Bobby Burgholzer 患有囊性纖維化，這是一種遺傳性疾病，使他一生都容易感染肺部細菌。幾年前，抗生素還能在很大程度上控制他的症狀，但後來藥物開始失效，導致這位 40 歲的醫療器械銷售員容易氣喘吁吁，並且感到沮喪。他一直努力保持健康並打冰球，但他發現每天爬山或爬樓梯變得越來越困難。隨著病情惡化，Burgholzer 擔心自己患上了一種無法治癒的疾病。他有妻子和年幼的女兒，他想為了她們活下去。因此，他開始研究替代療法，其中一種引起了他的注意：一種叫做噬菌體的病毒。
噬菌體，正如它們所知，在自然界中無處不在。它們透過入侵細菌並劫持其繁殖機制來複制。一旦進入註定死亡的細胞內部，它們就會繁殖成數百個，然後爆裂而出，通常在此過程中殺死細胞。噬菌體僅在細菌中複製。微生物學家在 20 世紀 10 年代發現了噬菌體，醫生在第一次世界大戰後首次將其用於治療傷寒、痢疾、霍亂和其他細菌性疾病患者。後來，在 1939 年至 1940 年的蘇芬冬季戰爭期間，據報道，使用這種病毒將受傷士兵的壞疽死亡率降低了三分之二。
在一些前東方集團國家，這些療法仍然可以商業化獲得，但這種方法在幾十年前的西方逐漸失寵。1934 年，兩位耶魯大學的醫生——門羅·伊頓和斯坦霍普·貝恩-瓊斯——發表了一篇有影響力的、持否定態度的評論文章，聲稱噬菌體可以治癒細菌感染的臨床證據是矛盾且不確鑿的。他們還指責生產藥用噬菌體的公司欺騙公眾。但噬菌體療法的真正終結是在 20 世紀 40 年代，當時醫生廣泛採用了抗生素，抗生素非常有效且價格低廉。
支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮訂閱，以支援我們屢獲殊榮的新聞報道。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
噬菌體療法在當今任何西方市場均未獲準用於人類。研究經費也很少。儘管東歐的人體研究產生了一些令人鼓舞的結果——特別是來自喬治亞第比利斯的埃利亞瓦研究所（該領域的研究中心）的結果——但許多西方學者表示，這項工作不符合他們嚴格的標準。此外，在西歐和美國進行的一些臨床試驗也產生了一些備受矚目的失敗案例。
然而，儘管歷史上存在懷疑，噬菌體療法正在捲土重來。關於這種治療的科學會議的出席人數正在激增。美國食品藥品監督管理局和其他衛生機構的監管機構正在發出重新產生興趣的訊號。十幾家以上的西方公司正在該領域進行投資。今年啟動了新一輪美國臨床試驗。為什麼如此興奮？噬菌體療法已經治癒了對多種藥物耐藥 (MDR) 感染的患者，這些感染對抗生素不再有反應。美國食品藥品監督管理局允許請願醫生在“同情使用”的基礎上管理這些實驗性治療，前提是他們能夠證明他們的患者沒有其他選擇——這正是 Burgholzer 希望證明的。
MDR 感染是一種迅速增長的公共衛生噩夢。目前全球每年至少有 70 萬人死於這些無法治癒的疾病，聯合國預測到 2050 年這個數字可能會上升到 1000 萬。與此同時，製藥行業的抗生素研發管線正在枯竭。
像所有病毒一樣，噬菌體並不是真正活著的——它們無法生長、移動或產生能量。相反，它們會漂浮，直到偶然粘附在細菌上。與抗生素不同，抗生素在殺死使人生病的菌株的同時，也會殺死一系列有益細菌，而噬菌體只攻擊單一細菌種類，或許還有一些與其關係最密切的親屬，並放過其餘的微生物群。大多數噬菌體都有一個二十面體的頭部——就像一個有 20 個三角形面的骰子。它包含噬菌體的基因，並連線到一個長長的頸部，頸部末端有一個尾部纖維，尾部纖維與細菌細胞壁上的受體結合。然後，噬菌體將一種注射器刺穿細胞壁，並注入自身的遺傳物質，從而迫使細菌製造更多的噬菌體副本。其他型別的噬菌體（不用於醫療）也以相同的方式進入，但處於休眠狀態，僅在細胞分裂時才繁殖。
