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第六节
分枝杆菌噬菌体

分枝杆菌噬菌体是一种DNA病毒,因对分枝杆菌有特异的亲噬性而得名。从1947年Gardner分离、鉴定第一个分枝杆菌噬菌体到目前,陆续分离的分枝杆菌噬菌体已达数千种,在Genbank里完成全基因组序列测定的分枝杆菌噬菌体数量也已超过500种。分枝杆菌噬菌体侵袭分枝杆菌不仅会对细菌的某些生理过程造成影响,而且其能够顺利突破分枝杆菌细胞壁屏障并与细菌基因组发生重组的特点使其成为一种非常重要的工具。因此,在分枝杆菌基因功能研究、结核病的耐药诊断和治疗方面,都受到了高度关注。

一、分枝杆菌噬菌体的概况

不同的分枝杆菌噬菌体在基因组水平展示出非常明显的遗传多样性,已经分离的分枝杆菌噬菌体被粗略地分为约30个型(或者簇),不同型的噬菌体在基因组水平相似性非常低,有的噬菌体甚至与已经分离的其他噬菌体没有任何相似性。虽然同一型的噬菌体在基因组水平相似性超过50%,但除个别型内的不同噬菌体有高度相似之外,大多数同一型内的噬菌体间基因组序列仍存在巨大差异,因此又被分为多个亚型。噬菌体的基因主要以嵌入的方式存在,就好像是不同的噬菌体把一些特异性的片段/基因以自己的方式组装在一起。因此全基因组序列比较时往往会呈现出短的片段相似,但很难发现大片段的高度同源性,由此为研究噬菌体的进化提供了丰富的资源。不同种分枝杆菌噬菌体基因组中鸟嘌呤和胞嘧啶碱基占比为50.3%~70%,平均为64%。所以噬菌体基因组碱基GC含量并不一定与宿主的碱基组成匹配,而且噬菌体密码子组成偏向性与宿主不一致时也没有明显的影响。目前鉴定的分枝杆菌噬菌体的基因数量超过5万个,很多基因在分枝杆菌噬菌体以外没有发现同源基因的存在,并且其功能还未知,这些基因的存在价值还有待深入研究。

在很多细菌中,噬菌体编码的毒素往往是宿主菌毒力因子的一部分,比如大肠杆菌、霍乱弧菌、沙门菌等,但在结核分枝杆菌中却没有发现这种情况。虽然很多结核分枝杆菌的菌株携带有噬菌体样的结构成分,但并未发现这种结构与细菌的毒力存在关联。有些分枝杆菌噬菌体编码一种植物性杀虫蛋白样的蛋白,可能会影响毒力,但这种噬菌体并不能感染结核分枝杆菌,而且其宿主也还不十分清楚。有些分枝杆菌,如肯尼迪分枝杆菌、海分枝杆菌、脓肿分枝杆菌和溃疡分枝杆菌等携带原噬菌体序列,有可能会对噬菌体的生物特性有一定影响,但这些原噬菌体序列的功能也有待研究证实。

噬菌体可以通过表达蛋白影响宿主,也可以通过将噬菌体的基因组序列整合到宿主的基因组中发挥作用。噬菌体的插入通常是位点特异性的,由整合酶介导的噬菌体与宿主特异性附着位点(分别为 attP attB )发生整合。有两种酶可以发挥这样的作用,酪氨酸整合酶最为常见,一般介导噬菌体在宿主的tRNA处发生整合。因为噬菌体在 attP 位点的插入常携带tRNA3′端的序列,所以在原噬菌体形成后tRNA的功能得以保留。与此相对应的是,由丝氨酸整合酶介导 attB 位点的整合常发生在宿主蛋白的编码区内,这种插入会导致相应蛋白的失活。由于 attB 位点序列片段短,一般的生物信息学分析不容易被发现,因此 attB 位点相关报道较少。耻垢分枝杆菌和结核分枝杆菌中大约有12个 attB 位点,由丝氨酸整合酶介导的插入会影响蛋白功能,进而影响宿主菌的生理功能。分枝杆菌噬菌体Bxb1的DNA重组研究较为清楚。Bxb1利用丝氨酸整合酶在耻垢分枝杆菌位于 groEL1 基因内的 attB 位点发生基因重组,而 groEL1 基因编码的分子伴侣蛋白可以调控分枝菌酸的合成,分枝菌酸是成熟的生物膜合成所必需的,因此无法合成生物膜会影响细菌的毒力。由此可以看出,噬菌体的侵染能对宿主菌带来巨大的影响,而利用这种影响可以改造宿主菌。

