申请人已具备独立开展实验的能力,参与指导老师申报的发明专利一项(专利已提交申请)。
指导教师主要从事以噬菌体为主的新型抗菌制剂研发工作。主持黑龙江八一农垦大学引进人才科研启动项目、大庆市市科学技术项目。
本项目依托于指导教师的科研项目,是指导教师科研项目的一部分。
申请人已具备独立开展实验的能力,参与指导老师申报的发明专利一项(专利已提交申请)。
指导教师主要从事以噬菌体为主的新型抗菌制剂研发工作。主持黑龙江八一农垦大学引进人才科研启动项目、大庆市市科学技术项目。
本项目依托于指导教师的科研项目,是指导教师科研项目的一部分。
| 序号 | 学生 | 所属学院 | 专业 | 年级 | 项目中的分工 | 成员类型 |
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刘馨聪 | 动物科技学院 | 动物医学(创新人才班) | 2022 | 噬菌体分离及全基因组序列分析 |
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魏凡婷 | 动物科技学院 | 动物医学(创新人才班) | 2023 | 噬菌体治疗雏鹅沙门菌感染 |
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张稳莹 | 动物科技学院 | 动物医学(创新人才班) | 2023 | 噬菌体受体的鉴定 |
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吕颖 | 动物科技学院 | 动物医学(创新人才班) | 2022 | 噬菌体分离 |
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魏小慧 | 动物科技学院 | 动物医学(创新人才班) | 2023 | 噬菌体生物学特性检测 |
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| 序号 | 教师姓名 | 所属学院 | 是否企业导师 | 教师类型 |
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高东阳 | 动物科技学院 | 否 |
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日益严重的细菌耐药已成为全球公共健康领域面临的重大挑战,以噬菌体为代表的新型生物抗菌疗法受到越来越多的关注。噬菌体制剂的应用对减少畜禽肠道微生态的破坏以及抗生素抗性风险具有重要意义。近年来,美国、欧盟、以色列、澳大利亚和中国等相继成立噬菌体研发中心,以政府为主导、企业与高校协同创新的研究模式积极地推进了噬菌体学术、产业与临床的发展,也促进了监管机构对于噬菌体在临床和产业等方面的监管水平。由此可见,噬菌体产业具有极高的战略地位。本研究的目的是制备高效宽宿主谱的沙门菌噬菌体鸡尾酒,并进行雏鹅治疗效果评价,为预防或治疗沙门菌感染提供一种候选生物制剂。
(1) 沙门菌噬菌体资源库的建立及靶向受体的鉴定
以肠炎沙门菌SE006作为宿主菌,使用双层平板法从不同地区采集的污水样品中进行噬菌体的分离。使用不同血清型的沙门菌检测噬菌体的宿主谱,利用前期研究获得的噬菌体常用宿主受体基因定向敲除株菌库(包括12个不同的外膜蛋白基因敲除菌株和16个调控LPS不同部分的基因敲除菌株)筛选噬菌体所靶向的宿主受体。
(2) 噬菌体生物学特性检测及全基因组序列分析
通过噬菌体受体和宿主谱检测,筛选宿主谱广且受体不相同的噬菌体作为噬菌体鸡尾酒组合的候选噬菌体。检测噬菌体的最佳感染复数(MOI)、一步生长曲线、氯仿敏感性实验、噬菌体对不同温度的敏感性实验、噬菌体对不同pH的稳定性实验;为确保噬菌体在基因水平上是安全的,分析序列中是否含溶原性相关基因、毒力相关基因和抗生素耐药相关基因。
(3) 噬菌体鸡尾酒组合的筛选及杀菌效果评价
为拓宽噬菌体的宿主谱以及延缓噬菌体抗性菌株的产生,首先挑选受体不同、宿主谱宽的噬菌体,结合噬菌体的基本生物学特性和全基因组序列分析筛选最佳噬菌体鸡尾酒组合。为了更贴近噬菌体在禽养殖业中的临床应用效果,建立雏鹅沙门菌肠道感染模型,评价噬菌体鸡尾酒在治疗雏鹅沙门菌感染的效果。
