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身患绝症、等待死亡时,一根烂茄子中的意外发现拯救了她

图片:斯潘塞

环球科学

接受治疗的患者伊莎贝尔·卡内尔(右二)与她的母亲(右一)。海伦·斯潘塞(左一)与格拉哈姆·哈特富尔(左二)是本文的两位主要研究者。(图片来源:斯潘塞)

来源 | STAT 等

编译 | 董依明 吴非

2010 年,南非德班。夸祖鲁·纳塔尔大学的本科生莉莉·霍尔斯特(Lilli Holst)正在刮一根茄子底部腐烂的果肉,这是一堂病毒课程的家庭作业——寻找噬菌体(能攻击细菌的病毒),而这种部分腐烂的蔬菜似乎正是找到它们的好材料。黑暗潮湿的腐烂果肉如同肥沃的土壤,大量肉眼不可见的食腐者在里面蠢蠢欲动。

把“土壤样本”放在显微镜下观察,仍是一派繁荣景象。霍尔斯特很快发现了她要寻找的东西:一种从未被描述过的噬菌体,它能杀死某些分枝杆菌。霍尔斯特给这个噬菌体起了个应景的名字——Muddy。之后,Muddy 沉睡在美国匹兹堡一座实验室的冰柜里,而这个学生继续她的生活,她拿到了更多的学位,在一家通信机构工作。她怎么也想不到的是,8 年之后,当年课程中的意外发现,不仅挽救了一位身患绝症的女孩,还可能为更多疾病的治疗带来革命。

 

生死边缘

 

2017 年 9 月,伦敦大奥蒙德街儿童医院的呼吸科专家海伦·斯潘塞(Helen Spencer)正在进行一场双肺移植手术。手术台上的 15 岁女孩名叫伊莎贝尔·卡内尔(Isabelle Carnell),她出生时就患有囊性纤维化,这是一种罕见的遗传性疾病,患者的粘液会堵塞胸部,让细菌有机会侵入。随着时间推移,卡内尔越来越难以呼吸。此外,为了抑制细菌感染,她从 7 岁起就持续使用了多种抗生素。最终,卡内尔的肺功能衰竭至正常人的三分之一,她不得不进行双肺移植才能生存。

手术本身并不复杂,为了防止伤口感染,医生向其血管注射了抗生素。但静脉注射药物让这个女孩出现了严重的恶心、腹泻和厌食,治疗不得不停止。

一周后,手术创面发红并出现了感染迹象。诊断结果为脓肿分枝杆菌Mycobacterium abscessus),它们与引起肺结核的分枝杆菌是近亲,正在她的体液、器官和皮肤中繁殖、蔓延。卡内尔全身多处出现了溃疡。雪上加霜的是,由于过去 8 年间卡内尔一直在使用抗生素,她体内的细菌早已具备极强的耐药性。因此,内科医生们尝试了所有的抗生素,但除了损害女孩的肝脏之外,对病情几乎没起什么作用。“当我看到患者伤口感染时,我很是沮丧,因为我知道这会带来什么,”斯潘塞说,“对这些孩子来说,这是一个折磨人的过程。”

在移植后的 9 个月里,斯潘塞目睹了这个侃侃而谈的女孩变成一个口齿不清的病人,医护人员也逐渐失去了信心。女孩无法进食,她被送回家,在朋友和宠物狗的陪伴中进行姑息治疗——这似乎是唯一能做的了。

这时,卡内尔的母亲仍不愿放弃。当常规治疗方案失效,她与向斯潘塞询问替代方案,并提到了噬菌体疗法

卡内尔与她的母亲(图片来源:Christian Sinibaldi/ 卫报)

 

噬菌体,就是可以摧毁细菌的病毒,作为医疗方案有着悠久的历史。在二战时,西方国家开始开发抗生素,而苏联仍倾向于使用“噬菌体疗法”。冷战时期,苏联人更难接触到西方世界最好的抗生素。为此,苏联投入巨资发展噬菌体疗法。但相比于广谱抗生素,单个噬菌体通常只会杀死一种细菌菌株,这意味着,针对一个人的治疗方法可能会对另一个感染了相同细菌的变种的人失效。因此,在很长一段时间内,噬菌体在大多数国家都属于边缘医学。但到了上世纪 90 年代,情况出现了变化。随着抗生素耐药性日益严重,西方研究者也开始认真看待噬菌体的作用。

斯潘塞本人不太了解噬菌体疗法,但医院里的病毒学家詹姆斯·苏西尔(James Soothill)医生向她们伸出了援手。上世纪 90 年代,苏西尔在格鲁吉亚首都第比利斯遇见了研究分枝杆菌噬菌体的遗传学家格拉哈姆·哈特富尔(Graham Hatfull)。

 

噬菌体宝库

 

哈特富尔任职于匹兹堡大学,他是一位“噬菌体狂人”。此前,他参与开展了一项全球性的噬菌体项目:世界各地的学生在实验室分离并识别噬菌体,这样他们在学习生物学知识的同时,也扩展了人类对病毒的认识。包括 Muddy 在内,上万种沉睡在哈特富尔实验室冷柜内的新型噬菌体,就是这个项目的丰硕成果。