二、分枝杆菌噬菌体在结核病领域的应用价值

随着人类对分枝杆菌噬菌体结构和功能的不断深入研究,噬菌体作为一种分子生物学研究工具的功能越来越受到重视,而因其具备特异性入侵并裂解分枝杆菌的功能,使其在结核病的诊断和治疗方面的应用价值受到广泛关注。

(一)分枝杆菌的菌种鉴定

不同噬菌体显示出对不同宿主菌的亲噬性,是依据噬菌体进行菌种鉴定的基础。决定噬菌体对不同种细菌亲噬性的机制尚未完全阐明,但已经发现多种不同的机制都与此有关,比如细菌表面受体的差异、不同原因导致的侵染失败、细菌对噬菌体的限制性修饰、宿主菌翻译系统的适应性改变等。噬菌体为了克服宿主对其的种种限制,也会通过发生随机突变、发挥多样性发生系统功能、定点重组或分子模拟等多种方式提高自身的侵袭能力。正是因为噬菌体具备很强的不断改造自身的能力,才带来了噬菌体高度多样性的特点,据推测自然界噬菌体的种类可以高达10 31 种。

分枝杆菌噬菌体数目的不断增加促进了以噬菌体为基础的结核分枝杆菌分类学的发展。这一分类法利用不同分枝杆菌噬菌体对不同种分枝杆菌有不同的亲噬性进行分类。大多数分枝杆菌噬菌体的野生宿主范围限制了其作为分类标准的应用价值,比较受关注的是能够对结核分枝杆菌进行种类鉴别、能够区别结核分枝杆菌及其他致病性分枝杆菌的噬菌体。1965年,WHO成立一个专门工作小组进行开发和标准化分枝杆菌噬菌体分类法。10年后,该小组报告了一组包括12种可用于分类的结核分枝杆菌噬菌体,以及利用其进行分类的标准方法。由于该方法简便、易于操作,在当时被认为是一种有价值的流行病学研究工具,在大量关于结核病的区域性传染情况调查和大范围国际性流行病学调查中发挥了重要作用,并发现全球结核分枝杆菌对噬菌体的易感性有明显的地区差别。虽然噬菌体分类法在早期提供了很多有价值的数据,但它仍然是一种以细菌表型分类为基础的较为粗略的方法,而且,由于这种分类法能够鉴别的分枝杆菌菌种过少,且同种噬菌体在不同地区使用时表现存在差异,因此限制了噬菌体分类法的应用。近年来,同源基因/序列比较的分枝杆菌菌种鉴定方法以其操作简单、鉴别能力强、准确、可直接应用于临床标本的优点,逐渐成为分枝杆菌菌种鉴定的首选方法,而依据噬菌体进行分类已鲜有报道。新分离鉴定的分枝杆菌噬菌体,往往需要检测其对常见的不同种分枝杆菌的侵染能力。

(二)分子生物学研究工具

分枝杆菌细胞壁富含脂质,外源性DNA难以通过并稳定整合于宿主菌的基因组,因而通常用于向细菌导入遗传物质的方法不能应用于分枝杆菌,与其他细菌相比,分枝杆菌DNA重组技术发展较慢。

