《Discover Life》：Invasive bacteriophages between a bell and a hammer: a comprehensive review of pharmacokinetics and bacterial defense systems
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本文聚焦噬菌体疗法，深入探讨噬菌体药代动力学（pharmacokinetics）和细菌防御系统。阐述了噬菌体在生物系统中的吸收、分布、代谢、消除过程，以及细菌如限制修饰（RM）系统、CRISPR-Cas 系统等防御机制，为优化噬菌体疗法提供重要参考。
### 噬菌体疗法面临的挑战与研究意义
微生物耐药性问题日益严峻，给临床和公共卫生带来极大威胁。噬菌体疗法作为潜在的治疗手段，有望解决这一难题。然而，其临床应用仍面临诸多挑战，深入研究噬菌体药代动力学和细菌防御系统对优化噬菌体疗法至关重要。
噬菌体概述
噬菌体是一类专门感染细菌的病毒，由核酸和蛋白质外壳构成，无完整细胞结构。因其高度的宿主特异性，能精准靶向特定细菌甚至同一菌种内的不同菌株。而且，噬菌体广泛存在且适应恶劣环境。尽管在治疗应用方面有所进展，但每种生产方法都有其难题。例如，包封噬菌体口服时在消化系统中留存时间更长、在酸性环境（pH 2.8）更稳定，不过制备过程复杂。
噬菌体疗法的给药方式与生物利用度
噬菌体疗法通过向患者施用裂解性噬菌体来裂解致病细菌。给药途径取决于感染部位，常见的有静脉注射、口服、局部应用、吸入和直肠栓剂等，但各有局限。
- 口服噬菌体疗法：虽因无创、成本低等优势被青睐，但面临消化和免疫系统的阻碍。噬菌体在胃肠道中会遭遇胃酸低 pH 环境、消化酶降解，还可能被抗噬菌体抗体中和，导致其难以到达感染部位。研究表明，肠道感染相关研究中，不同噬菌体疗效差异大，如针对产超广谱 β- 内酰胺酶（ESBL）且耐碳青霉烯类的大肠杆菌的新型噬菌体，在体内微生物载量减少效果不佳。
- 静脉注射噬菌体疗法：能使噬菌体高效吸收并扩散到血液中，耐受性良好且副作用小，适用于多种感染情况，如肺移植、囊性纤维化等。研究显示，静脉注射噬菌体鸡尾酒能有效降低肺部和血液中的细菌载量。
- 吸入式噬菌体疗法：主要用于呼吸道感染，可使噬菌体在靶区大量聚集。不过，需要合适的吸入器和稳定的噬菌体配方，且要确保噬菌体设计适合该给药方式，如气溶胶化液体颗粒大小对治疗效果影响关键。
- 局部噬菌体疗法：对于局部感染效果显著，如治疗皮肤感染和伤口愈合。研究发现，噬菌体联合水凝胶治疗铜绿假单胞菌感染比注射更有效，噬菌体负载的壳聚糖海绵能加速伤口愈合。
噬菌体的药代动力学
噬菌体的治疗动力学比抗生素复杂，因其能在易感细菌宿主内复制。它在药代动力学方面面临物理屏障、有效感染实现和细菌耐药性等挑战。
- 吸收：噬菌体从给药部位转移到靶组织的过程受其物理化学特性（如大小、形状）和靶组织细胞类型影响。口服时，噬菌体易被胃酸中和，生物利用度低；静脉注射则面临免疫化学屏障，可能被快速清除。研究表明，噬菌体吸收与剂量有关，大剂量可能导致其在血液中快速消除。
- 分布：噬菌体经注射进入血液后会分布到各器官组织，但不同器官对噬菌体反应不同，导致分布不均。研究发现，无论噬菌体菌株、剂量或给药途径如何，在非感染小鼠模型中，噬菌体常积聚在肝脏和脾脏。
- 代谢：噬菌体代谢主要涉及免疫系统的抵抗以及在器官内的激活、失活和排泄。血液中的噬菌体可能被自然抗生素和巨噬细胞作用，中性粒细胞对其灭活作用较小，且噬菌体在脾脏组织中能长时间保持活性。
- 消除：噬菌体主要经排泄排出体外，但因其颗粒较大（20 - 200nm），无法通过肾脏正常排泄，主要由肝脏清除。研究显示，注入血液的噬菌体大多被肝脏清除，肝脏窦状内皮细胞（LSECs）和枯否细胞（KCs）在清除过程中起重要作用。
细菌针对噬菌体的防御系统
细菌进化出多种防御系统来对抗噬菌体感染，这些系统协同发挥作用。
- 限制修饰（RM）系统：由限制内切酶（REase）和修饰甲基转移酶（MTase）组成。MTase 通过甲基化保护细菌自身 DNA，REase 识别并切割未甲基化的噬菌体 DNA，从而保护细菌基因组免受噬菌体入侵。在细菌基因组中，编码 MTase 的基因广泛存在。
- RM 系统与 CRISPR-Cas 系统的协同作用：RM 系统常与 CRISPR-Cas 系统共同防御噬菌体。噬菌体若想克服 CRISPR 免疫，携带抗 CRISPR（acr）基因的噬菌体需协同作用，但 RM 系统会限制未修饰噬菌体感染细菌。研究表明，噬菌体基因组的共价修饰可抵抗 RM 系统和 CRISPR-Cas 系统，如 T4 噬菌体基因组的修饰能使其对 CRISPR-Cas12a 系统产生抗性。
- 流产感染（Abi）系统：这是细菌在检测到噬菌体感染后启动的免疫策略，通过使被感染细胞在噬菌体复制周期完成前死亡，阻止噬菌体成熟和传播，保护细菌群体。Abi 系统可检测噬菌体感染的多种信号，如噬菌体基因组复制中间体、表达的蛋白质等。例如，乳酸乳球菌和大肠杆菌含有多种 Abi 系统，AbiZ 基因能破坏感染细胞的膜来防御噬菌体 phi31，大肠杆菌的 PifA 系统可使噬菌体 T7 感染流产。
- 介导流产感染的毒素 - 抗毒素（TA）系统：TA 系统在噬菌体感染早期处于休眠状态，感染发生时被激活。它不仅能诱导细胞自杀阻止噬菌体传播，还能使感染细胞进入持久状态，减缓病毒复制，为其他防御机制争取时间，与 RM 系统协同保护宿主细胞。TA 系统根据组成成分分为不同类型，如 I 型 TA 系统中，小 RNA 通过结合毒素 mRNA 抑制毒素翻译。
- 细菌的其他先天和获得性免疫：原核生物的 CRISPR-Cas 适应性免疫系统通过获取间隔序列靶向噬菌体和其他入侵的移动遗传元件（MGEs）。环境因素会影响细菌基于 CRISPR 的免疫能力，如铜绿假单胞菌 PA14 对噬菌体 DMS3vir 的免疫受环境影响。温和噬菌体可使细菌产生 “前噬菌体” 状态，编码多种抗噬菌体防御机制。此外，噬菌体诱导的染色体简约岛（PICMIs）是海洋细菌的一种适应性免疫，能保护宿主免受其他噬菌体感染。
结论
抗生素的选择性压力导致微生物耐药性问题严重，噬菌体疗法前景虽好，但面临诸多挑战。噬菌体药代动力学受多种因素影响，细菌免疫防御机制复杂多样。频繁高剂量使用噬菌体治疗可能促使细菌进化出更复杂的免疫反应。因此，深入研究噬菌体与细菌之间的相互作用，对推动噬菌体疗法的发展至关重要。
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