噬菌體與細菌共同進化了數十億年，並且分佈非常廣泛，以至於它們每天殺死多達 40% 的全球海洋細菌，影響海洋氧氣產生，甚至可能影響地球氣候。隨著技術進步使將病毒與目標更準確地匹配成為可能，作為醫療工具的噬菌體正受到越來越多的關注。少數幾家在技術上有能力在嚴格的監管協議下提供噬菌體療法的機構，正被請求淹沒。
正在進行的臨床試驗開始產生說服監管機構噬菌體療法可行的所需高質量資料，但仍然存在相當多的問題。最大的問題是噬菌體療法是否能夠大規模地應對感染。臨床醫生必須將噬菌體與患者體內的特定病原體相匹配；目前尚不清楚他們是否能夠以經濟有效的方式以及以將噬菌體投入常規使用所需的速度和效率做到這一點。另一個問題是缺乏監管指南來規範噬菌體療法的生產、測試和使用。“但是，如果它有可能挽救生命，那麼作為一個社會，我們需要知道它是否會起作用以及如何最好地實施它，”澳大利亞墨爾本莫納什大學的微生物學家傑里米·J·巴爾說。“抗生素耐藥性危機太可怕了，我們現在不能不接受噬菌體療法。”
權衡弱點
Burgholzer 透過與全國各地其他患有囊性纖維化的人交談了解了噬菌體。在網際網路上搜索更多資訊時，他偶然發現了一個由耶魯大學噬菌體研究人員製作的 YouTube 影片。很快，他開始與耶魯大學生態與進化生物學系的生物學家本傑明·陳通訊。自 2013 年來到那裡以來，陳積累了一個噬菌體“庫”，這些噬菌體是從汙水、土壤和其他自然來源收集的，他將其提供給耶魯紐黑文醫院和其他地方的醫生。
陳的第一個案例發生在 2016 年，取得了巨大成功。他從池塘水中分離出一種噬菌體，醫生用它治癒了著名的眼科醫生阿里·霍達杜斯特。霍達杜斯特患有胸部嚴重的 MDR 感染，這是四年前心臟直視手術引起的併發症。他每天服用大劑量的抗生素，試圖對抗入侵的病原體，即頑固的銅綠假單胞菌。陳選擇的病毒會附著在細菌細胞壁上被稱為外排泵的物質上。這些泵排出抗生素，並且經常在耐藥細菌中發現。霍達杜斯特體內的大多數銅綠假單胞菌都帶有泵，噬菌體殺死了它們。相對較少的剩餘銅綠假單胞菌面臨著進化上的權衡：它們缺乏外排泵意味著它們在病毒攻擊中倖存下來，但這使它們對抗生素無能為力。透過同時服用噬菌體和抗生素，霍達杜斯特在短短幾周內逐漸康復。兩年後，他因非感染性疾病去世，享年 82 歲。
在第一個案例之後，陳為耶魯大學近十幾個實驗性治療提供了噬菌體，其中大多數涉及患有銅綠假單胞菌肺部感染的囊性纖維化患者。他要求 Burgholzer 透過隔夜快遞傳送一份痰液樣本，以便他可以識別可能有所幫助的噬菌體。
圖片來源：AXS 生物醫學動畫工作室
去年 12 月，在篩選開始後，我拜訪了耶魯大學的陳。他穿著格子牛津襯衫、卡其褲和樂福鞋，很快就稱我為“老兄”，這是他喜歡的稱呼。在他的辦公室裡短暫交談後，我們前往隔壁的實驗室，陳在那裡給我看了一個培養皿。Burgholzer 的細菌已經發展成覆蓋整個培養皿的灰色菌苔，但兩條細細的、透明的條紋橫穿其中。陳告訴我，那些條紋中的細菌都死了，是被 Burgholzer 即將接受治療的噬菌體溶液滴液殺死的。Burgholzer 的感染是由無色桿菌屬的三種細菌引起的，陳計劃選擇能夠逐個消滅它們的個體噬菌體——這種方法被稱為序貫單噬菌體療法。“我們本質上是在抗菌戰爭中下棋，”陳說。“我們需要採取有計劃的行動。”
