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先讲一个“伤寒玛丽（TyphoidMary）”的故事。1900年，独自移民到美国的爱尔兰人玛丽·马龙（MaryMallon）成为一名厨师。据不完全统计，期间她累计造成53人感染伤寒、3人死亡[1]。

当地健康部门调查后发现，玛丽很有可能是疾病带原者，而她所烹制的饮食是致使周围人感染的主要原因。在那个抗生素未被发现的年代，伤寒热的致死率可达20%，最终她被强制隔离拘禁达26年，直到69岁时因患肺炎死在孤岛上。然而，验尸结果显示她的胆囊中有大量活体伤寒杆菌。

▲图|1909年“伤寒玛丽”在报纸上的插图（来源：维基百科）

据介绍，“玛丽造成的问题部份乃肇因于她不顾一切地否认自身的处境，即使身上带有足以致命的病原体，她仍保持健康状态，且毫无感染过伤寒的纪录。但有些学者的研究认为，‘伤寒玛丽’所受待遇，与因其低下阶层爱尔兰裔移民的出身背景以致遭歧视不无关系。过去有段时间，人们以‘伤寒玛丽’称呼类似玛丽·马龙这种身为带原者却拒绝采取适当防范措施的人，由于该词具有部分歧视、讽刺意味，现在一般将带有病原体却没有症状的人称为‘带原者’。”[1]

事实上，细菌感染在生活中非常常见。例如，食用沙门氏菌含量超标的食物会导致腹泻；急性志贺氏细菌感染会导致痢疾；暴露性伤口感染后会导致菌血症等。

在玛丽之后，20世纪中期青霉素的发现，开启了抗生素应用的热潮，研究者们开始尝试使用抗生素来清除细菌。1944年，第二种抗生素链霉素的分离，有效治愈了结核。1947年，氯霉素也被发现、并主要用于痢疾治疗。1948年，科学家们发现了最早的广谱抗生素——四环素。

抗生素的使用，大大提高了细菌清除效率。但过度依赖抗生素所导致的滥用，却带来了细菌向耐药表型转化的危机。

近年来，耐药性细菌的清除愈加困难。临床上臭名昭著的细菌，例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA，Methicillin-resistantStaphylococcusaureus）、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯杆菌等带来的感染，依旧非常顽固。

并且，一些细菌可以胞内定殖，即细菌会主动、或在受到环境压迫情况下入侵细胞，从而抑制细胞凋亡、自噬、内体形成、以及吞噬溶酶体的成熟和酸化等，借此抵抗宿主细胞的防御机制。这会造成非复制型的定殖，即等到环境合适时细菌会再次复制。

所以，即便已经清除掉游离的细菌，但这种机制的存在使得一部分细菌能在人体或动物体内长期定殖，最终造成反复感染。故针对细胞内寄生细菌的清除势在必行。

噬菌体的发现其实早于抗生素。早在1917年，法裔加拿大微生物学家费利克斯·德赫勒（Félixd'Hérelle）就分离出了志贺氏菌的噬菌体，并将其正式命名为“Bacteriophage”。

但由于生产、纯化等各个方面的限制，噬菌体在抗生素被发现后就逐渐被淡忘，直到近些年抗生素耐药细菌的出现，才重新让噬菌体的研究又进一步发展起来。

噬菌体，是一类寄生于细菌、真菌等宿主身上繁殖的病毒。高中课本图片里的经典噬菌体，便是寄生于大肠杆菌的T4噬菌体，它具有二十面体的头部和尾部，尾部会结合宿主细菌表面，后将遗传物质注入细菌，利用细菌复制、并通过裂解细菌来释放子代，这就是典型的裂解型噬菌体，一直以来常被用于细菌清除。

噬菌体作为抗菌剂，具有特异性好、裂解能力强等优点。并且，耐抗生素的细菌往往对噬菌体敏感，故人们常常会将噬菌体和抗生素联合使用。

但是，它和抗生素具有一样的短板，即噬菌体虽能通过被吞噬、受体识别、挟持细菌作为特洛伊木马等方式进入真核细胞，但在之后会被细胞消化清除，进而难以保持活性，自然也就无法针对细胞内寄生细菌发挥作用。