1964年,Tokunaga和Sellers首先利用分枝杆菌噬菌体D29成功将外源性DNA导入耻垢分枝杆菌中,由此揭开了分枝杆菌噬菌体作为一种基因工程工具的序幕。后续的研究致力于构建能够高效克隆表达的噬菌体转运载体,同时,也要建立噬菌体介导的DNA重组技术,尤其是能够在慢生长分枝杆菌中使用的DNA重组技术。在噬菌体被应用之前,由质粒系统介导的分枝杆菌DNA重组技术的效率非常低,分枝杆菌独特的富含大量脂质的细胞壁结构限制了质粒DNA的通过,因此无法实现外源性DNA在分枝杆菌基因组的整合和表达。1987年,Jacob等成功地构建了一套噬菌体转导体系,克服了既往研究分枝杆菌时的困难,实现了分枝杆菌的DNA重组。他们将大肠杆菌的质粒DNA插入分枝杆菌噬菌体TM4基因组的非必需区域,从而构建了能够用于DNA重组的穿梭质粒。这种穿梭质粒具备两种功能,在大肠杆菌中以质粒的形式复制,而在分枝杆菌中,以噬菌体的形式复制。但是这种穿梭质粒只能够转染快生长的耻垢分枝杆菌,不能用于慢生长分枝杆菌,如结核分枝杆菌和BCG。之后Lee等构建了以分枝杆菌噬菌体L5为基础的穿梭质粒,这种噬菌体能够在耻垢分枝杆菌更加高效和稳定地重组外源性DNA,并且在慢生长分枝杆菌如结核分枝杆菌和BCG中也可以使用。基于这种穿梭质粒,大量的基因功能研究得以开展,而且外源性DNA的导入可以改造噬菌体携带某种特定的信号,比如荧光,由此开拓了应用噬菌体进行耐药结核病诊断的新研究领域。

突变技术是研究结核分枝杆菌功能基因的重要手段。传统的化学诱变技术通过应用DNA诱变剂挑选发生突变的单克隆,这种方法应用于慢生长的结核分枝杆菌存在诸多缺陷:突变率低;同一细胞存在多种突变;结核分枝杆菌簇状生长特性不容易分离到单菌落。由转座介导的突变技术非常有利于研究原核生物基因功能,但由于缺乏有效的转座子转运系统,在结核分枝杆菌研究中应用十分有限。条件性复制的噬菌体系统是一种可用于多种细菌的高效的转座突变转运系统,其最大的优势是菌群中几乎所有的细菌都可以被携带转座子的噬菌体感染,由此产生大量的独立突变,而且,若转座突变是随机的,则可得到任何基因的突变体。应用穿梭噬菌粒能够高效介导分枝杆菌发生转座突变,由此可以建立包含数以千计独立突变结核分枝杆菌的基因文库,为不同种分枝杆菌功能基因的研究提供突变体平台,对研究诸如毒力、休眠、致病、耐药等重要基因功能有极大促进作用。

(三)分枝杆菌噬菌体用于耐药结核病诊断的研究

尽管分子技术的发展突飞猛进,结核病仍然是一个严重的公共卫生难题。快速准确的诊断是结核病控制的关键,而结核分枝杆菌快速药物敏感性测试也是当务之急。结核病患者主要居住在低收入国家,因而迫切需要一种简单、快速、廉价的诊断方法。有些分枝杆菌噬菌体因其对结核分枝杆菌有特异性的亲噬性,引起了研究者对其诊断结核病价值的兴趣,而分枝杆菌噬菌体基因工程技术的进步,为其在耐药结核病的诊断领域带来了新契机。