陳希望誘導類似於他認為對霍達杜斯特有效的進化權衡。由於無法找到針對無色桿菌細菌外排泵的噬菌體，他轉而選擇了一種針對微生物細胞壁中稱為脂多糖 (LPS) 的大型蛋白質的噬菌體。LPS 具有分子側鏈，稱為 O 抗原，其長度各不相同。鏈越長，細菌不僅抵抗抗生素的能力越強，而且抵抗宿主免疫系統的能力也越強。陳計劃用噬菌體殺死頑強的長鏈菌株，留下較弱的短鏈病原體。他說，在最好的情況下，一系列噬菌體將使細菌種群向短鏈菌株轉移，這些菌株可能更容易受到藥物和 Burgholzer 自身免疫防禦的控制。“細菌在體內爭奪地盤，”陳說。“在一種細菌被噬菌體大量殺死後，在許多情況下，其他細菌會侵入。”他希望新的入侵者不如他們的前輩那麼毒力強。
陳的老闆保羅·特納一生致力於研究微生物世界的進化權衡。作為陳所在系的教授，他在我拜訪的當天晚些時候解釋說，噬菌體療法可以在不完全消除體內致病細菌的情況下發揮作用。尤其是在治療慢性疾病時，醫生可以使用噬菌體選擇性地塑造有害細菌的種群，使其產生其他弱點。“如果這些弱點是針對抗生素的，那就更好了，”他告訴我。他說，將抗生素與噬菌體結合使用，以達到患者的最佳效果，“使噬菌體療法更容易快速推進。”
我與陳一起開車前往耶魯紐黑文醫院，觀看 Burgholzer 的噬菌體治療開始進行。我們乘電梯到達二樓，在那裡我們等待陳的臨床合作者喬納森·科夫的到來。科夫是一位肺病學家，也是成人囊性纖維化專案的主任，他很快就揹著一個揹包衝了進來。Burgholzer 在治療室與我們三人會面，並用沙啞的聲音說話——這是他疾病的唯一外在跡象。當科夫和陳對比筆記時，他告訴我他想為了他三歲的女兒保持健康。當治療時間到來時，他把手機扔給妻子。“給你，為我媽媽拍張照片，”他笑著說。然後，他舉起霧化器放在嘴和鼻子上方，開始將霧化的噬菌體溶液吸入肺部。
噬菌體雞尾酒
根據科夫的說法，序貫單噬菌體療法對於治療囊性纖維化和某些其他將有害細菌隔離在體內的慢性疾病是有意義的。他說，當沒有經過驗證的方法可以完全消除病原體時，策略就是逐漸削弱有害菌株。
一些臨床醫生正在選擇不同的方法：他們在治療性雞尾酒中給患者多種噬菌體，試圖透過同時靶向多種細菌耐藥機制來完全消除感染。理想情況下，雞尾酒中的每種噬菌體都會粘附在不同的受體上，因此，如果細菌對混合物中的一種病毒產生耐藥性，其他病毒將繼續攻擊。
陳和科夫認為，噬菌體與細菌的相互作用是不可預測的，當暴露於雞尾酒時，病原體可能會同時對混合物中的所有病毒產生耐藥性，這可能會限制未來的治療選擇。“將雞尾酒分成序貫治療可以讓您為患者提供更長時間的治療，”科夫說。
Phage Directory 的聯合創始人傑西卡·薩切爾是一個獨立的平臺，旨在改善獲得噬菌體和噬菌體專業知識的途徑，她說，對於這兩種方法都可以提出令人信服的論點。“科學尚未達到可以確定地說一種方法必然優於另一種方法的程度。”她指出，雞尾酒可能更適合急性病患者，這些患者有時無法等待醫生制定序貫策略。
在湯姆·帕特森的著名案例中，緊迫性至關重要。帕特森是加州大學聖地亞哥分校的教授，他在 2016 年前往埃及旅行期間感染了 MDR 感染，後來被噬菌體雞尾酒所救。入侵者是鮑曼不動桿菌，一種臭名昭著的耐藥微生物，在亞洲很常見，並且正在穩步向西方蔓延。當醫生透過導管將四種病毒的混合物輸送到他的腹部，並將第五種病毒靜脈注射時，帕特森已經出現多器官功能衰竭。醫生每天為他治療兩次，持續四周，他在三個月內清除了感染。他仍然需要廣泛的康復治療，但他今天仍然很健康。
該案例引起了全世界媒體的關注。治療醫生是羅伯特·舒利，帕特森的朋友，也是加州大學聖地亞哥分校傳染病科主任，以及帕特森的妻子，斯蒂芬妮·斯特拉斯迪，時任該大學全球健康研究所所長。兩年後，舒利和斯特拉斯迪以 120 萬美元的初始投資，在加州大學聖地亞哥分校啟動了創新噬菌體應用和治療中心，以資助臨床研究並推廣該領域。