近年来,耐多药(MDR)细菌的迅速出现促使人们寻找新的、更有效的抗菌药。面对这一棘手问题,噬菌体作为抗生素的潜在替代品重新引起了公众的注意。噬菌体(phage)是一类感染细菌宿主的病毒。早在100年以前,噬菌体就进入了科学家的视野,但是由于抗生素的发现和广泛使用,严重阻碍了噬菌体的发展。然而,随着近几年抗生素耐药性的普遍出现,“噬菌体疗法”正在被重新重视[1, 2]。2006年,美国食品药品监督管理局(FDA)批准了首个用于控制李斯特菌的噬菌体鸡尾酒ListShield?。之后,多种商业化噬菌体产品被用于食品生物防治[3-5],这表明美国FDA承认噬菌体是安全、有效的。2016年,为救治一位严重耐药鲍曼不动杆菌感染的患者,美国医生通过向美国FDA提交紧急使用研究性新药申请,开展了美国近年来的第一次噬菌体治疗[6]。这一案例引起了全球科研工作者对于噬菌体治疗的兴趣,也受到了美国FDA的高度关注,FDA多次召开专题会议,进一步研究噬菌体治疗的监管方案,以更好地对其推广应用。
目前,我国上海市公共卫生中心噬菌体研究所利用噬菌体治疗耐药性细菌如鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷佰菌等引起的难治性感染取得成功,在我国开启了噬菌体治疗的新征程。2023年,欧洲药监局发布全球首个噬菌体兽药质量、安全性和有效性科学指南,该指南的出台有望推进或加速兽用噬菌体产品及原料的审批和上市。可见,噬菌体疗法在人医和兽医领域的临床应用趋向于更合法合规。
2. 噬菌体在禽沙门菌的应用
噬菌体在治疗家禽细菌性疾病方面被证明是可行的。在家禽养殖业中,噬菌体治疗沙门菌有两个基本目的。首先,噬菌体治疗可以最大限度地减少细菌性病原体对动物健康和生产影响所造成的损失。第二,以噬菌体为基础的生物防治被认为是控制人类食源性病原菌感染的有力工具。噬菌体在预防和治疗家禽大肠杆菌病一直有很好的效果。在对抗各种沙门菌血清型(如肠炎或鼠伤寒沙门菌)或弯曲杆菌引起的感染上也获得了明显的效果。
噬菌体的治疗效果取决于合适的噬菌体类型、噬菌体滴度、应用方式和应用时间等[7, 8]。噬菌体鸡尾酒可以通过不同的方法给药,例如,添加到饮用水中饮用或作为饲料添加剂喂食,也可通过在鹅蛋上喷洒,或通过直接在受污染的产品中添加噬菌体裂解液。因此,噬菌体可能是抑制沙门菌的水平和垂直传播的一种很有前途的干预策略。在将孵化的受精蛋从恒温箱转移到孵化器的过程中,使用噬菌体作为气溶胶喷雾可能是减少沙门菌通过卵水平传播的一种经济有效的方法[9]。一项通过口服接种噬菌体制剂来减少沙门菌在鹅体内的定植的研究表明,噬菌体的使用可能对控制该病原体的垂直传播有较好的效果[10]。在所有已鉴定的沙门菌噬菌体中,最著名的是P22和Felix-O1。Felix-O1是一种广谱的裂解性噬菌体,可以裂解多种沙门菌血清型,被认为是治疗和诊断应用的有效候选药物[11]。沙门菌噬菌体SalmoFREE?产品由六种沙门菌烈性噬菌体的混合物组成,在家禽生产系统中被大规模使用评估[12],通过饮水多次服用,结果表明SalmoFREE控制了沙门菌的发病率,未发生其它不良影响,证明了噬菌体的有效性和无毒性。
3. 噬菌体鸡尾酒可以规避单一噬菌体的有限宿主谱和噬菌体抗性菌的出现
噬菌体高度的宿主特异性是区别于抗生素的一个重要特征。宿主特异性是一把“双刃剑”,一方面高度特异性使噬菌体仅杀死目标细菌,而不会破坏共生的正常菌群[13]。另一方面,宿主特异性也影响了噬菌体的宿主范围,严重限制了噬菌体的应用。此外,在噬菌体治疗的过程中,由于细菌中含有多种防御系统并且细菌表面受体容易发生突变,导致细菌对噬菌体产生抗性,从而无法裂解该细菌。为了克服这种局限性,可以使用噬菌体鸡尾酒,即多种噬菌体进行组合调配,可以很好的规避单一噬菌体的有限宿主谱和噬菌体抗性菌的出现[14, 15]。虽然噬菌体鸡尾酒在一些临床应用中已被证明是可行的[16, 17],但噬菌体鸡尾酒制剂并不是各种不同噬菌体的随机混合,而是通过理论上的优选或排除等优化设计,基于科学试验得出的不同噬菌体混合物[18]。噬菌体鸡尾酒中的噬菌体越多,其药代动力学、药效学和安全性就越难预测,生产也越发复杂[19]。
一般在噬菌体鸡尾酒的配置过程中,应该考虑受体多样、吸附能力强、潜伏期短、裂解量大的噬菌体。在噬菌体鸡尾酒的配制过程中,也可以考虑使用宿主范围广泛的噬菌体,以减少鸡尾酒中噬菌体的数量。噬菌体鸡尾酒也可以通过鉴定靶向宿主菌不同受体的噬菌体,以不同受体的噬菌体配置噬菌体鸡尾酒[20]。如前所述已经介绍细菌对噬菌体感染的易感性最初取决于噬菌体能否吸附到细菌细胞表面的受体上,细菌经常通过细菌的受体突变来阻止噬菌体的感染。使用靶向不同受体的噬菌体配置鸡尾酒通常是首选的[21],因为不同的受体单点突变可能不会同时发生。
4. 沙门菌高效噬菌体鸡尾酒的研制
随着人们对食品安全和卫生的关注度越来越高,禽产业链的动物源性食品安全越来越受到关注。沙门菌是禽产业链上最常见的细菌之一,它会严重威胁人们的健康。本研究针对禽感染或禽相关产品污染沙门菌的问题,寻找一种高效的裂解性噬菌体作为一种绿色生物防治剂,减少抗菌药物的使用,避免多药耐药菌株对环境的污染和对人体健康的危害。为了更好的发挥噬菌体的杀菌效果,减少噬菌体抗性突变体的产生。本研究利用噬菌体靶向的细菌受体作为设计噬菌体鸡尾酒的标准,探究噬菌体鸡尾酒在体内和体外的杀菌效果。