最初研究抗结核药物对分枝杆菌噬菌体影响的是Tokunaga等,他们在1965年发现链霉素能阻断噬菌体在药物敏感的耻垢分枝杆菌内的增殖,而耐药菌株中噬菌体的增殖和之后的裂解作用并不受影响。其他抗结核药物对噬菌体的影响也得到研究,1980 年David 等发现用氯苯吩嗪、多黏菌素E、利福平、链霉素可以抑制噬菌体D29的增殖,对氨苯砜和异烟肼的抑制程度稍低,而在噬菌体感染之后加上乙胺丁醇则完全不能抑制。结核分枝杆菌繁殖一代的时间是20~24 小时,因此目前的表型药敏试验方法往往需要2~18周。耻垢分枝杆增殖的速度是结核分枝杆菌的10倍,科研工作者利用药物对噬菌体增殖过程的影响和耻垢分枝杆菌的快生长特点,开发出了快速的结核病耐药诊断方法。噬菌体D29对慢生长的结核分枝杆菌及快生长的耻垢分枝杆菌都有亲噬性,靶分枝杆菌受感染后发生裂解,可以在快生长的耻垢分枝杆菌的菌苔上形成清晰的噬菌斑,由此可在2~3天内检测到活的分枝杆菌,从而用来检测分枝杆菌的药物敏感性。Wilson 等依据上述机制建立了可以商业化的噬菌体快速药敏方法,噬菌体生物扩增法(phage amplified biologically assay,PhaB),有利于发现活菌和进行结核分枝杆菌快速药敏分析。PhaB 可以检测少于100 条菌/ml 的菌量,其敏感性可与聚合酶链反应(PCR)媲美,而且与培养法符合率高。快杀菌药物如利福平、链霉素、喹诺酮类2天内可得到药敏结果,与培养符合率超过95%;慢杀菌药物异烟肼、乙胺丁醇需要增加一个预孵育过程使药物的杀菌效果能充分体现,所需时间为3~4天,与培养符合率为90%左右。由于噬菌体的裂解作用,实验过程中能将结核分枝杆菌杀死,对实验操作人员有保护作用,而且无须特殊仪器,成本低廉,易于向低收入国家的实验室推广。虽然PhaB在上市之初获得了高度的关注,但随着应用数据的增多,对此项技术的评价可能更为客观和准确。于霞等采用Meta分析方法评价噬菌体生物扩增法检测临床标本中结核分枝杆菌的准确性。综合分析所有数据显示,合并特异性为96%(96%~97%);合并敏感度为69%(67%~72%);合并诊断比值比为52.30(95% CI :25.18~108.65);SROC 曲线下面积为0.93。对纳入的研究分析证实,噬菌体检测法检测临床标本中结核分枝杆菌的敏感性偏低,但特异性相对较好。然而在实际的应用过程中,噬菌体生物扩增法操作过于烦琐,尤其是近几年新兴分子生物学技术使用越来越广泛的情况下,该方法逐渐被市场淘汰。

尽管早期应用天然的分枝杆菌噬菌体进行药物敏感性检测的技术逐渐淡出了市场,但科研工作者仍然在不断努力,希望能构建出更加适合临床应用的分枝杆菌噬菌体技术。分枝杆菌报告噬菌体是指将能够释放信号的基因克隆到噬菌体中,当噬菌体将基因组注入宿主菌后,信号基因依靠宿主菌的各种内在结构进行表达,并释放出信号。第一个借助基因工程改造合成的报告噬菌体在噬菌体TM4中整合了荧光蛋白表达基因,生成了荧光素酶报告噬菌体。1993 年,Jacobs等构建了一种整合了荧光素酶基因( Fflux )的噬菌体。 Fflux 基因编码的萤火虫荧光素酶最初发现于萤火虫体内,当这种生物工程噬菌体吸附到结核分枝杆菌上并将DNA注入细菌后,如果细菌是活菌就将表达荧光素酶,加入荧光素底物,在三磷酸腺苷(ATP)存在的情况下,就会发出荧光,这种荧光可被对磷酸敏感的膜或荧光计检测到。如果细菌已被抗生素杀死,则不能表达产生荧光蛋白。因而,在抗生素作用几小时内,即可动态观察杀菌效果,定量的准确性与通过培养计算菌落数相当。同时,利用这一技术可检测标本中活的结核分枝杆菌的特点,可以进行药物敏感性检测。虽然相比于培养法药敏试验,噬菌体法需要的时间短,但此方法在实际应用时敏感性比较低,主要原因是作为报告信号的荧光表达量过低,不容易被检测到。后期的研究主要集中于提高报告荧光的强度,其中由分枝杆菌噬菌体TM4改造的phAE40最具优势。因为TM4对所有被检测的结核分枝杆菌都有亲噬性,而且转染过程也相对简单。之后对温度敏感噬菌体进行的荧光素酶改造,这种噬菌体在30℃裂解扩增,而在37℃溶原生长,在单个细菌释放荧光的数量增加,缩短了报告药敏结果的时间,相比于BACTEC液体培养的7~9天,噬菌体法只需要3天。即便如此,这种方法也不能区分单一的细菌,因此无法对一个菌群中对不同种药物耐药的细菌加以区分,而且敏感性虽然得到了提高,但仍只能用于分离培养物。噬菌体表达绿色荧光蛋白可以区分不同的细菌,因为绿色荧光蛋白本身可以发绿色荧光,无须添加外源性的底物,因此可以应用荧光显微镜或流式细胞仪检测发光的细菌。进一步的研究敲除了抑制多个噬菌体共感染的 gp49 基因,由此多个噬菌体可以同时感染同一分枝杆菌,明显提高的荧光强度可在荧光显微镜下检测到。通过引入更强力的启动子,在同一噬菌体内引入多个荧光报告基因,噬菌体释放荧光的能力不断增强,目前最强荧光信号的噬菌体可在入侵结核分枝杆菌4小时后被检测到,并且随着时间延长,信号逐步增强,在12~14小时后达到顶峰。这种噬菌体已经可以用来检测痰标本中的结核分枝杆菌,未来在结核病诊断和耐药诊断中可能发挥作用。

