衡。作为陈所在系的教授，他在我拜访的当天晚些时候解释说，噬菌体疗法可以在不完全消除体内致病细菌的情况下发挥作用。尤其是在治疗慢性疾病时，医生可以使用噬菌体选择性地塑造有害细菌的种群，使其产生其他弱点。“如果这些弱点是针对抗生素的，那就更好了，”他告诉我。他说，将抗生素与噬菌体结合使用，以达到患者的最佳效果，“使噬菌体疗法更容易快速推进。”
我与陈一起开车前往耶鲁纽黑文医院，观看 Burgholzer 的噬菌体治疗开始进行。我们乘电梯到达二楼，在那里我们等待陈的临床合作者乔纳森·科夫的到来。科夫是一位肺病学家，也是成人囊性纤维化项目的主任，他很快就背着一个背包冲了进来。Burgholzer 在治疗室与我们三人会面，并用沙哑的声音说话——这是他疾病的唯一外在迹象。当科夫和陈对比笔记时，他告诉我他想为了他三岁的女儿保持健康。当治疗时间到来时，他把手机扔给妻子。“给你，为我妈妈拍张照片，”他笑着说。然后，他举起雾化器放在嘴和鼻子上方，开始将雾化的噬菌体溶液吸入肺部。
噬菌体鸡尾酒
根据科夫的说法，序贯单噬菌体疗法对于治疗囊性纤维化和某些其他将有害细菌隔离在体内的慢性疾病是有意义的。他说，当没有经过验证的方法可以完全消除病原体时，策略就是逐渐削弱有害菌株。
一些临床医生正在选择不同的方法：他们在治疗性鸡尾酒中给患者多种噬菌体，试图通过同时靶向多种细菌耐药机制来完全消除感染。理想情况下，鸡尾酒中的每种噬菌体都会粘附在不同的受体上，因此，如果细菌对混合物中的一种病毒产生耐药性，其他病毒将继续攻击。
陈和科夫认为，噬菌体与细菌的相互作用是不可预测的，当暴露于鸡尾酒时，病原体可能会同时对混合物中的所有病毒产生耐药性，这可能会限制未来的治疗选择。“将鸡尾酒分成序贯治疗可以让您为患者提供更长时间的治疗，”科夫说。
Phage Directory 的联合创始人杰西卡·萨切尔是一个独立的平台，旨在改善获得噬菌体和噬菌体专业知识的途径，她说，对于这两种方法都可以提出令人信服的论点。“科学尚未达到可以确定地说一种方法必然优于另一种方法的程度。”她指出，鸡尾酒可能更适合急性病患者，这些患者有时无法等待医生制定序贯策略。
在汤姆·帕特森的著名案例中，紧迫性至关重要。帕特森是加州大学圣地亚哥分校的教授，他在 2016 年前往埃及旅行期间感染了 MDR 感染，后来被噬菌体鸡尾酒所救。入侵者是鲍曼不动杆菌，一种臭名昭著的耐药微生物，在亚洲很常见，并且正在稳步向西方蔓延。当医生通过导管将四种病毒的混合物输送到他的腹部，并将第五种病毒静脉注射时，帕特森已经出现多器官功能衰竭。医生每天为他治疗两次，持续四周，他在三个月内清除了感染。他仍然需要广泛的康复治疗，但他今天仍然很健康。
该案例引起了全世界媒体的关注。治疗医生是罗伯特·舒利，帕特森的朋友，也是加州大学圣地亚哥分校传染病科主任，以及帕特森的妻子，斯蒂芬妮·斯特拉斯迪，时任该大学全球健康研究所所长。两年后，舒利和斯特拉斯迪以 120 万美元的初始投资，在加州大学圣地亚哥分校启动了创新噬菌体应用和治疗中心，以资助临床研究并推广该领域。