帕特森接受治療的每種噬菌體都經過篩選，以確定其在從他體內獲得的感染樣本中殺死鮑曼不動桿菌的能力，篩選工作在馬里蘭州德特里克堡的海軍醫學研究中心和德克薩斯農工大學進行。該中心細菌噬菌體部門負責人比斯瓦吉特·比斯瓦斯表示，這些檢測可以在短短 8 到 12 小時內同時測試數百種噬菌體對抗細菌病原體的能力。比斯瓦斯開發了該檢測方法並建立了該中心的噬菌體庫，他說該檢測方法允許輕鬆更換新的病毒，以應對耐藥性的發生。帕特森在兩週內確實對他的第一個雞尾酒產生了耐藥性，促使海軍準備了第二個效果更持久的雞尾酒。位於馬里蘭州蓋瑟斯堡的 Adaptive Phage Therapeutics 公司已獲得海軍檢測方法及其噬菌體庫的許可，並將很快將它們都用於尿路感染患者的臨床試驗。
海軍檢測僅檢查細菌細胞死亡；它沒有揭示靶向哪些受體。雞尾酒是否應靶向已知的受體尚在爭論中。德克薩斯農工大學的噬菌體遺傳學家賴·揚為帕特森提供了病毒，他認為應該靶向已知受體。“我們甚至不知道噬菌體是否是他成功康復的原因，”他說。“我們最好的猜測是，噬菌體療法將他的感染負荷降低到他的免疫系統可以接管的水平。”揚認為，雞尾酒的最佳方法是將三種或四種靶向同一細菌菌株上不同受體的病毒結合起來。他說，細菌對單一噬菌體產生耐藥性的機率約為百萬分之一，而細菌失去或產生雞尾酒中所有噬菌體靶向的受體突變形式的機率“基本上為零”。此外，如果臨床醫生希望使細菌再次對抗生素敏感，那麼識別重要受體至關重要。
巴爾說，科學家們正在努力識別帕特森雞尾酒靶向的受體，但他不同意在使用前需要識別受體的觀點。“這是一個可以理解的觀點，也是該領域的熱門話題，”他說。“我們對這些噬菌體知之甚少，我們需要在使用它們進行治療之前進行檢查和平衡。這是否意味著我們需要識別宿主受體？目前這是一項非常大的工作，因此我認為這不是必需的，但絕對是可取的。”
工程噬菌體
鑑於雞尾酒的不可預測性，一些研究人員表示，應基因工程改造噬菌體，使其與特定受體結合，並以新穎的方式殺死細菌。迄今為止使用的大多數噬菌體都是天然的，從環境中收集的，但噬菌體工程改造是一個新興的前沿領域，並取得了新的成功案例。伊莎貝爾·卡內爾是一位患有囊性纖維化的英國少女，她在 2017 年接受雙肺移植後，肝臟、四肢和軀幹受到危及生命的感染。她的細菌宿敵——膿腫分枝桿菌——對抗生素沒有任何反應。然而，今年，在這一領域的首例案例中，來自多家機構的研究人員成功地用一種由三種噬菌體組成的工程雞尾酒治療了這名女孩。其中一種噬菌體在複製時會自然地撕裂膿腫分枝桿菌。另外兩種噬菌體也能殺死細菌，但效果不那麼徹底，導致 10% 到 20% 的細菌在這一過程中存活下來。因此，由匹茲堡大學生物科學教授格雷厄姆·哈特富爾領導的團隊從這兩種噬菌體中各刪除了一個基因，將它們變成了工程殺手。由三種噬菌體組成的雞尾酒在六個月內清除了卡內爾的感染。
波士頓大學的研究人員於 2007 年首次開發出工程噬菌體。他們誘導一種噬菌體產生一種酶，這種酶可以更有效地降解某些感染性細菌分泌的用於保護的粘性生物膜。此後，科學家們對噬菌體進行了改造，以殺死範圍更廣的有害細菌，或有可能將藥物和疫苗輸送到特定細胞。這些實驗室設計的病毒也比天然噬菌體更易獲得專利，這使得它們對製藥公司更具吸引力。為了強調這一點，製藥巨頭強生公司的一個部門於 1 月與 Locus Biosciences 達成了一項價值高達 8.18 億美元的協議，以開發使用基因編輯工具 CRISPR 進行工程改造的噬菌體。