(四)噬菌体的抗结核治疗作用研究

全球结核分枝杆菌耐药状况令人担忧,常用的一线药物失去了治疗效力,新型药物的研制又是一个漫长的过程,而分枝杆菌噬菌体能够裂解破坏分枝杆菌的特点,很容易使人们联想到其治疗结核病的潜在价值。虽然目前关于噬菌体治疗的临床试验还非常有限,但普遍认为皮肤感染和烧伤可能是比较容易获得临床疗效的尝试,而器官内的感染如果没有很好的转运系统将噬菌体传送到感染部位,治疗效果将无法保证。

1.噬菌体的治疗作用

与抗生素治疗相比,利用噬菌体进行治疗理论上不易产生耐受。抗生素治疗必须达到一定的血药浓度,往往需要重复多次给药,这一过程常会引起细菌突变的积累,发展成耐药。大多数噬菌体治疗研究只须应用一次噬菌体,之后借助噬菌体自身的繁殖能力就能保证获得足够数量的噬菌体,因而不存在上述问题。对噬菌体产生耐受性常涉及多种机制,如质粒介导的抗性、细菌通过改变膜结构对噬菌体耐受等。此外,噬菌体治疗也有明显的不足,如自身的生物变异,噬菌体在接受治疗的机体内可发生变异从而导致其对分枝杆菌亲噬性的改变,失去治疗作用。噬菌体还会带来毒力的水平传播,如传播毒性蛋白、毒性增强蛋白或抗生素抗性基因。口服噬菌体不能耐受胃酸,而静脉应用的噬菌体常在短时间内被单核-吞噬细胞系统清除。考虑到单核-吞噬细胞系统起作用必须通过识别噬菌体表面蛋白,有研究者通过筛选噬菌体突变体获得了逃避单核-吞噬细胞系统清除的噬菌体,并证明在循环系统内存在时间长的噬菌体可以在体内增殖,且疗效远优于野生型。1981年,Sula等用DS-6A 噬菌体治疗豚鼠脾、肺、肝部病灶出现好转,另有研究显示噬菌体治疗对豚鼠血行播散型结核病有治疗作用,但作用明显弱于单用异烟肼。结核分枝杆菌感染期间,噬菌体很难通过循环系统到达细菌周围,而为提高噬菌体数量进行的持续体外注射会导致动物发生免疫反应,有学者正在研究能便利地将噬菌体运送到结核分枝杆菌周围的策略。

显然,现在评价分枝杆菌噬菌体对结核病的治疗作用还为时过早,但耐多药结核菌株的出现以及艾滋病的流行,使得这一领域非常值得探讨。噬菌体治疗必须面对几个问题:①噬菌体特异性宿主范围。只有应用的噬菌体对机体感染的细菌有特异性,才有可能显示疗效。②机体对噬菌体的免疫反应。肌内注射噬菌体容易引发机体产生抗体,而口服噬菌体又不能耐受胃酸。③噬菌体裂解细菌,产生大量有毒物质,导致机体发热甚至死亡。④噬菌体容易被网状内皮系统清除,剩余噬菌体量不足以产生治疗作用。⑤病原菌对噬菌体可能产生耐受,因而在使用噬菌体前必须常规进行噬菌体敏感试验,因此联合应用不同的高效杀菌的噬菌体,并且不同噬菌体有不同的耐药机制,应是未来尝试的方向。然而,对结核分枝杆菌具有亲噬性的噬菌体数量比较有限,因此需要不断发现新型噬菌体,以克服噬菌体耐受。

除了结核病的治疗,应用噬菌体进行预防性治疗也是一个非常值得尝试的研究方向。结核病患者的密切接触者,是否可以通过雾化吸入一些分枝杆菌噬菌体,以此杀灭进入上呼吸道的结核分枝杆菌从而阻碍感染的发生。因为传染发生时感染的菌量往往非常低,而且雾化吸入直接将噬菌体吸入上呼吸道,解决了噬菌体与细菌直接接触的问题。鉴于噬菌体治疗的安全性较好,噬菌体预防性治疗具有可操作的空间。