帕特森接受治疗的每种噬菌体都经过筛选，以确定其在从他体内获得的感染样本中杀死鲍曼不动杆菌的能力，筛选工作在马里兰州德特里克堡的海军医学研究中心和德克萨斯农工大学进行。该中心细菌噬菌体部门负责人比斯瓦吉特·比斯瓦斯表示，这些检测可以在短短 8 到 12 小时内同时测试数百种噬菌体对抗细菌病原体的能力。比斯瓦斯开发了该检测方法并创建了该中心的噬菌体库，他说该检测方法允许轻松更换新的病毒，以应对耐药性的发生。帕特森在两周内确实对他的第一个鸡尾酒产生了耐药性，促使海军准备了第二个效果更持久的鸡尾酒。位于马里兰州盖瑟斯堡的 Adaptive Phage Therapeutics 公司已获得海军检测方法及其噬菌体库的许可，并将很快将它们都用于尿路感染患者的临床试验。
海军检测仅检查细菌细胞死亡；它没有揭示靶向哪些受体。鸡尾酒是否应靶向已知的受体尚在争论中。德克萨斯农工大学的噬菌体遗传学家赖·扬为帕特森提供了病毒，他认为应该靶向已知受体。“我们甚至不知道噬菌体是否是他成功康复的原因，”他说。“我们最好的猜测是，噬菌体疗法将他的感染负荷降低到他的免疫系统可以接管的水平。”扬认为，鸡尾酒的最佳方法是将三种或四种靶向同一细菌菌株上不同受体的病毒结合起来。他说，细菌对单一噬菌体产生耐药性的几率约为百万分之一，而细菌失去或产生鸡尾酒中所有噬菌体靶向的受体突变形式的几率“基本上为零”。此外，如果临床医生希望使细菌再次对抗生素敏感，那么识别重要受体至关重要。
巴尔说，科学家们正在努力识别帕特森鸡尾酒靶向的受体，但他不同意在使用前需要识别受体的观点。“这是一个可以理解的观点，也是该领域的热门话题，”他说。“我们对这些噬菌体知之甚少，我们需要在使用它们进行治疗之前进行检查和平衡。这是否意味着我们需要识别宿主受体？目前这是一项非常大的工作，因此我认为这不是必需的，但绝对是可取的。”
工程噬菌体
鉴于鸡尾酒的不可预测性，一些研究人员表示，应基因工程改造噬菌体，使其与特定受体结合，并以新颖的方式杀死细菌。迄今为止使用的大多数噬菌体都是天然的，从环境中收集的，但噬菌体工程改造是一个新兴的前沿领域，并取得了新的成功案例。伊莎贝尔·卡内尔是一位患有囊性纤维化的英国少女，她在 2017 年接受双肺移植后，肝脏、四肢和躯干受到危及生命的感染。她的细菌宿敌——脓肿分枝杆菌——对抗生素没有任何反应。然而，今年，在这一领域的首例案例中，来自多家机构的研究人员成功地用一种由三种噬菌体组成的工程鸡尾酒治疗了这名女孩。其中一种噬菌体在复制时会自然地撕裂脓肿分枝杆菌。另外两种噬菌体也能杀死细菌，但效果不那么彻底，导致 10% 到 20% 的细菌在这一过程中存活下来。因此，由匹兹堡大学生物科学教授格雷厄姆·哈特富尔领导的团队从这两种噬菌体中各删除了一个基因，将它们变成了工程杀手。由三种噬菌体组成的鸡尾酒在六个月内清除了卡内尔的感染。
波士顿大学的研究人员于 2007 年首次开发出工程噬菌体。他们诱导一种噬菌体产生一种酶，这种酶可以更有效地降解某些感染性细菌分泌的用于保护的粘性生物膜。此后，科学家们对噬菌体进行了改造，以杀死范围更广的有害细菌，或有可能将药物和疫苗输送到特定细胞。这些实验室设计的病毒也比天然噬菌体更易获得专利，这使得它们对制药公司更具吸引力。为了强调这一点，制药巨头强生公司的一个部门于 1 月与 Locus Biosciences 达成了一项价值高达 8.18 亿美元的协议，以开发使用基因编辑工具 CRISPR 进行工程改造的噬菌体。