主要参考文献
[1] Ling H, Lou X, Luo Q, He Z, Sun M, Sun J. Recent advances in bacteriophage-based therapeutics: Insight into the post-antibiotic era. Acta Pharm Sin B. 2022; 12(12):4348-4364.
[2] Hitchcock NM, Devequi Gomes Nunes D, Shiach J, et al. Current Clinical Landscape and Global Potential of Bacteriophage Therapy. Viruses. 2023; 15(4):1020.
[3] Sulakvelidze AJM. Safety by nature: potential bacteriophage applications. Microbe. 2011; 6(3):122-126.
[4] Polaska M, Sokolowska B. Bacteriophages-a new hope or a huge problem in the food industry. AIMS Microbiol. 2019; 5(4):324-346.
[5] Dec M, Wernicki A, Urban-Chmiel R. Efficacy of experimental phage therapies in livestock. Anim Health Res Rev. 2020; 21(1):69-83.
[6] Schooley RT, Biswas B, Gill JJ, et al. Development and Use of Personalized Bacteriophage-Based Therapeutic Cocktails To Treat a Patient with a Disseminated Resistant Acinetobacter baumannii Infection. Antimicrob Agents Chemother. 2017; 61(10).
[7] Wernicki A, Nowaczek A, Urban-Chmiel R. Bacteriophage therapy to combat bacterial infections in poultry. Virol J. 2017; 14(1):179.
[8] Atterbury RJ, Van Bergen MA, Ortiz F, et al. Bacteriophage therapy to reduce salmonella colonization of broiler chickens. Appl Environ Microbiol. 2007; 73(14):4543-4549.
[9] Henriques A, Sereno R, Almeida A. Reducing Salmonella horizontal transmission during egg incubation by phage therapy. Foodborne Pathog Dis. 2013; 10(8):718-722.
[10] Sonalika J, Srujana AS, Akhila DS, Juliet MR, Santhosh KS. Application of bacteriophages to control Salmonella Enteritidis in raw eggs. Iran J Vet Res. 2020; 21(3):221-225.
[11] Carvalho CM, Santos SB, Kropinski AM, Ferreira EC, Azeredo J. Phages as therapeutic tools to control major foodborne pathogens: Campylobacter and Salmonella. In: Kurtboke I, ed. Bacteriophages, InTech: Rijeka, Croatia. 2012:179–214.
[12] Clavijo V, Baquero D, Hernandez S, et al. Phage cocktail SalmoFREE(R) reduces Salmonella on a commercial broiler farm. Poult Sci. 2019; 98(10):5054-5063.
