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研究人员发现的杀菌病毒正在拯救别无选择的患者

研究人员发现的杀菌病毒正在拯救别无选择的患者

抗生素彻底改变了医学,但即使是这些救命的药物也有其局限性。在涉及匹兹堡大学生物学家的两项新研究中,研究人员表明,一种使用杀灭细菌病毒的实验技术成功地治疗了两名对抗生素无反应的致命感染患者

“一个案例研究是轶事。这是一次性的:我们可能很幸运,“肯尼斯·P·迪特里希艺术与科学学院(Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences)的埃伯利家族生物技术教授格雷厄姆·哈特福尔(Graham Hatfull)说。有了三个记录在案的成功案例,“现在我们可以开始寻找一致性,并在某种程度上感觉到它可能对更多的患者有效。

噬菌体,简称噬菌体,通过将DNA注射到细菌细胞中并将其靶标转化为噬菌体工厂来杀死细菌。这种能力对人类无害,使噬菌体成为治疗一些顽固性感染的候选者 - 包括由脓肿分枝杆菌引起的感染,这种细菌对抗生素具有抗药性,对囊性纤维化患者或正在服用抑制免疫系统的药物可能是致命的。

Hatfull和他的实验室在2019年首次使用噬菌体治疗分枝杆菌感染以及首次在这种治疗中使用基因工程噬菌体方面展示了该技术的潜力。他们现在正走在帮助更多已经达到既定药物所能提供的极限的患者的道路上。

“从监管的角度来看,你必须用尽所有这些选择,然后才能去像噬菌体这样真正实验性的东西,”Hatfull说。“这些人没有其他人可以去。要么是我们,要么什么都不是。

挽救生命的移植

在今天发表在《细胞》杂志上的一篇论文中,研究人员报告说,Hatfull实验室的噬菌体疗法在囊性纤维化患者中另一种更常见的感染上取得了成功 - 这种疾病会导致肺部粘液积聚,以及其他灾难性影响。

该研究的成功表明,噬菌体疗法可能对更多的囊性纤维化患者有用,可能有助于其他因肺部顽固的分枝杆菌感染而被困在移植候补名单上的人。

但治疗的成功是不确定的。对肺部感染患者进行噬菌体治疗,而不是像2019年论文中那样的皮肤感染,带来了一系列新的挑战和问题。

“如果血液中有细菌,并且你给噬菌体IV,你很有可能这两个人会找到彼此,”Hatfull说。然而,肺部是一个复杂的管网,感染可以隐藏在其中。“本质上,这只是一个很大的未知数。

对于像Jarrod Johnson这样的患者来说尤其如此,这是新论文的中心。即使经过多年的抗生素治疗,约翰逊的感染仍然存在。然而,在噬菌体治疗后,他十几次检测出感染阴性,为他接受肺移植扫清了道路。

“我非常感谢所有参与我治疗的人的努力,毅力和创造力,”约翰逊说。“我以为我会死。他们真的救了我的命。

医生在科罗拉多州丹佛的国家犹太人健康中心进行了这项工作,由杰里尼克领导,他将样本送到哈特福尔的实验室寻找可以解决感染的噬菌体。

“我们有大量的噬菌体,我们已经对它们的4多个基因组进行了测序,所以我们非常详细地了解它们的基因组图谱和关系,”Hatfull说。“此外,我们有关于哪些细菌被哪些噬菌体感染的信息,这意味着我们可以对哪些是寻找的最有用的噬菌体类型进行智能猜测。

当他们收到请求时,Hatfull和他的实验室能够鉴定出两种与约翰逊肺部脓肿分枝杆菌菌株相匹配的噬菌体,并对它们进行基因工程改造,使其更有效地杀死它。

与任何案例研究一样,不可能确定患者的康复是治疗的结果。但在这种情况下,证据比大多数证据都更有力,Hatfull说。

“多年来,患者在临床上一直非常仔细地跟踪,对菌株和抗生素谱进行多次测序,”他说。特别令人信服的是患者尿液中部分细菌细胞壁的分子信号 - 这表明噬菌体正在杀死细菌并发挥作用。

从鸡尾酒到直接射击

在发表在《自然通讯》上的两项研究中的第二项研究中,皮特团队与杰西卡·利特尔(Jessica Little)领导的哈佛大学同事一起,在治疗患有分枝杆菌皮肤感染的免疫功能低下患者方面取得了成功。

“当抗生素在很长一段时间内真的没有做太多事情时,这种疗法似乎真的有很大的不同,”Hatfull说。

这是用于治疗螯虾分枝杆菌感染的噬菌体疗法的第一个实例 - 这是一种相关但与以前用噬菌体治疗的细菌不同的物种。虽然患者的免疫系统似乎对噬菌体发起了攻击,但它并没有阻止治疗的有效性。

这项研究的另一个新颖方面是研究人员使用的噬菌体。

研究人员担心细菌进化出对病毒的抵抗力的可能性。提供多种噬菌体的混合物是Hatfull的团队以前试图避免这个问题的方式:同时用三种病毒弹幕细菌感染,并且不太可能进化出它们。

