与耐药菌的“进化竞赛”,我们究竟有无胜算?一种古老疗法正在借AI+基因测序重燃人类生机

生物医学
与耐药菌的“进化竞赛”,我们究竟有无胜算?一种古老疗法正在借AI+基因测序重燃人类生机
麻省理工科技评论 2018年3月7日

2018年3月7日

在很多时候,抗生素——这一从曾经致命的感染中拯救了数千万人的生命的利器——也已经“钝”了。
基因测序 人工智能
在很多时候,抗生素——这一从曾经致命的感染中拯救了数千万人的生命的利器——也已经“钝”了。

70多年前,人类首次见识到了抗生素的威力。自从弗莱明发现青霉素以后,微生物学家和化学家们纷纷从烂泥、脏水潭、腐败的水果、垃圾堆和其他任何地方寻找新的抗生素。很快,他们就发现了10多种抗生素,很快让肺炎、肺结核、脑膜炎、梅毒不再成为绝症,挽救了无数人的性命。不过,与此同时,我们也在对细菌进行人工选择。

在消灭了无数无法抵挡抗生素的病菌后,越来越多通过突变获得耐药性的病菌存活下来,开始逐渐流行。抗生素的第一个临床案例是一名英国警察,他只不过在刮脸的时候弄了一个口子;而抗生素治愈的第一个病例是美国的一名产妇,她在流产后感染了链球菌。在过去的几十年里,人类在抗生素的保护下,已经遗忘了一个小伤口就致命的黑暗年代,但是这个黑暗的年代有可能卷土重来。在医疗卫生和畜牧业中过度使用的抗生素正让耐药细菌产生的速度越来越快。中国作为抗生素使用量约占全球一半的国家,人均使用抗生素量是西方国家的6~8倍,临床监测到的耐药菌株数已占世界前列(2016年全国细菌耐药监测报告显示该年共有272,7605株细菌被上报),将率先进入“后抗生素时代”。

在很多时候,抗生素——这一从曾经致命的感染中拯救了数千万人的生命的利器——也已经“钝”了。2017年,世卫组织发表报告确认世界的抗生素频临枯竭。世界卫生组织(WHO)的前任总干事陈冯富珍(Margaret Chan)也说:“后抗生素时代,意味着现代抗生素时代的终止。如果没有新疗法的发现,普通的咽喉炎,甚至一个伤疤都会要了我们的命。”幸运的是,我们还未到穷途末路的境地。2000年,诺贝尔医学奖得主、微生物学家乔舒亚·莱德伯格(Joshua Lederberg)曾经写道:“人类很可能会和微生物一起进化......我们的智慧和微生物的基因将展开竞赛。”

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图丨日益严峻的细菌耐药性问题

如今,一种古老的疗法正在重新回到人类的视野,那就是噬菌体疗法。更值得期待的是,得益于DNA测序和人工智能的发展与进步,噬菌体疗法被寄予厚望,将有希望成为抗击超级细菌的“终极武器”。


古老疗法重现生机

使用噬菌体来对抗细菌感染的想法甚至比抗生素诞生得还早。但是,当时这种疗法可谓“生不逢时”。由于噬菌体的严格宿主依赖性,筛选某细菌的特异性感染噬菌体是非常费时费力费钱的,甚至有的时候,医护人员都不能确定给病人注射的噬菌体是否会有效。因此,在治疗细菌感染时,噬菌体疗法一直不是临床首选的方法。然而,最近快速发展的DNA测序和人工智能(AI)却使得噬菌体筛选变得快速高效,从而让这个被人类遗弃的古老疗法正有望借新技术之力重新点燃人类的生机。

其中,有一家公司已经做出“承诺”。那就是AmpliPhi Biosciences(APHB)。APHB 公司首席执行官Paul Grint说:“我们可以快速对噬菌体进行测序,以确定是否是我们想要找的噬菌体。”该公司由 H Stewart Parker 创立于1989年,是一家临床转化生物技术公司,专注于将噬菌体疗法转变为一种工具,让医生们将来可以使用它们与抗生素共同治疗严重的感染。该公司研发的产品包括AB-SA01和 AB-PA01,前者是针对多药耐药性(MDR)金黄色葡萄球菌的噬菌体治疗剂,后者则是针对铜绿假单胞菌(包括MDR菌株)。

