在人或動(dòng)物的腸道、口腔及生殖道內(nèi)，普遍存在著一種“共生菌”——糞腸球菌。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，由于新型抗生素的研制速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上耐藥菌的進(jìn)化速度，部分糞腸球菌耐藥性嚴(yán)重，逐漸演變成“超級(jí)細(xì)菌”。
俗話說(shuō)“一物降一物”，“超級(jí)細(xì)菌”的天敵又會(huì)是誰(shuí)呢?來(lái)自福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、南方生物醫(yī)學(xué)研究中心歐陽(yáng)松應(yīng)教授認(rèn)為，噬菌體或能做到。日前，他們課題組在國(guó)際病原學(xué)雜志《公共科學(xué)圖書(shū)館-病原體》上發(fā)表研究稱，一個(gè)結(jié)構(gòu)類似“八爪魚(yú)”的裂解酶“LysIME-EF1”，能夠高效裂解多種糞腸球菌臨床株，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。
歐陽(yáng)松應(yīng)表示，“LysIME-EF1”可以作為生物前體，用來(lái)開(kāi)發(fā)針對(duì)糞腸球菌臨床株的生物藥物，最終解決攻克耐藥細(xì)菌的難題，而噬菌體療法有望成為人類對(duì)抗細(xì)菌的最后一道防線。
細(xì)菌越來(lái)越“聰明” 進(jìn)化出一系列“逃生”策略
糞腸球菌是一種革蘭氏陽(yáng)性菌，又名糞鏈球菌，可引起人的心內(nèi)膜炎、菌血癥、泌尿道感染及腦膜炎等多種疾病。在需氧革蘭氏陽(yáng)性菌導(dǎo)致的醫(yī)院內(nèi)感染中，其致病率僅次于葡萄球菌。在全球范圍內(nèi)每年由于糞腸球菌感染而導(dǎo)致死亡的人數(shù)高達(dá)1.7萬(wàn)，并且還在逐年攀升。
近年來(lái)，由于抗生素的長(zhǎng)期和大量不規(guī)范使用，糞腸球菌獲得性耐藥性不斷上升，治療糞腸球菌感染日益困難。“細(xì)菌耐藥性又稱抗藥性，是指細(xì)菌暴露于抗細(xì)菌藥物(如常用的抗生素)時(shí)發(fā)生改變，使得這些藥物逐漸失去效果，不能發(fā)揮抗菌作用。”歐陽(yáng)松應(yīng)說(shuō)。
據(jù)介紹，糞腸球菌長(zhǎng)期對(duì)抗藥物，已經(jīng)越來(lái)越“聰明”，進(jìn)化出一系列“逃生”策略：能通過(guò)改變青霉素結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)，降低與青霉素的親和力使藥物失效，來(lái)“逃避”被殺死的命運(yùn);能編碼產(chǎn)生青霉素酶來(lái)降解青霉素，實(shí)現(xiàn)對(duì)青霉素這類抗生素的耐藥性;它還能形成生物包被膜，將自己緊緊包裹在膜內(nèi)，從而使藥物作用失敗。
究其原因，歐陽(yáng)松應(yīng)分析，對(duì)抗糞腸球菌藥物大多數(shù)為多年前所研發(fā)，更新?lián)Q代速度慢;有些糞腸球菌在形態(tài)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生耐藥性變化，同時(shí)糞腸球菌耐藥機(jī)理研究不透徹，缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)藥物開(kāi)發(fā)。因此，目前急需解決的問(wèn)題是徹底了解糞腸球菌耐藥機(jī)理，為藥物研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
“隨著細(xì)菌耐藥性問(wèn)題的日益突出，特別是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)定2020年起飼料中全面禁止添加抗生素，尋找新的抗菌制劑已刻不容緩。”歐陽(yáng)松應(yīng)表示，而噬菌體及其裂解酶，因具備高效殺菌能力，被譽(yù)為糞腸球菌的“天敵”。
“撕碎”細(xì)菌細(xì)胞壁 噬菌體及其裂解酶成抗菌“生力軍”
噬菌體及其裂解酶為什么能抗菌?其抗菌機(jī)理與現(xiàn)有藥物有什么不同?
