在人或動物的腸道、口腔及生殖道內，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，一個結構類似“八爪魚”的裂解酶“LysIME-EF1”，能夠高效裂解多種糞腸球菌臨床株，具有巨大的潛在應用價值。
歐陽松應表示，“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)院內感染中，其致病率僅次于葡萄球菌。在全球范圍內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合蛋白的結構，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，從而使藥物作用失敗。
究其原因，歐陽松應分析，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)結構上產生耐藥性變化，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。
“隨著細菌耐藥性問題的日益突出，特別是農業(yè)農村部規(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，不會在體內大量存活。”歐陽松應說。
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，就可以“撕碎”細菌細胞壁，并能高效裂解多種細菌。據(jù)歐陽松應介紹，由于噬菌體是病毒，它對細菌的攻擊是“物理攻擊”，產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，導致體內發(fā)生菌群失調, 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，國內關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。
結構似“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合細菌細胞壁的功能域組成。結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，與其結構的獨特性密不可分。”歐陽松應進一步解釋，與其他裂解酶不一樣的獨特結構，提高了它與細菌的結合能力，并且結構上的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。
歐陽松應團隊還通過流式細胞分篩技術及細菌裂解實驗，找到了裂解酶“LysIME-EF1”與細胞壁結合的關鍵位點，填補了相關機制研究的空白。裂解酶與細菌細胞壁的結合過程是裂解酶發(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雜，一直以來，很難徹底了解裂解酶是如何結合到細菌細胞壁。他們通過分析裂解酶“LysIME-EF1”的結構，發(fā)現(xiàn)其底部“吸盤”結構帶有正電荷，推測可能與細胞壁上某些帶負電荷的組分結合。他們進一步開展系列實驗，結果驗證了他們的推測并找到了關鍵結合位點。
“針對這些位點，我們可以開展相關實驗，通過提高裂解酶與細菌細胞壁的結合能力來提高裂解活性。”歐陽松應表示，他們打算根據(jù)這個裂解酶的結構特征，采用計算機模擬的方法，確定能與其結合的底物，從而拓展它的應用。
歐陽松應告訴記者，他們的研究首次從結構和功能角度闡明了“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)相關結構信息，開展裂解酶“LysIME-EF1”的改造工作，擴寬裂解譜，同時建立相關動物模型，加快臨床研發(fā)的進程。