[13] Kingwell K. Bacteriophage therapies re-enter clinical trials. Nat Rev Drug Discov. 2015; 14(8):515-516.
[14] Barbu EM, Cady KC, Hubby B. Phage Therapy in the Era of Synthetic Biology. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2016; 8(10):a023879.
[15] Gordillo Altamirano FL, Barr JJ. Phage Therapy in the Postantibiotic Era. Clin Microbiol Rev. 2019; 32(2).
[16] Nick JA, Dedrick RM, Gray AL, et al. Host and pathogen response to bacteriophage engineered against Mycobacterium abscessus lung infection. Cell. 2022; 185(11):1860-1874.e1812.
[17] Dedrick RM, Guerrero-Bustamante CA, Garlena RA, et al. Engineered bacteriophages for treatment of a patient with a disseminated drug-resistant Mycobacterium abscessus. Nat Med. 2019; 25(5):730-733.
[18] Merabishvili M, Pirnay JP, De Vos D. Guidelines to Compose an Ideal Bacteriophage Cocktail. Methods Mol Biol. 2018; 1693:99-110.
[19] Chan BK, Abedon ST, Loc-Carrillo C. Phage cocktails and the future of phage therapy. Future Microbiol. 2013; 8(6):769-783.
[20] Tanji Y, Shimada T, Yoichi M, Miyanaga K, Hori K, Unno H. Toward rational control of Escherichia coli O157:H7 by a phage cocktail. Appl Microbiol Biotechnol. 2004; 64(2):270-274.
[21] Gordillo Altamirano FL, Barr JJ. Unlocking the next generation of phage therapy: the key is in the receptors. Curr Opin Biotechnol. 2021; 68:115-123.
(1)研究主题聚焦前沿,解决行业需求
本项目从无抗养殖的发展趋势出发,针对沙门菌在畜禽养殖及其动物性食品加工产业链中广泛存在,噬菌体在畜禽及产业链上的应用可能是一种重要的对抗沙门菌的武器。目前,噬菌体疗法面临的宿主范围窄、噬菌体抗性菌株出现等问题,阻碍噬菌体疗法的应用和推广。虽然噬菌体鸡尾酒可以拓宽噬菌体宿主范围并延缓噬菌体抗性菌株的产生,但需要合理有依据地设计噬菌体鸡尾酒才能达到最佳组合效果。本研究拟筛选出一种高效宽宿主谱的沙门菌噬菌体鸡尾酒组合,提高噬菌体疗法在沙门菌病防控中的效果。
(2)研究思路创新,解决噬菌体疗法应用缺陷
虽然噬菌体鸡尾酒在一些临床应用中已被证明是可行的,但噬菌体鸡尾酒制剂并不是各种不同噬菌体的随机混合,而是通过理论上的优选或排除等优化设计,基于科学试验得出的不同噬菌体混合物。基于此,本研究以噬菌体所靶向的宿主受体作为组成噬菌体鸡尾酒成分的标准,筛选靶向不同受体的噬菌体,并研制一种高效的沙门菌噬菌体鸡尾酒,系统评价其治疗效果以期为其临床应用提供参考,为预防沙门菌感染提供候选的生物制剂。
1. 技术路线
1. 拟解决的问题
沙门菌噬菌体被广泛应用于畜禽沙门菌病的治疗,但是噬菌体宿主范围通常较窄,且细菌对单一噬菌体的应用极易产生抗性,这极大地限制了噬菌体疗法的应用。虽然噬菌体鸡尾酒可以拓宽噬菌体宿主范围并延缓噬菌体抗性菌株的产生,但需要合理有依据地设计噬菌体鸡尾酒才能达到最佳组合效果。基于此,本研究以噬菌体所靶向的宿主受体作为组成噬菌体鸡尾酒成分的标准,筛选靶向不同受体的噬菌体,并研制一种高效的沙门菌噬菌体鸡尾酒。