所以,在 2017 年,当斯潘塞告诉苏西尔有关那个女孩的病情时,苏西尔给哈特富尔实验室发了封邮件。哈特富尔答应,将找到能帮助那个英国女孩的噬菌体。

苏西尔寄来了正在侵蚀女孩生命的细菌的样本。但问题是,噬菌体简直是出了名的挑剔,它们只对特定菌种的特定菌株起作用。而且,哈特富尔实验室中的噬菌体大多数是针对耻垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis)的,与病人体内的脓肿分枝杆菌不同。

为了扩大筛选范围,哈特富尔还让实验室成员收集了更多土壤和污泥。他们从花坛和肥料堆中取了土壤样本,从养鸡场和养鸭场收集了大量的粪便。哈特富尔说,他们需要从上万种噬菌体中筛选出 50 到 100 种最好的,然后再进行单独筛选,以确定它们对脓肿分枝杆菌的杀伤力。

 

最终,他们找到的唯一能起作用的噬菌体,就是 Muddy。

 

当然,研究到这里还没有结束。哈特富尔担忧的是,用单一噬菌体进行治疗将使细菌迅速演化出耐药性。他需要至少两种噬菌体,才能结合形成“鸡尾酒疗法”。

既然从上万种噬菌体中只能找到一种有效的答案,那么研究团队又将如何找到鸡尾酒中的另一种成分?哈特富尔想到了改造噬菌体。

哈特富尔团队知道,存在一些对病人体内菌株起作用的噬菌体,但是它们过于温和,不足以杀死菌株:一些噬菌体和平地将遗传信息挤进细菌;而另一些可能造成了一些破坏,但在充满细菌的培养皿中几乎没留下杀戮的痕迹。

为了增强它们杀灭细菌的能力,他们从中选取一些噬菌体,通过基因改造重新排列其遗传物质。哈特富尔说:“当抑制其噬菌能力的 DNA 被删除,噬菌体就会像繁殖迅速的兔子,在细菌内自由繁殖,很快就会使宿主细胞破裂死亡。”

最终,他们选出了两个经过基因改造的噬菌体——BPs 和 ZoeJ,与 Muddy 共同构成了为卡内尔定制的噬菌体“鸡尾酒”。

参与此次治疗的三种噬菌体,从左至右依次为 Muddy、BPs 和 ZoeJ(图片来源:研究论文)

 

浴火重生

 

药物被送至伦敦。2018 年 6 月,人类首次基因改造噬菌体治疗在卡内尔身上进行。药物首先应用在卡内尔的手术创面,随后又被注射进血液。6 周后,感染几乎消失了。然而,轻微的感染仍然存在,因此,她仍然每天接受两次注射。

慢慢地,女孩胸部的创面开始愈合,发红的迹象也渐渐消失。皮肤上因感染出现的肿块变平成了疤痕。检查发现,细菌从她的血清和痰中消失了,器官中的菌落也在减少。近一年后,虽然还需要治疗,但卡内尔已经可以正常地生活了,上学、和朋友一起购物,甚至还学了开车。

治疗前(左图)、后(右图),卡内尔皮肤的对比。(图片来源:研究论文)

 

不过,警报并没有完全解除。从女孩残余的皮肤肿块中的液体里,研究人员还是检测出了耐药性。斯潘塞对此很是担心。为此,哈特富尔一直在寻找新的噬菌体,从而为可行的未来治疗做好准备。

对哈特富尔来说,该案例的成功,并不意味着其他基因改造噬菌体的疗法一定会是简单、有效或安全的。进一步的研究发现,这次特制的组合药物也无法对其他脓肿分枝杆菌菌株起作用。尽管如此,这次成功还是鼓舞了噬菌体研究人员。他们相信,噬菌体有望成为全球细菌耐药性危机的答案,尤其是肺结核。肺结核由与脓肿分枝杆菌同属的另一种细菌引起。哈特富尔说:“如果我们能用噬菌体来简化、改进、缩短结核病治疗,将抗生素耐药性的几率降到最低,这将带来巨大的影响。这个案例让我们看到一道曙光。”

这项研究也让从事类似个性化噬菌体疗法的公司看到了前景。多个公司正在研发噬菌体鸡尾酒疗法——一些是个性化的,一些是预先组合好的;有天然的,也有经过基因改造的。至少三项试验正在进行,以严格评估针几种不同细菌感染的潜在产品价值。不过,目前仍缺少足够的临床试验。

这项研究只是噬菌体治疗的一小步,但对卡内尔来说,这是人生的一大步。而当故事开头的霍尔斯特听说,自己当年无意间的发现延长了另一位女孩的生命,她的兴奋来得更加直接。毕竟,谁会想到故事是从一根烂茄子开始的呢?

 

原始论文:

Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus

doi.org/10.1038/ s41591-019-0437-z

 

参考链接:

statnews.com/2019/05/08

sciencemag.org/news/201

eurekalert.org/pub_rele

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