在人或動物的腸道、口腔及生殖道內(nèi)，普遍存在著一種“共生菌”——糞腸球菌。近年來研究發(fā)現(xiàn)，由于新型抗生素的研制速度遠遠趕不上耐藥菌的進化速度，部分糞腸球菌耐藥性嚴重，逐漸演變成“超級細菌”。
俗話說“一物降一物”，“超級細菌”的天敵又會是誰呢?來自福建師范大學生命科學學院、南方生物醫(yī)學研究中心歐陽松應(yīng)教授認為，噬菌體或能做到。日前，他們課題組在國際病原學雜志《公共科學圖書館-病原體》上發(fā)表研究稱，一個結(jié)構(gòu)類似“八爪魚”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)用價值。
歐陽松應(yīng)表示，“LysIME-EF1”可以作為生物前體，用來開發(fā)針對糞腸球菌臨床株的生物藥物，最終解決攻克耐藥細菌的難題，而噬菌體療法有望成為人類對抗細菌的最后一道防線。
細菌越來越“聰明” 進化出一系列“逃生”策略
糞腸球菌是一種革蘭氏陽性菌，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。在需氧革蘭氏陽性菌導致的醫(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致死亡的人數(shù)高達1.7萬，并且還在逐年攀升。
近年來，由于抗生素的長期和大量不規(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。“細菌耐藥性又稱抗藥性，是指細菌暴露于抗細菌藥物(如常用的抗生素)時發(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。”歐陽松應(yīng)說。
據(jù)介紹，糞腸球菌長期對抗藥物，已經(jīng)越來越“聰明”，進化出一系列“逃生”策略：能通過改變青霉素結(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“逃避”被殺死的命運;能編碼產(chǎn)生青霉素酶來降解青霉素，實現(xiàn)對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，歐陽松應(yīng)分析，對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，同時糞腸球菌耐藥機理研究不透徹，缺乏相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)指導藥物開發(fā)。因此，目前急需解決的問題是徹底了解糞腸球菌耐藥機理，為藥物研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。
“隨著細菌耐藥性問題的日益突出，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，被譽為糞腸球菌的“天敵”。
“撕碎”細菌細胞壁 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?其抗菌機理與現(xiàn)有藥物有什么不同?
歐陽松應(yīng)告訴科技日報記者，噬菌體是指能夠“吃”細菌的一些病毒，它在地球的每個角落隨處可見，在泥土、動物內(nèi)臟、人類手上等，都可以找到噬菌體的蹤影。“幸運的是，它對人體無害，只能專門以細菌為生。而且每種噬菌體幾乎只‘吃’一種細菌，因此它們能靶向特異的致病細菌。同時，它有自限性，一旦針對的細菌群被消滅，其數(shù)量將銳減，不會在體內(nèi)大量存活。”歐陽松應(yīng)說。
裂解酶即噬菌體的“嘴巴”，它的作用在于撕碎細菌的細胞壁，在與細菌細胞壁接觸的數(shù)秒內(nèi)，就可以“撕碎”細菌細胞壁，并能高效裂解多種細菌。據(jù)歐陽松應(yīng)介紹，由于噬菌體是病毒，它對細菌的攻擊是“物理攻擊”，產(chǎn)生耐藥性的可能性遠小于抗生素，因而不存在抗藥性問題，故可作為一種潛在的抗菌藥物，而且制備效率高、費用低。
早在上世紀70年代，就有科學家用噬菌體療法，治好了500例因抗生素使用過度導致菌群失調(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看, 所有患兒的癥狀都有明顯臨床改善。
當前，國內(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驗室階段。本次研究中，歐陽松應(yīng)團隊分離獲得噬菌體“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” 具備捕殺糞腸球菌超能力
相比其他病菌，糞腸球菌對環(huán)境適應(yīng)力和抵抗力強，如在被裂解的過程中，容易形成生物包被膜，裂解酶從外部需要突破包被膜，才能直接作用于細菌。同時，該病菌細胞壁較厚，所需裂解時間稍長。面對如此“狡猾”的對象，“LysIME-EF1”如何捕殺糞腸球菌?
歐陽松應(yīng)團隊在研究中發(fā)現(xiàn)，“LysIME-EF1”由一個水解細菌細胞壁的功能域和一個結(jié)合細菌細胞壁的功能域組成。結(jié)合功能域像一個八爪魚的“吸盤”，由4個分子組成，它能牢牢地吸住“獵物”糞腸球菌。而水解功能域呈現(xiàn)球狀，像八爪魚的“頭部”連在“吸盤”上，中間通過柔性“脖子”連接。當“吸盤”吸住獵物后，球狀“嘴巴”便通過柔性“脖子”吃掉獵物。
“‘LysIME-EF1’能夠高效裂解，與其結(jié)構(gòu)的獨特性密不可分。”歐陽松應(yīng)進一步解釋，與其他裂解酶不一樣的獨特結(jié)構(gòu)，提高了它與細菌的結(jié)合能力，并且結(jié)構(gòu)上的4個分子和催化功能域都是由一個基因編碼，而其他裂解酶結(jié)合功能域只有一個分子，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。
歐陽松應(yīng)團隊還通過流式細胞分篩技術(shù)及細菌裂解實驗，找到了裂解酶“LysIME-EF1”與細胞壁結(jié)合的關(guān)鍵位點，填補了相關(guān)機制研究的空白。裂解酶與細菌細胞壁的結(jié)合過程是裂解酶發(fā)揮裂解活性必不可少的一個步驟，由于細菌細胞壁成分復(fù)雜，一直以來，很難徹底了解裂解酶是如何結(jié)合到細菌細胞壁。他們通過分析裂解酶“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，推測可能與細胞壁上某些帶負電荷的組分結(jié)合。他們進一步開展系列實驗，結(jié)果驗證了他們的推測并找到了關(guān)鍵結(jié)合位點。
“針對這些位點，我們可以開展相關(guān)實驗，通過提高裂解酶與細菌細胞壁的結(jié)合能力來提高裂解活性。”歐陽松應(yīng)表示，他們打算根據(jù)這個裂解酶的結(jié)構(gòu)特征，采用計算機模擬的方法，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”的作用機理，對開發(fā)針對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，團隊將根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)信息，開展裂解酶“LysIME-EF1”的改造工作，擴寬裂解譜，同時建立相關(guān)動物模型，加快臨床研發(fā)的進程。
