噬菌体疗法减缓细菌耐药性进化

2021
08/27

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派森诺生物
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它主要包括两种,一种为在易感菌株上重复繁殖噬菌体,这可以改善噬菌体基因型相关的生长性能;总体而言,在进化的噬菌体分离株中,生长速度和传染性范围质检存在权衡。

期刊:Evolutionary Applications

影响因子:5.183

近日,派森诺携手北京师范大学张全国教授在Evolutionary Applications 期刊发表关于噬菌体可以减缓细菌耐药进化的研究成果。文章通过三种不同的培养方式对细菌和噬菌体进行培养,证明了人工驯化在一定程度上可能改变微生物自身生长速率和侵染能力间的权衡关系,从而生产出控制效果更好的噬菌体株系。这种“噬菌体”的成功培养暗示了它们可以克服增长-传染性权衡。


研究思路



研究背景

抗生素耐药性危机使人们对使用噬菌体治疗细菌感染产生了兴趣,然而,耐药性进化也是噬菌体治疗中的一个主要考虑因素,特别是考虑到细菌可以在几天甚至几个小时内进化出对噬菌体的耐药性。因此设计更好的噬菌体能够减缓甚至防止细菌感染中的耐药性演变,将获得显著的治疗效益。因所处环境在许多方面与治疗环境不同,天然噬菌体不太可能被优化用于噬菌体治疗。所以噬菌体对宿主细菌的适应性实验或“进化训练”被认为是提高噬菌体治疗效果的手段。它主要包括两种,一种为在易感菌株上重复繁殖噬菌体,这可以改善噬菌体基因型相关的生长性能;另一种为可能导致噬菌体菌株更难进化出耐药性的噬菌体与细菌共同进化,这可能是因为共进化的噬菌体可以感染具有不同耐药性机制的更广泛的细菌基因型。本研究在荧光假单胞菌SBW25上实验进化出一种噬菌体(Φ2),以确定是否有可能克服生长和感染性之间的权衡。


研究材料和方法


实验材料:荧光假单胞菌SBW25,裂解噬菌体SBW25Φ2

测序平台:Illumina Miseq

分析内容:噬菌体训练选择实验,噬菌体性状测定,噬菌体基因组重测序


研究结果

1. 三种不同的细菌与噬菌体共培养方式与结果

采用不同的训练策略培养菌株与噬菌体:①将细菌与噬菌体混合培养,并每次从混合培养物中选取部分加入到新的培养基中进行后续培养。②将细菌与噬菌体混合培养中的噬菌体分离出来,与初代细菌混合后加入到新的培养基中进行后续培养。③将第一种与第二种方式进行轮流交替。共有40个噬菌体群体在五种处理下进行培养:一种“Evolution”(E)、一种“Coevolution”(C)和三种“Rotation”机制(R),其中RA、RB、RC分别有着逐渐增长的共同进化阶段。最终40个培养系中存活了32个,从32个存活群体中各选择一个随机噬菌体分离物。在这些噬菌体分离物中,生长速率和传染性之间存在负相关,表明这两个特性之间存在权衡。结果显示,与Evolution噬菌体相比, Coevolution 噬菌体的生长速度明显更低,传染性范围更大(图2)。

图1. 噬菌体训练策略图解

图2. 选择试验中噬菌体分离物的生长速率和感染范围


2. 克服权衡的噬菌体影响细菌耐药性演变

通过PCA分析确定生长和传染性值中的异常噬菌体样本,发现一个来自“Evolution”的噬菌体分离株E4,两个来自“Rotation B”的分离株(RB1和RB7)。这三种在下文中被称为克服权衡的噬菌体,其中RB1的生长和传染性接近所有噬菌体分离株的最大值。

当用于治疗初代易感细菌种群时,RB1和RB7分别以5/10和3/10的概率使细菌灭绝;所有其他噬菌体都未能阻止细菌耐药性的进化(图3a)。在噬菌体未能促使细菌灭绝的情况下,它们控制细菌生长失败的时间上存在差异。当噬菌体具有更高的生长速率或更广的传染性范围时,“有效控制的持续时间”更长(图3b)。这表明文章所采用的选择实验对于获得对治疗有用的噬菌体菌株特别有帮助。

图3  噬菌体在减缓最初敏感细菌种群中耐药进化方面的成功的两种估计:(a)导致细菌灭绝的可能性;(b)在噬菌体未能导致细菌灭绝的分析中“有效控制持续时间”


3. 噬菌体生长和传染性的可能遗传基础

对噬菌体进行重测序分析发现,平均每个噬菌体分离株有2.56个基因区突变,包括SNP和Indel。SBWP25_0036基因(编码噬菌体尾部纤维蛋白)上有两个突变在噬菌体分离株中检测到的次数较多,A35898G共检测到15次,G36794A共检测到14次。A35898G与广泛的传染性呈正相关,与高生长率呈负相关;G36794A与广泛的感染性呈正相关,其发生率在高生长和低生长噬菌体之间没有差异,该突变在所有三个权衡克服噬菌体中都观察到。其他突变在噬菌体分离株中的发生率相对较低(检测到的次数≤4)。除此之外还发现有三种突变与克服权衡的噬菌体有关:基因SBWP25_0003中的同义突变A1708G和基因SBWP25_0032(编码噬菌体尾管状蛋白)中的非同义突变A27836C和A28991G。


 研究结论

本研究培养了可以克服增长-传染性权衡的“噬菌体”,来自“rotation B”的RB1和RB7 有时能够完全阻止细菌耐药性进化,导致细菌死亡。噬菌体重测序分析确定了两个与广泛感染性显著相关的突变(A35898G和G36794A),三个与克服权衡相关的突变(A1708G、A27836C和A28991G)。这些突变可能有助于补偿适应与广泛传染性相关的适应成本。总体而言,在进化的噬菌体分离株中,生长速度和传染性范围质检存在权衡。少数噬菌体既有较高的生长速率,又有广泛的感染性,这些克服权衡的噬菌体可以减缓甚至完全阻止初代敏感细菌群体的耐药性演变。研究结果表明,精心设计的进化训练计划,特别是进化/协同进化轮换选择机制,有望获得治疗上有用的噬菌体材料。


本研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。

文章索引:Zhang QG, Chu LX, Buckling A. Overcoming the growth–infectivity trade-off in a bacteriophage slows bacterial resistance evolution. Evolutionary Anthropology. 2021;00:1-9. doi: 10.1111/eva.13260


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关键词:
噬菌体,培养,进化,权衡,细菌

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