但是,当研究小组针对该患者的感染测试噬菌体时,只有一种被证明是有效的:Muddy,这是2019年研究中使用的三种噬菌体之一。

“这就是我们所拥有的一切 - 我们使用了所有可用的噬菌体,”Hatfull说。“我们显然冒着看到阻力和失败的风险。但要么就是这样,要么什么都不做。

细菌没有进化出对单一噬菌体的抗性这一事实令人惊讶,这也为治疗患者开辟了新的潜力,特别是对于那些免疫系统强大的患者。

“现在我们可以考虑给它们一个月的噬菌体一号。然后我们会停下来。然后给他们第二个噬菌体一个月,然后停止,“Hatfull说。这样做可以降低患者免疫系统攻击噬菌体的风险。

综上所述,这两项研究指出了噬菌体疗法用于更广泛的分枝杆菌感染的未来 - 以及最大化治疗成功机会的新潜在方法。

打开闸门

直到今天,在外部观察者看来,实验室的临床工作始于2019年的突破,也结束于<>年的突破。事实恰恰相反。

“那是闸门打开的时候,”Hatfull实验室的研究助理Rebekah Dedrick说。“我们开始收到来自世界各地的请求,我们仍然收到它们。

Dedrick协调实验室的临床方面,处理为世界各地的患者提供实验性治疗所需的大量许可证和其他文书工作。她和三名研究技术人员组成的团队还筛选了从这些患者身上送来的细菌样本,针对它们测试病毒,看看是否有任何可能有效,并在治疗后进行后续测试。

对于Dedrick来说,这是一个突然的转变,在她职业生涯的那个时候,她一直专注于基础科学。但她很快就接受了它。“临床医生没有别的东西可以给他们,然后我们提供这个小小的希望,”她说。“能够为没有其他选择的患者提供这种服务,这真的很充实。

实验室的其他成员也已成为该团队临床工作的重要组成部分,包括研究讲师Deborah Jacobs-Sera,他培养和纯化噬菌体的数量和质量可以注射到患者体内。最初是一个令人伤脑筋的过程,经过多年的实践,已经变成了一台运转良好的机器,可以从患者身上采集样本并发出挽救生命的疗法。

隐藏在DNA中的病毒

然而,实验医学只是实验室工作的一个组成部分。与此同时,该小组正在继续基础研究是什么使这些病毒和细菌滴答作响,为改善未来治疗方法提供线索。

一个目标:270多名寻求治疗的患者发送的分枝杆菌细胞样本。

“除了拥有非常好,广泛和多样化的噬菌体集合外,我们现在还拥有大量,广泛和多样化的脓肿分枝杆菌和一些相关菌株的临床分离株,”Hatfull说。“这是理解基础生物学的巨大资源。

在这个样本库中,Hatfull和他的实验室发现了一个令人惊讶的新地方,可以寻找候选噬菌体来对抗分枝杆菌感染:隐藏在这些细菌的DNA中的是过去感染这些细胞的噬菌体的完整遗传物质。它们的存在证明了噬菌体可以感染这些细菌,实验室现在能够使用这些蓝图使这些病毒栩栩如生。下一步是调整它们的DNA,这样它们不仅可以感染这些分枝杆菌菌株,还可以可靠地杀死它们。

“我们仍在研究如何设计它们以及如何让他们接受治疗,”Hatfull说。“我们还没有在治疗中使用它们中的任何一个,但我认为我们正在接近。

继续研究哪些噬菌体感染哪些分枝杆菌菌株 - 以及为什么 - 可能会影响未来的治疗。这个问题的核心是有可能超越时间和劳动密集型的个性化医疗方法,转向更广泛的治疗,从而在更广泛的范围内帮助患者。

三条腿的凳子

即使在大流行期间,实验室的教育使命也取得了进展。自2002年以来,Hatfull领导了一个让本科生参与前沿研究的项目。现在,这个项目被称为霍华德休斯医学研究所科学教育联盟 - 噬菌体猎人推进基因组和进化科学(HHMI SEA-PHAGES),它让学生有机会发现和命名自己的病毒。通过该计划发现的一种病毒是Muddy,现在用于实验室大约一半的治疗方法。

Hatfull将他的实验室的三个目标称为“三条腿的凳子”,每条腿 - 研究,教育和临床工作 - 都丰富了其他目标。

“我们有这个不断的,持续的过程来扩大我们可用的噬菌体数量,”他说。与此同时,30年来在噬菌体遗传学方面的工作使他们能够有效地从噬菌体的火带中喝水,以这样一种方式组织它们,以便当分枝杆菌样本到达时,它们已经准备好进行快速评估。

至于他们的临床工作,该实验室预计将很快发布更多案例研究的报告,超越概念验证,并开发关于分枝杆菌感染噬菌体疗法的更强大的知识体系 - 这对于为潜在的临床试验奠定基础至关重要,可以更严格地测试该疗法。

“我们需要临床试验,在我们获得有关每个步骤的一些信息之前,我们不会到达那里,”Dedrick说。

无论该领域下一步走向何方,几乎可以肯定的是,实验室将成为该领域的中心。

“当谈到研究可用于分枝杆菌疾病的噬菌体的人时,我们基本上就是这样,”Hatfull说。“你不能从世界上任何其他实验室得到这个,我认为这是公平的。