通过定向修饰噬菌体，有效清除细胞寄生菌

基于这一难题，上海交通大学分子医学研究院&上海市肿瘤研究所研究员和团队，采用定向修饰噬菌体的方法，对细胞寄生菌实现了有效清除。

▲图|刘尽尧（来源：）

目前，噬菌体在细菌防治上的应用，主要针对物品、食品以及家畜方面。课题组的验证，目前做到了小鼠动物。为了后续的成果转化，其可能考虑从家禽方面入手。

鸡、鸽子等家禽的沙门氏菌感染，是比较常见、且传染性强的疾病，不仅会影响家禽自身健康，也会损害饲养人的经济利益，更会给消费者健康造成隐患。

就沙门氏菌感染带来的问题，课题组还考虑通过本次修饰手段，彻底清除动物肠道内胞内菌，以避免反复爆发的家禽患病，从而改善家禽健康状况，降低消费者的患病几率。

具体到本次研究来说，旨在解决如下难题：一个是耐药性细菌的细胞内寄生感染难以清除；一个作为活的抗菌剂，噬菌体无法进入细胞发挥疗效。

该团队给出的“药方”是：采用定向修饰的方法，对噬菌体的头部进行阳离子聚合物聚乙烯亚胺（PEI，poly（ethyleneimine））的修饰。

▲（来源：ScienceAdvances）

一方面，这种修饰有助于噬菌体更好地进入真核细胞，并从内含体-溶酶体系统中逃脱出来从而保持活性；另一方面；这种修饰不涉及对其尾部的包覆，故不影响噬菌体本身的活性，在基本原理上也应用了有尾型噬菌体的头部和尾部的电荷差异。研究后期的体外实验和体内实验，也进一步验证了PEI修饰后的噬菌体，的确能更好地清除胞内细菌。

近日，相关论文以《Nanocapping使电荷反转产生细胞可进入的内体逃逸的噬菌体，用于细胞内病原体抑制》（）为题，发表在ScienceAdvances上。

▲图|相关论文（来源：ScienceAdvances）

孟露担任第一作者，中科院院士&上海交通大学化学化工学院教授和担任共同通讯作者。

投稿期间，两位审稿人不约而同地提出了相似的问题：即这种定向修饰的方式是否具有普遍适用性？

如前所述，修饰噬菌体的方法所基于的原理，是有尾型噬菌体头部和尾部的电荷差异。与正电的结合性尾部不同，噬菌体头部结构由蛋白质外壳和带负电荷的遗传物质组成。

此前也有研究利用了这种电荷差异，也就是通过电泳的方式，将噬菌体头部修饰在传感器介质上，利用露出的尾部进行游离细菌的捕获、传感和清除。

从结构分类上来说，噬菌体可分为有尾型和无尾型，自然界中已发现的噬菌体中95%都是有尾型。因此，此次修饰方式当然能被普遍用于有尾型噬菌体。

（来源：ScienceAdvances）

从医院下水道污水中提取噬菌体

表示：“我们在提取噬菌体时，遇到了不少困难。首先在取样时，要从小鼠粪便、健康人唾液、以及医院污水中提取。取污水的过程有些像从水井中打水，用绳子吊着离心管从井盖的孔洞中吊上来，非常有趣。”

提取期间，课题组也受到了上海交通大学医学院副院长教授课题组的副教授、及其学生的指点。

当时，团队的学生已经掌握了整个提取流程，但就是无法观察到明亮的噬菌斑。和秦老师联系后，对方非常爽快地同意前者去学习。

的学生刚去第一天就发现了不同：当使用上层琼脂混合噬菌体原液和细菌时，秦老师团队用的体积是4毫升，但是团队的用量却是15毫升。当时，这名学生就怀疑是用量太多导致噬菌斑被掩盖了。