正如上文所提到的,筛选某细菌的特异性感染噬菌体是非常费时的,但是一旦有了 DNA 测序技术,这个问题就有了更好的解决方法。因为该技术能够给对应细菌的相关基因序列进行测序。APHB 所追求的,就是以最快的速度找到人们所需的噬菌体。噬菌体通常生活在下水道这样的肮脏地方,所以科学家们首先要分离和净化噬菌体。分离后,APHB 公司的研究人员再使用 DNA 测序技术确保其中没有夹杂潜在有害病原体的遗传物质。对此,Paul谈及了他们以后的目标:“我们希望最终能开发出从冰箱拿出来就能直接给病人使用的理想产品。”

事实上,这家公司也已经取得了非常振奋人心的成绩。在 2017 年 4 月,FDA 已经批准了 APHB 公司关于 AB-SA01 和 AB-PA01 临床试验的申请。8月,APHB 宣布为一位感染 MDR 铜绿假单胞菌的肺炎患者提供 AB-PA01。其中多剂量的 AB-PA01 以静脉注射和吸入的方法进入患者体内。9月,APHB 再次宣布用 AB-SA01 治疗感染 MDR 金黄色葡萄球菌肺炎患者。其中多剂量的 AB-SA01 是以静脉注射的方式进入患者体内。到目前为止,已有七名严重感染且对抗生素无效的患者接受了 AB-PA01 或 AB-SA01 的治疗。

根据该公司 2018 年 01 月 03 日公布的结果,七名患者中共有六名被成功治愈(86% 成功率),未成功治愈的患者于接受手术的三天后死亡,治疗医师认为其死亡与噬菌体治疗无关。 在 2018 上半年,APHB 计划继续扩大一期试验到 25 例,并在在下半年进行二期试验。如果届时具备了更为有力的临床数据支持,噬菌体疗法迈向广泛传播与使用的步伐又将加快。


可实现定制化的“噬菌体银行”

还有一家创业公司也在研究噬菌体疗法,那就是 Adaptive Phage Therapeutics(APT)公司。但他们的思路则和 APHB 有所不同,APT 要做的是利用 AI 为个体患者量身订制噬菌体治疗方案。

这家公司由美国国立卫生研究院退休科学家 Carl Merril 教授和他的儿子在2016年创立,致力于使噬菌体疗法通过 FDA 的上市批准。Carl Merril 相信,噬菌体是后抗生素时代重要的药物,因此在80岁高龄创立了APT。目前,该公司研发的产品包括大型动态的噬菌体银行 PhageBank,和用于配对细菌的特异性噬菌体的独特方法。在 2016 年,APT 公司用噬菌体疗法成功治疗了一名多耐药性拯救了鲍曼不动杆菌的患者,加州大学圣迭戈分校教授 Thomas Patterson。这也是在人类身上获得成功的首例噬菌体疗法。

多耐药性鲍曼不动杆菌经常潜伏在医院(特别是 ICU)里,几乎可以抵抗所有已知的抗生素。2017年,世界卫生组织发布了超级细菌列表,鲍曼不动杆菌排名第一,耐药性和致命性都是最高等级。2015 年 11 月 28 日,Patterson 在埃及旅行的时候感染了致命的耐药菌。埃及的医院给出了错误的诊断。他的病情在一周后加重,被紧急送到德国法兰克福的医院。在那里,医生发现他感染的是致命的多耐药性鲍曼不动杆菌。此后,Patterson又转至加州大学圣迭戈的医院,到了2016年2月,他已经陷入昏迷和败血性休克、身体器官也已经开始衰竭。虽然医生认为他已经没救了,但他的妻子Steffanie Strathdee没有放弃。在自行搜索了互联网后,她看到有些研究利用噬菌体治疗抗药菌感染。

在 Strathdee 的联系下,多家实验室提供了医疗建议,包括提供噬菌体库,搜索筛选合适的噬菌体,对药物进行清洗等。与此同时,圣迭戈分校医院也联系了FDA,获得了紧急治疗许可(FDA 还没有批准噬菌体进入临床试验阶段)。医生向 Patterson 的静脉注射了 4 种不同的噬菌体。8 天后,他从两个月的昏迷中苏醒,又过了一段时间完全从感染中康复。现在, APT 公司的研究人员表示,要确定有最佳治疗效果的特异性噬菌体,目前的方法在实验室的测试时间仍需要至少8个小时,多的时候甚至一到两天。“加上来回运送细菌和噬菌体的时间,对于病情危重的患者来说可能还是耗时太多。”首席执行官Greg Merril说。因此,该公司正试图将这一过程自动化。公司的研究人员正在训练 AI ,希望能利用噬菌体和细菌的基因组数据开发一种机器学习算法。通过不断地学习,这种算法能成功且高效地挑选出能感染特定细菌菌株的噬菌体。

