噬菌体药理学及其实验方法

0.1引言

经典的抗菌药物药理学包括药效动力学和药代动力学[1]。药物作用于细菌和动物两个生物体。药效动力学研究抗菌药物与细菌的相互作用力，偏重于抗菌作用，细菌对抗菌药物的代谢作用归结为细菌抗药性；药代动力学研究动物机体对抗菌药物的吸收、分布、代谢、清除的动态过程，而抗菌药物对机体的作用归结为毒理学[2]。噬菌体是细菌特异性的病毒。

噬菌体治疗是使用裂解性噬菌体防治病原菌的感染和污染，包括两个过程：噬菌体吸附进入靶细菌，随后增殖裂解靶细菌[3]。噬菌体药理学的概念体系逐步建立起来4~11。

噬菌体具有极其微小的生物结构和变异性、普遍分布的生态特点，需要从基因组、细菌、动物、生态四个层面研究其药理学和安全性。与抗生素比较，活体药物噬菌体显著特点是依赖于宿主菌的特异性增殖和宿主动物的免疫反应[12]，但是整体的药理学框架是一致的。以往的研究主要集中在两个方面，即噬菌体生物学的大量基础研究、噬菌体治疗的大量探索[3.13~17]。后者典型的模式就是，针对某一具有重要临床价值的病原菌，从靶动物中分离致病性菌株，再以此为宿主菌株筛选噬菌体；然后反过来，用噬菌体较大剂量治疗宿主菌感染的靶动物，治愈[18]。这个过程存在两个重大问题，一是临床真正分离的致病性菌株不一定是该噬菌体的宿主菌，甚至分离不到裂解性噬菌体，没有一个完备的噬菌体库，就无法应对临床大量的未知菌株群；二是噬菌体的使用方法没有量化和优化的规范，即药理学的缺失，不能保证噬菌体治疗的可靠性和安全性可重复。这给临床应用带来极大的困扰，成为现阶段噬菌体群体治疗的瓶颈[19~23]。

另外，与抗生素不同的特点是，噬菌体是容易变异的[24.25]，不受抗药性的限制，可以大范围筛选，甚至基因编辑。因此，噬菌体的药效动力学重心不在药敏试验上，而是在噬菌体的高通量筛选和基因编辑上，研发成本低、周期短。这为噬菌体的应用提供了广阔的空间。

目前，由于抗生素滥用导致普遍的细菌抗药性和毒副作用，全球都趋于克制使用抗生素，监抗减抗降抗（监测抗药性、减少抗生素使用量、降低抗药性水平）是我国《遏制细菌耐药国家行动计划（2016-2020年）》的主要任务。替代抗生素的技术和产品引发一场研发热潮，而与病原菌直接作用的生态因素应该被重点考虑和应用，主要包括四类：①细菌之间竞争（抗生素、微生态制剂）；②植物宿主（抗菌中药，增强动物免疫机能）；③动物宿主的免疫清除（疫苗、抗体、细胞因子）；④细菌寄生物（裂解性噬菌体）。四种因素综合作用、协同抗菌，才能遏制细菌抗药性，防治细菌感染。四者的产业化程度依次递减，但应用潜力递增，因为解决“菌变而抗菌药物不变”“抗菌药物的种类很有限”的抗药性难题的能力逐渐提高，活体药物的特性越来越强。在技术创新的同时，管理政策创新也需要与时俱进。对于不断变化变异的流行菌株群体，就是需要相应变化的药物群体（益生菌、复方中药、复方抗生素、多价疫苗、多价抗体、噬菌体鸡尾酒）应对，包括不同种类药物的协同，这是最自然不过的逻辑了，不能固守化学药物的管理模式来套用所有活体药物。

定种分群区域动态管理是未来值得探讨和实践的科学模式。噬菌体作为生态系统中种类和数量最多的主要生态因子[13.25]，必然用于病原菌的生态防治，而目前超级细菌仅是阶段性的迫切需求[27]。噬菌体可以广泛应用于动保、植保、环保、医疗、疾控、食品等领域[14.15.28~30]，与抗生素、疫苗、中药、微生物制剂协同作用，保障人类和经济动物植物健康[1-3]

本书源自莱斯特大学Martha R.J.Clokie 教授等编撰的四卷噬菌体研究方法专著，以噬菌体药理学为主线，精简串联各种研究方法，从而引导性地帮助同行开展噬菌体的研发应用。本节先介绍药理学框架和典型方法，后续各章细致说明具体方法。