歐陽(yáng)松應(yīng)告訴科技日?qǐng)?bào)記者，噬菌體是指能夠“吃”細(xì)菌的一些病毒，它在地球的每個(gè)角落隨處可見(jiàn)，在泥土、動(dòng)物內(nèi)臟、人類手上等，都可以找到噬菌體的蹤影。“幸運(yùn)的是，它對(duì)人體無(wú)害，只能專門以細(xì)菌為生。而且每種噬菌體幾乎只‘吃’一種細(xì)菌，因此它們能靶向特異的致病細(xì)菌。同時(shí)，它有自限性，一旦針對(duì)的細(xì)菌群被消滅，其數(shù)量將銳減，不會(huì)在體內(nèi)大量存活。”歐陽(yáng)松應(yīng)說(shuō)。
裂解酶即噬菌體的“嘴巴”，它的作用在于撕碎細(xì)菌的細(xì)胞壁，在與細(xì)菌細(xì)胞壁接觸的數(shù)秒內(nèi)，就可以“撕碎”細(xì)菌細(xì)胞壁，并能高效裂解多種細(xì)菌。據(jù)歐陽(yáng)松應(yīng)介紹，由于噬菌體是病毒，它對(duì)細(xì)菌的攻擊是“物理攻擊”，產(chǎn)生耐藥性的可能性遠(yuǎn)小于抗生素，因而不存在抗藥性問(wèn)題，故可作為一種潛在的抗菌藥物，而且制備效率高、費(fèi)用低。
早在上世紀(jì)70年代，就有科學(xué)家用噬菌體療法，治好了500例因抗生素使用過(guò)度導(dǎo)致菌群失調(diào)的嬰幼兒。這些孩子們因患敗血癥或肺炎, 接受2到3周抗生素治療后，導(dǎo)致體內(nèi)發(fā)生菌群失調(diào), 出現(xiàn)腹瀉、體重減輕等現(xiàn)象。經(jīng)噬菌體及雙歧桿菌治療后, 從腹瀉癥狀減輕和體重增加情況來(lái)看, 所有患兒的癥狀都有明顯臨床改善。
當(dāng)前，國(guó)內(nèi)關(guān)于噬菌體裂解酶的研究起步較晚，大部分研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段。本次研究中，歐陽(yáng)松應(yīng)團(tuán)隊(duì)分離獲得噬菌體“IME-EF1”，并找到該噬菌體的裂解酶基因，將該裂解酶命名為“LysIME-EF1”。研究發(fā)現(xiàn)，“LysIME-EF1”能夠裂解從臨床上分類的多種糞腸球菌。
結(jié)構(gòu)似“八爪魚(yú)” 具備捕殺糞腸球菌超能力
相比其他病菌，糞腸球菌對(duì)環(huán)境適應(yīng)力和抵抗力強(qiáng)，如在被裂解的過(guò)程中，容易形成生物包被膜，裂解酶從外部需要突破包被膜，才能直接作用于細(xì)菌。同時(shí)，該病菌細(xì)胞壁較厚，所需裂解時(shí)間稍長(zhǎng)。面對(duì)如此“狡猾”的對(duì)象，“LysIME-EF1”如何捕殺糞腸球菌?
歐陽(yáng)松應(yīng)團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)，“LysIME-EF1”由一個(gè)水解細(xì)菌細(xì)胞壁的功能域和一個(gè)結(jié)合細(xì)菌細(xì)胞壁的功能域組成。結(jié)合功能域像一個(gè)八爪魚(yú)的“吸盤”，由4個(gè)分子組成，它能牢牢地吸住“獵物”糞腸球菌。而水解功能域呈現(xiàn)球狀，像八爪魚(yú)的“頭部”連在“吸盤”上，中間通過(guò)柔性“脖子”連接。當(dāng)“吸盤”吸住獵物后，球狀“嘴巴”便通過(guò)柔性“脖子”吃掉獵物。
“‘LysIME-EF1’能夠高效裂解，與其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性密不可分。”歐陽(yáng)松應(yīng)進(jìn)一步解釋，與其他裂解酶不一樣的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，提高了它與細(xì)菌的結(jié)合能力，并且結(jié)構(gòu)上的4個(gè)分子和催化功能域都是由一個(gè)基因編碼，而其他裂解酶結(jié)合功能域只有一個(gè)分子，這賦予“LysIME-EF1”高效裂解多種糞腸球菌臨床株的超能力，催化活性和裂解范圍比其他的裂解酶高效和寬廣。
歐陽(yáng)松應(yīng)團(tuán)隊(duì)還通過(guò)流式細(xì)胞分篩技術(shù)及細(xì)菌裂解實(shí)驗(yàn)，找到了裂解酶“LysIME-EF1”與細(xì)胞壁結(jié)合的關(guān)鍵位點(diǎn)，填補(bǔ)了相關(guān)機(jī)制研究的空白。裂解酶與細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)合過(guò)程是裂解酶發(fā)揮裂解活性必不可少的一個(gè)步驟，由于細(xì)菌細(xì)胞壁成分復(fù)雜，一直以來(lái)，很難徹底了解裂解酶是如何結(jié)合到細(xì)菌細(xì)胞壁。他們通過(guò)分析裂解酶“LysIME-EF1”的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其底部“吸盤”結(jié)構(gòu)帶有正電荷，推測(cè)可能與細(xì)胞壁上某些帶負(fù)電荷的組分結(jié)合。他們進(jìn)一步開(kāi)展系列實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了他們的推測(cè)并找到了關(guān)鍵結(jié)合位點(diǎn)。
“針對(duì)這些位點(diǎn)，我們可以開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)提高裂解酶與細(xì)菌細(xì)胞壁的結(jié)合能力來(lái)提高裂解活性。”歐陽(yáng)松應(yīng)表示，他們打算根據(jù)這個(gè)裂解酶的結(jié)構(gòu)特征，采用計(jì)算機(jī)模擬的方法，確定能與其結(jié)合的底物，從而拓展它的應(yīng)用。
歐陽(yáng)松應(yīng)告訴記者，他們的研究首次從結(jié)構(gòu)和功能角度闡明了“LysIME-EF1”的作用機(jī)理，對(duì)開(kāi)發(fā)針對(duì)糞腸球菌臨床株的生物藥物具有重要意義。目前，這種裂解酶對(duì)近30株臨床上引起尿道感染、敗血癥、化膿性腹部感染等的致病性糞腸球菌，都擁有很高的裂解活性。下一步，團(tuán)隊(duì)將根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)信息，開(kāi)展裂解酶“LysIME-EF1”的改造工作，擴(kuò)寬裂解譜，同時(shí)建立相關(guān)動(dòng)物模型，加快臨床研發(fā)的進(jìn)程。