回来后，学生马上重做试验，结果果真发现了明亮的噬菌斑。第二天带过去请秦老师的学生们观察，确定那就是噬菌斑，

至此，该团队才确定噬菌体已被提出。“仅仅是一个用量不同，就能导致如此大的差异，这非常令人印象深刻。我也在此感谢秦老师及其学生们慷慨无私的帮助。”说。

（来源：ScienceAdvances）

已申请专利，成果正在转化中

当然，噬菌体递送领域到噬菌体的提取，只是第一步。后面还有噬菌体的表面修饰、以及噬菌体的定向修饰。

课题组之前的研究方向是细菌的表面修饰与改造，针对噬菌体的研究可以说是完全没有背景。

但是，该团队在深入研究后发现，噬菌体的改造也很重要。以往领域内的研究主要集中于噬菌体的递送方面，因此对噬菌体进行微球包埋、微胶囊递送、干粉制剂制备成果已经非常丰富。而这些出色的递送工作，也给了他们不少启发。

例如，在递送噬菌体时，学界通常将其看作一种生物药物，强调的是增强它们整体抵抗环境压力（pH、温度等）的能力，以最终到达病灶部位的活噬菌体数量越多越好、或能够发挥更强的疗效作为标准。

这固然非常重要，但已被探究得非常彻底。所以，课题组就在想，能否像修饰细菌一样，对噬菌体这种纳米结构也进行表面个性化修饰？当然，他们从前人的研究成果中，还总结出了一个重点：修饰或者包埋不能影响噬菌体本身的活性。

（来源：ScienceAdvances）

研究完噬菌体递送之后，安排直博生孟露进行噬菌体的提取，通过阅读文献和长时间摸索，最终从医院下水道的污水中提取出一株沙门氏菌特异性的裂解型噬菌体，电镜表征出来的图片就是论文中展示的那样，具有二十面体的头部和尾部。

▲图|一株沙门氏菌特异性的裂解型噬菌体（来源：ScienceAdvances）

该团队的往期工作中曾用到L100-55，这是一种pH响应型聚合物。拿到噬菌体后，他们在想，既然在肠道碱性条件下，才会释放包在内部的细菌。那么，是否L100-55也能用于噬菌体的表面修饰？

尝试之后发现，对于噬菌体在酸性条件下的存活，被放置在小鼠体外的L100-55的确有帮助。但是，并未在小鼠体内实验中发现明显的效果。后通过调研文献推测，可能是灌胃量太少、以及灌胃次数不够。

在前人的工作中，当将噬菌体用于体内细菌感染清除时，研究者会连续给药，且给药量非常大。后来，针对此没有继续推进。他说：“有些遗憾，不过换了个思路仍然在做噬菌体肠道递送方面的工作，目前有一些成果，但还得继续研究。”

（来源：ScienceAdvances）

回归正题，初尝试受挫后，他们将目光转向胞内递送方面，结果发现该领域的探索空间很大，于是正式着手开干。

在制剂的制备上，课题组在多个条件下进行摸索，找到了一种既具有包裹效果、又不影响噬菌体活性的配比，接着一步步地往下验证。

最终，借鉴一篇Nature论文中提到的方法，并经改造之后，他们建立了小鼠肠道内沙门氏菌长期定殖的感染模型，并分别以灌胃PEI修饰后的噬菌体、灌胃缓冲液、以及裸噬菌体的小鼠作为对照。

（来源：ScienceAdvances）

“令人激动的是，最后收取小鼠器官时，被灌胃PEI修饰后的噬菌体的小鼠，其肝脏和肾脏明显变小。从以往经验来看，说明这两处的细菌所引起的免疫反应也比较小，因此细菌数量很可能也在降低。后续通过对组织的研磨涂板、以及菌落计数，也验证了我们的猜想，证明本次修饰方法的确有效。”说。

目前，该团队已申请相关专利，会考虑下一步的转化事宜。此外，在噬菌体表面修饰和递送方面，他们也在相继开展新工作。

参考资料：

1.https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E7%91%AA%E8%8E%89%C2%B7%E9%A6%AC%E9%BE%8D

2.Meng,L.,Yang,F.,Pang,Y.,Cao,Z.,Wu,F.,Yan,D.,&Liu,J.(2022).Nanocapping-enabledchargereversalgeneratescell-enterableendosomal-escapablebacteriophagesforintracellularpathogeninhibition.ScienceAdvances,8(28),eabq2005.

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