开发商业上可行的噬菌体疗法并非易事。巴尔和其他科学家指出，工程改造噬菌体需要花费大量的时间、金钱和精力，而且经过所有这些努力后，目标细菌可能很快就会对其产生耐药性。此外，巴尔表示，工程改造噬菌体的监管批准“可能很难推销”，这也反映了为本文采访的几位科学家的观点。但美国食品药品监督管理局发言人梅根·麦克塞维尼在一封电子邮件中声称，只要治疗制剂被认为是安全的，该机构就不会区分天然噬菌体和工程改造噬菌体。
未来前景
各公司目前正在测试将噬菌体推向更广阔市场的不同方法。一些公司希望为患者提供专门针对其感染的个性化疗法。这是 Adaptive Phage Therapeutics 公司的战略。该公司首席执行官格雷格·梅里尔表示，用于筛选海军噬菌体对抗感染样本的检测方法可以在全球各地的诊断实验室和主要医疗中心提供。对每个地区流行的细菌有效的噬菌体可以装在售货亭中，以美国食品药品监督管理局批准的即用型小瓶装瓶供应。梅里尔说，医生可以持续监测接受治疗的患者的耐药性，并在需要时更换新的噬菌体，直到感染得到控制。他估计，在目前的同情使用系统下，每位患者的费用约为 50,000 美元，随着规模经济的扩大，这一费用应该会下降。
其他公司拒绝这种个性化策略，而倾向于更类似于商业抗生素的固定噬菌体产品。Armata Pharmaceuticals 的主要产品是由三种天然噬菌体组成的鸡尾酒，目标是金黄色葡萄球菌，这种细菌是医院常见的葡萄球菌感染的病因。它正在感染机械心脏泵的患者中进行临床试验。Armata 的计划是监测普通人群中对治疗产生耐药性的葡萄球菌，然后根据需要引入新的鸡尾酒，这与每年调整流感疫苗以匹配最新流行的毒株的方式非常相似。制药公司高管表示，现在估计成本还为时过早。
专家们仍然无法确定当前哪些策略——序贯单疗法、鸡尾酒疗法、工程噬菌体疗法以及通用或个性化疗法——最终可能会胜出，假设有任何策略胜出的话。考虑到“每种情况下的噬菌体治疗可能取决于复杂的问题，例如目标病原体、疾病和患者的病史”，巴尔说，最佳方法“甚至可能不存在”。
斯特拉斯迪说，噬菌体疗法仍然受到地缘政治偏见的束缚。她说，现在真正需要的是来自良好对照的临床试验的积极结果，这些结果可以帮助克服残留的怀疑。多伦多大学的生物化学家艾伦·戴维森推测，在十年内，噬菌体疗法可能会比今天更便宜、更容易、更快。他倾向于工程改造方法，他说，对患者细菌的整个基因组进行测序，然后合成噬菌体来治愈感染，可能比“筛选自然界中提取的一系列病毒来对抗病原体”更快、更便宜。
与此同时，Burgholzer 一直在家中使用雾化器自行进行噬菌体治疗，直到 2019 年 3 月，但尚未体验到他所希望的临床改善。3 月，陈和科夫引入了第二种噬菌体，目标是另一种无色杆菌菌株。到 4 月，自最初治疗开始以来，Burgholzer 肺部的细菌数量下降了两个数量级以上。“因此，我们似乎可以连续消灭这些菌株，”科夫告诉我。然而，科夫承认 Burgholzer 没有注意到肺功能发生显着变化。当我问为什么时，科夫回答说：“我们对用于对抗铜绿假单胞菌的噬菌体的了解比我们对靶向无色杆菌的噬菌体的了解要多得多。”操纵感染的能力“知之甚少”。
科夫说，下一步将是对 Burgholzer 肺部的粘液样本进行基因测序。“我们真的需要了解他的细菌发生了什么，这样我们才能达到我们对铜绿假单胞菌所拥有的高水平的复杂程度。Bobby 让我们冒险看看，至少，我们是否可以提供帮助。”科夫沮丧但仍然渴望，他说，“有些患者的反应比其他患者更好。我们需要了解这些动态。”