2.噬菌体成分的抗结核研究

分枝杆菌最特殊的结构特点是其复杂的细胞壁结构,富含丰富的脂质,其中有些脂质成分是分枝杆菌所特有的。细胞壁对细菌存活和毒力至关重要,因此针对细胞壁合成的抗结核药物如异烟肼和链霉素都具有很好的抗结核活性。这种抗结核机制是否可以外推到能够降解分枝杆菌细胞壁的蛋白酶;噬菌体合成的裂解分枝杆菌细胞壁的蛋白成分是否可用于抗结核治疗;应用完整的噬菌体治疗存在诸多的缺陷,以噬菌体中发挥裂解作用最关键的成分用于抗结核治疗是否可行;分枝杆菌噬菌体裂解蛋白的研究为新药研发打开了一条新的思路。尽管分枝杆菌噬菌体的数量庞大,但关于噬菌体菌体成分的研究主要集中于几种分枝杆菌噬菌体,尤以研究Ms6和D29噬菌体的成分最为多见。

分枝杆菌细胞壁最不同寻常的特点是脂质含量非常高(超过细胞壁质量的60%),这种结构特点导致分枝杆菌能够限制营养成分、抗生素、炎性因子的入侵,并由此成为了细菌的一种毒力成分。分枝杆菌噬菌体完成一个裂解过程,必然会破坏细菌的细胞壁释放出子代病毒,因此噬菌体必然有成分能够实现对细胞壁的破坏作用。Ms6噬菌体作为一种模式噬菌体,其裂解的发生机制被研究的最清楚。Ms6裂解系统基因簇共包括5个编码基因,分别命名为 gp1 gp5 。其中 gp2 编码的LysA是一种细胞内溶素,是肽聚糖水解酶,在噬菌体增殖周期的末期合成; gp3 编码的LysB蛋白具有降解脂质的功能;其他3个基因编码蛋白主要对这两个蛋白的分泌和发挥作用起调节作用。不同种的噬菌体并不一定具备所有这5种蛋白,但LysA却在所有基因组序列已经阐明的噬菌体中都存在。噬菌体破坏细胞壁包括三个步骤:首先,蛋白破坏了细胞膜的完整性。之后,细胞内溶素进入细胞壁内部发挥其对肽聚糖的分解作用。最后,LsyB通过水解外膜与阿拉伯半乳聚糖间的连接,发挥脂解外膜的作用。由此看来,分枝杆菌噬菌体的LsyA和LysB在裂解结核分枝杆菌的过程中发挥着至关重要的作用。

细胞内溶素与噬菌体基因编码的其他可水解肽聚糖的酶存在明显的差别,比如病毒体相关裂解酶(virion associated lysins,VALs)。VALs的作用是将噬菌体尾部成分结合到结核分枝杆菌的细胞壁上,从外部消化细胞壁,使噬菌体可将基因组注入细胞内,比如噬菌体TM4的尾部溶菌酶就属于VALs。在基因组中, lysA 位于裂解系统基因簇中,而VALs一般位于结构基因所在区域。在噬菌体基因组编码的所有蛋白中,细菌内溶素可能是唯一功能明确、所有的噬菌体都具备的裂解蛋白,而且噬菌体的这种胞内裂解细菌的功能是其完成增殖周期必需的功能,当噬菌体缺乏这种功能时将不能够存活。对于LysB,在350种完成全基因组测序的噬菌体中,有325种存在 lysB 编码基因,并且都位于溶解系统编码基因簇中,在 lysA 下游。