2. 预期成果
(1)建立沙门菌噬菌体资源库,为实现噬菌体应用的广谱性、噬菌体鸡尾酒的调配提供资源库。
(2)制备高效宽宿主范围的沙门菌噬菌体鸡尾酒,并进行雏鹅治疗效果评价。
(3)发表高质量学术论文(SCI、卓越期刊、农林高质量期刊)1篇,完成项目研究报告。
2024年6月-2024年12月:
(1)分离噬菌体,完成噬菌体资源库的建立;
(2)对所分离的噬菌体进行受体鉴定;
(3)噬菌体生物学特性检测;
(4)噬菌体全基因组测序及分析。
2025年1月-2025年6月:
(1)筛选噬菌鸡尾酒,及体外杀菌效果评价;
(2)噬菌体鸡尾酒治疗雏鹅沙门菌感染效果;
(3)整理数据,撰写论文;
(4)撰写结题报告。
1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩
项目申请者指导老师长期从事禽沙门菌病的基础研究与防治技术研究。在禽沙门菌分离鉴定、沙门菌感染的检测、沙门菌噬菌体新型抗菌制剂研发等方面积累了相关研究材料和技术手段,为本项目的顺利实施提供了基础保障。
本项目是在实验室前期的研究基础上设立的,充分的前期研究为本项目的实施奠定了必备的重要基础。具体研究内容如下:
(1)噬菌体宿主受体的鉴定研究
通常鉴定噬菌体宿主受体的方式有很多种,例如对噬菌体产生抗性的突变株测序后比对基因突变位点、转座子随机突变体库筛选以及构建噬菌体常用的受体基因敲除株菌库。前期研究采用构建噬菌体常用受体的基因敲除株鉴定噬菌体受体。通常噬菌体的宿主受体是细菌的表面结构,在革兰氏阴性菌中噬菌体受体多是细菌表面的荚膜多糖,脂多糖和外膜蛋白。以肠炎沙门菌SE006作为野生株,以此构建相应的定向突变体库。前期研究以肠炎沙门菌SE006作为野生株构建噬菌体常见受体基因的定向敲除株菌库,其中筛选到调控LPS不同结构的基因16个(如图1),外膜蛋白基因12个(如图2)。利用λ-Red同源重组技术对所筛选的目的基因定向敲除(Microbiology Spectrum,2022),为噬菌体受体鉴定提供了实验材料和技术的保障。
图1:SE006 LPS合成相关基因的PCR鉴定
M:DL 2000 DNA Marker;1:使用外侧引物扩增SE006的目的基因;2使用外侧引物扩增基因敲除株的目的基因;3:阴性对照(H2O);4:使用内侧引物扩增SE006的目的基因;5:使用内侧引物扩增基因敲除株的目的基因;6:阴性对照(H2O)。
图2:SE006外膜蛋白相关基因的PCR鉴定
M:DL 2000 DNA Marker;1:使用外侧引物扩增SE006的目的基因;2使用外侧引物扩增基因敲除株的目的基因;3:阴性对照(H2O);4:使用内侧引物扩增SE006的目的基因;5:使用内侧引物扩增基因敲除株的目的基因;6:阴性对照(H2O)。
(1)本项目申请人目前已全面掌握噬菌体的分离技术,在实验室一年的学习期间已分离到沙门菌噬菌体30株,已初步建立沙门菌噬菌体资源库。
(2)噬菌体受体鉴定可用利用本实验室前期构建受体基因的定向敲除株菌库鉴定其受体,为项目后续的顺利进行提供了技术保障。
(3)尚缺少的条件:缺少用于噬菌体宿主谱鉴定的不同血清型的沙门菌菌株,在分离噬菌体的同时也在同时分离沙门菌。
| 开支科目 | 预算经费(元) | 主要用途 | 阶段下达经费计划(元) | |
|---|---|---|---|---|
| 前半阶段 | 后半阶段 | |||
| 预算经费总额 | 18500.00 | 无 | 8500.00 | 10000.00 |
| 1. 业务费 | 9500.00 | 无 | 5000.00 | 4500.00 |
| (1)计算、分析、测试费 | 3000.00 | 噬菌体基因组测序 | 3000.00 | 0.00 |
| (2)能源动力费 | 500.00 | 水电等能耗 | 0.00 | 500.00 |
| (3)会议、差旅费 | 2000.00 | 实地考察鹅场、采集样品 | 1000.00 | 1000.00 |
| (4)文献检索费 | 1000.00 | 论文查找、打印 | 1000.00 | 0.00 |
| (5)论文出版费 | 3000.00 | 论文版面费 | 0.00 | 3000.00 |
| 2. 仪器设备购置费 | 1000.00 | 雏鹅动物实验用的笼子、饲料等 | 0.00 | 1000.00 |
| 3. 实验装置试制费 | 1000.00 | 雏鹅动物实验场地费 | 500.00 | 500.00 |
| 4. 材料费 | 7000.00 | 实验所需材料试剂、雏鹅 | 3000.00 | 4000.00 |