開發商業上可行的噬菌體療法並非易事。巴爾和其他科學家指出，工程改造噬菌體需要花費大量的時間、金錢和精力，而且經過所有這些努力後，目標細菌可能很快就會對其產生耐藥性。此外，巴爾表示，工程改造噬菌體的監管批准“可能很難推銷”，這也反映了為本文采訪的幾位科學家的觀點。但美國食品藥品監督管理局發言人梅根·麥克塞維尼在一封電子郵件中聲稱，只要治療製劑被認為是安全的，該機構就不會區分天然噬菌體和工程改造噬菌體。
未來前景
各公司目前正在測試將噬菌體推向更廣闊市場的不同方法。一些公司希望為患者提供專門針對其感染的個性化療法。這是 Adaptive Phage Therapeutics 公司的戰略。該公司執行長格雷格·梅里爾表示，用於篩選海軍噬菌體對抗感染樣本的檢測方法可以在全球各地的診斷實驗室和主要醫療中心提供。對每個地區流行的細菌有效的噬菌體可以裝在售貨亭中，以美國食品藥品監督管理局批准的即用型小瓶裝瓶供應。梅里爾說，醫生可以持續監測接受治療的患者的耐藥性，並在需要時更換新的噬菌體，直到感染得到控制。他估計，在目前的同情使用系統下，每位患者的費用約為 50,000 美元，隨著規模經濟的擴大，這一費用應該會下降。
其他公司拒絕這種個性化策略，而傾向於更類似於商業抗生素的固定噬菌體產品。Armata Pharmaceuticals 的主要產品是由三種天然噬菌體組成的雞尾酒，目標是金黃色葡萄球菌，這種細菌是醫院常見的葡萄球菌感染的病因。它正在感染機械心臟泵的患者中進行臨床試驗。Armata 的計劃是監測普通人群中對治療產生耐藥性的葡萄球菌，然後根據需要引入新的雞尾酒，這與每年調整流感疫苗以匹配最新流行的毒株的方式非常相似。製藥公司高管表示，現在估計成本還為時過早。
專家們仍然無法確定當前哪些策略——序貫單療法、雞尾酒療法、工程噬菌體療法以及通用或個性化療法——最終可能會勝出，假設有任何策略勝出的話。考慮到“每種情況下的噬菌體治療可能取決於複雜的問題，例如目標病原體、疾病和患者的病史”，巴爾說，最佳方法“甚至可能不存在”。
斯特拉斯迪說，噬菌體療法仍然受到地緣政治偏見的束縛。她說，現在真正需要的是來自良好對照的臨床試驗的積極結果，這些結果可以幫助克服殘留的懷疑。多倫多大學的生物化學家艾倫·戴維森推測，在十年內，噬菌體療法可能會比今天更便宜、更容易、更快。他傾向於工程改造方法，他說，對患者細菌的整個基因組進行測序，然後合成噬菌體來治癒感染，可能比“篩選自然界中提取的一系列病毒來對抗病原體”更快、更便宜。
與此同時，Burgholzer 一直在家中使用霧化器自行進行噬菌體治療，直到 2019 年 3 月，但尚未體驗到他所希望的臨床改善。3 月，陳和科夫引入了第二種噬菌體，目標是另一種無色桿菌菌株。到 4 月，自最初治療開始以來，Burgholzer 肺部的細菌數量下降了兩個數量級以上。“因此，我們似乎可以連續消滅這些菌株，”科夫告訴我。然而，科夫承認 Burgholzer 沒有注意到肺功能發生顯著變化。當我問為什麼時，科夫回答說：“我們對用於對抗銅綠假單胞菌的噬菌體的瞭解比我們對靶向無色桿菌的噬菌體的瞭解要多得多。”操縱感染的能力“知之甚少”。
科夫說，下一步將是對 Burgholzer 肺部的粘液樣本進行基因測序。“我們真的需要了解他的細菌發生了什麼，這樣我們才能達到我們對銅綠假單胞菌所擁有的高水平的複雜程度。Bobby 讓我們冒險看看，至少，我們是否可以提供幫助。”科夫沮喪但仍然渴望，他說，“有些患者的反應比其他患者更好。我們需要了解這些動態。”