Merril说,他们设想的最终产品是一个AI应用程序,这个应用可以根据输入的细菌类型,快速筛选出特定细菌的最有效的噬菌体或噬菌体的组合,并在数分钟内调配出药物来治疗病人,真正实现高效率和自动化。但这种疗法还有很长的路要走。目前,APT公司计划首先在其马里兰州的实验室开始摸索和试验这种疗法。


为什么噬菌体疗法前途无量?

事实上,在美国,关于噬菌体疗法批准程序的讨论已经开始,像上述两家公司一样,不少公司也开始进入这个领域。这些试验虽然还处于早期阶段,但将来可能会成为我们应对抗生素耐药性的新手段。

那么,为什么噬菌体会脱颖而出,成为科学家眼中替代抗生素的不二选择?原因还得从细菌对抗生素的耐药机制讲起。细菌对抗生素耐药主要有以下5种机制:(1)钝化酶的产生,即耐药菌株通过合成某种钝化酶作用于抗菌药物,使其失去抗菌活性;(2)药物作用的靶位发生改变;(3)细胞壁通透性的改变,使进入菌体的抗生素量大大减少;(4)主动外排机制,某些细菌突变以后能主动将进入菌体的药物泵出体外;(5)细菌生物被膜的形成,当细菌粘附于固体或有机腔道表面时可形成微菌落,表面会被细菌分泌的多糖蛋白复合物包裹,可阻止或延缓抗生素的渗入甚至促进抗生素的水解。

但噬菌体杀死细菌的机制与抗生素是截然不同的。

首先,噬菌体识别宿主表面的糖类和蛋白质,并通过“尾巴”吸附到细菌表面。接着,噬菌体的穿刺结构便会刺穿细菌的细胞膜,将自身的遗传物质注入细菌内,并在细菌体内开始增殖,直至产生许多新的噬菌体。众多噬菌体会破坏宿主的细胞结构,从而使细菌破裂。释放出来的噬菌体进一步感染并杀死邻近的细菌,以此循环。也就是说,只要噬菌体能与细菌特异性结合,即便是耐药细菌,也依旧逃脱不了噬菌体的“魔爪”。

除此之外,使用噬菌体疗法来治疗耐药细菌感染还有许多不为人知的优点。首先是这种疗法能够破坏细菌生物被膜。如果要用抗生素破坏患者体内细菌形成的生物被膜,往往要将剂量提到正常剂量的1000倍以上。显然,这么高的抗生素浓度对患者是有毒性的。然而,噬菌体能够轻而易举地穿透生物被膜从而杀死细菌。其次是其高度特异性,噬菌体疗法不会像某些抗生素一样对哺乳动物细胞也有杀伤性。最后,这种噬菌体疗法副作用小。许多抗生素都会有副作用,轻者如恶心,重者如肾功能衰竭。然而根据目前的报道来看,噬菌体疗法几乎没有副作用。当然,这种疗法也有其局限性,包括噬菌体的窄宿主性导致治疗的盲目性、噬菌体制剂成分不单一、质量控制标准缺乏、噬菌体制剂的药代动力学不清楚等。

但这种疗法仍然被不少人看好。《纽约时报》专栏作家卡尔·齐默(Carl Zimmer)曾在2015年表示:“噬菌体有很大的潜力,这是普通抗生素所不具备的。我认为我们真正需要做的是,制定批准医疗应用的程序,并为杀死细菌的病毒腾出更大空间。”就连 FDA 这样严苛的机构其实也对噬菌体疗法充满期待:“在耐药细菌肆意妄为的今天,噬菌体疗法的提出确实非常振奋人心。临床试验收集的安全性和有效性相关数据将告诉我们它是否能真正用于临床。”如果有效的话,噬菌体疗法最终将有望替代抗生素成为治疗细菌感染的主流选择,人类在耐药菌面前,或许可以不再如此被动和脆弱。

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