应用细胞内溶素治疗革兰氏阳性菌感染具有比较好的前景,但对于革兰氏阴性菌,细菌肽聚糖层外的细胞壁外膜阻碍了细胞内溶素与肽聚糖的直接接触。结核分枝杆菌虽然属于革兰氏阳性菌,但其肽聚糖层外也有细胞壁外膜,因而细胞内溶素需要一些结构的改造,才有可能很好地发挥作用。尽管如此,一些应用细胞内溶素直接抑制细菌的试验也显示出一定的抑菌效果,比如Ms6噬菌体的细胞内溶素能够直接抑制耻垢分枝杆菌、偶发分枝杆菌和金色分枝杆菌的生长,也有研究发现细胞内溶素对体外和细胞内的耻垢分枝杆菌均发挥了抑菌作用,推测可能是LysA在细胞分裂过程接触到分隔处新合成的肽聚糖从而发挥了作用。对于LysB抑制分枝杆菌的研究比较少,但对体外和细胞内耻垢分枝杆菌的抑制作用研究中,获得了与LysA类似的结果。关于LysA和LysB如何发挥抑菌作用的机制还有待探讨。前期有研究用Ms6的LysB纯化蛋白预处理分枝杆菌后,细菌与携带肽聚糖结合位点的蛋白结合能力明显提高,表明LysB确实能够破坏细胞外膜,使内部的肽聚糖暴露。因此,单独应用LysB,或与LysA联合使用,或与抗结核药物联合使用,是一个值得尝试的方向,尤其对于耐药结核分枝杆菌。同时,LysB还可以水解分枝杆菌细胞外膜上的脂质,如海藻糖二霉菌酸酯,这些脂质与细菌的毒力有关,因此LysB可以降低细菌的致病力。

虽然应用噬菌体成分抑制或杀灭分枝杆菌的研究还非常局限,已经获得的数据显示可能有效,但仍然存在诸多问题,比如如何将溶菌蛋白运送到细胞内的病原体周围。其他细菌研究已经证实,有些溶菌素可以透过上皮细胞清除内部的细菌,但对于结核分枝杆菌感染,如何克服困难将溶菌蛋白运送到感染部位仍然是个难题。已有报道应用纳米技术运送抗生素和其他抗菌物质,包括细菌内溶素,这种方式有可能促进噬菌体溶菌成分作为一种新型的抗结核药物应用于临床。噬菌体溶菌成分用于抗分枝杆菌感染治疗至少比应用完整噬菌体治疗有一个明显优点,噬菌体对宿主的亲噬特异性限制了其使用的广泛性,而溶菌成分却不存在这样的限制。

(五)分枝杆菌噬菌体用于抗结核药物新药筛选的研究

噬菌体可以反映细菌生长状态的特点除了使其能够用于结核分枝杆菌药物敏感性检测,也使其在新药研发方面有一定的应用价值。传统的药物筛选方法由于结核分枝杆菌生长缓慢而存在很多困难,荧光素酶报告噬菌体法可自动、快速、简便地检测和发现新的抗结核药物。该方法可以在几小时内迅速检测利福平、链霉素对结核分枝杆菌的作用,对异烟肼、乙胺丁醇的检测需要2~3天。检测可于96孔板上进行,并可以自动化,因而有利于进行大批量的样品筛选。由于这种荧光噬菌体同时可以感染结核分枝杆菌以外的某些分枝杆菌,因而用这种方法在样品中发现的分枝杆菌是否是结核分枝杆菌还需要证实,否则将导致误诊。Riska等将一种称为NAP 的物质与 Fflux 基因耦联,NAP可以选择性地抑制结核分枝杆菌生长,而并不抑制非结核分枝杆菌产生荧光,由此判断所检测到的是否为结核分枝杆菌。

三、结语

分枝杆菌噬菌体被发现的70多年来,对人类了解分枝杆菌和结核病做出了很大的贡献。虽然噬菌体近年来在流行病学研究中所起的作用有所减少,但它应用于遗传进化领域的研究才刚起步;分枝杆菌噬菌体作为一种分枝杆菌基因工程研究的有效工具,在今后分枝杆菌功能基因组的研究中将有不可代替的作用;尽管目前噬菌体技术在结核病诊断方面的应用仍然不理想,但对噬菌体的不断改造有可能解决目前技术存在的缺陷,使其具备应用于临床的价值。不仅如此,分枝杆菌噬菌体DNA重组技术在结核病基础研究领域存在着巨大的应用前景,为研究结核分枝杆菌的抗药性机制、保护性和致病性抗原决定簇、细胞壁的结构和生物合成、基因调控机制等提供了高效的研究工具。

(黄海荣) jSc9UvbgTlNGm5LBmM426TicoxfOeVmMwjmuzBo60KpoC8LYmMiuGTlDwHPRplEI

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