SCLS | 朱永官院士等-噬菌体技术阻抑抗生素耐药风险隐匿大流行

发布时间:2022-08-29

    噬菌体技术阻抑抗生素耐药风险隐匿大流行

  Silencing the Silent Pandemic: Eliminating Antimicrobial Resistance by Using Bacteriophages

  Insight,2022-8-19,SCIENCE CHINA Life Sciences , [IF 10.372] 

  DOIhttp://doi.org/10.1007/s11427-022-2182-6

  第一作者:Mao Ye (叶茂)

  通讯作者:Yong Guan Zhu(朱永官)

  合作作者:Jian Qiang Su(苏建强),Xin Li An(安新丽)

  主要单位:中国科学院土壤科学研究所(Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences)

  中国科学院城市环境研究所(Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences)

  中国科学院生态环境研究中心(Research Center for Eco-environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences)

  原文链接:http://www.sciengine.com/SCLS/doi/10.1007/s11427-022-2182-6

  正文简介

  抗生素耐药性风险作为全球性的健康问题已引起了广泛关注,抗生素抗性细菌(Antibiotic Resistance Bacteria:ARB)以及抗生素抗性基因(Antibiotic Resistance Genes:ARGs)能够在人类,动物和环境之间广泛传播,而人为活动,如畜禽养殖、医疗临床、生活垃圾填埋场、污水处理厂等已被证明是耐药风险增殖、扩散的热点区域。特别是在新冠病毒疫情的叠加影响下,抗生素耐药菌,乃至抗性致病菌的扩散传播更加迅速,呈现出隐匿大流行的态势。ARB将降低人类预防和治疗细菌感染的能力,导致人类死亡率及经济损失量升高。世界卫生组织于2016年5月21日发表的文章中援引O’Neill同年发表的综述,指出预计至2050年,全球范围内抗菌素耐药性将会导致每年1000万人死亡,并累计造成100万亿美元的经济损失。而抗生素耐药性也将致使生态系统隐现不可预见的失衡。上述ARGs扩散传播现象已经引起并受到国际政府及学者公众的高度警觉,由国际政府组织卫生部长会议于2021年6月4日发表的联合声明中表示,对抗疫情过程中需慎重考虑当前抗生素耐药性传播的严峻现状,寻求安全有效的治疗手段。因此,迫切需要开展环境中抗生素耐药菌削减及抗性基因风险消除的科学研究,深入推进One Earth One Health行动计划。

  近年来中国政府和学者致力于降低环境中抗生素耐药性风险的工作,已取得了显著成效。中国农业农村部公告显示自2020年7月1日实行饲料“禁抗”令,并在公共医疗卫生领域逐渐“限制抗生素的使用”。中国学者还研发了多种环境抗性基因风险管控与削减的针对性治理技术,如:通过农业废弃物循环利用技术制备生物质,将生物质添加至抗生素、ARB、ARGs复合污染热点土壤中,以此阻控或抑制ARB、ARGs向作物可食用部分的迁移富集;采用堆肥发酵原理,利用渐变高温技术消减有机肥中的ARB、ARGs; 采用高级氧化技术、电化学技术等,同步消减水环境中抗生素抗性风险。然而,现有国内外削减技术仍存在靶向性低、周期长、成本较高等共性科学难题。因而,噬菌体技术再次回归人类视野。噬菌体疗法作为源自自然的纯生物削减技术,为抗生素耐药性风险消减带来了全新希望(图1)。

  图1 噬菌体技术与其他生化物化技术在削减抗生素耐药风险中的差异

  噬菌体是地球上物种丰富度最高的一类特殊生物体,能够通过溶原裂解机制,实现对活体宿主细菌的专性“捕食”。噬菌体疗法是指通过分离、筛选制备专属于抗性宿主耐药菌的烈性噬菌体,而后通过向污染环境中投放经培养的噬菌体菌剂,定向侵染并灭活ARB,消除ARGs的技术方式。烈性噬菌体可以直接感染并靶向裂解抗生素耐药菌,使得耐药菌体内的抗生素抗性基因释放到环境介质中,并加速自然降解。噬菌体疗法相较于传统的生化、物化修复技术而言,具有靶向性(噬菌体与高度同源性耐药宿主间特有的侵染关系,使得污染环境中健康细菌所受影响较小)、自限性(噬菌体丰度随环境中宿主丰度降低而下降,同时保持对目标致病细菌的持续灭活压力)和所需初始接种量低(噬菌体能够在宿主体内按照指数倍增殖并释放子代噬菌体,子代噬菌体将继续裂解ARB)的优点。已有研究发现,多价噬菌体和生物炭联用能够实现农业土壤-植物系统中高丰度的ARB的定向失活,进而促进土壤-植物系统中ARGs的消减,以此证明噬菌体疗法的可行性。

  此外,最新的研究表明噬菌体携带的CRISPR-Cas系统也在阻断耐药基因的传播方面表现出巨大潜力。CRISPR-Cas 系统是一种微生物适应性免疫系统, 参与防御不同类型的移动遗传原件。一方面,携带有Cas9系统的宿主细菌,可以有效抵御含有耐药基因的噬菌体侵染,从而抑制由噬菌体介导的抗性基因传播。另一方面,科研人员也已成功将装配有Cas9基因的工程噬菌体应用于选择性去除病原菌体内的抗生素抗性基因。因此,CRISPR-Cas9系统因其编辑效率高,操作简易,被视为对抗耐药性风险的新兴策略。

  未来的研究热点将主要集中在:1. 高通量精准筛选更加环境友好、成本低廉和广宿主型混合“鸡尾酒”噬菌体制剂,提升灭活宿主耐药菌的持久性;2. 研发含有CRISPR-Cas9系统的噬菌体,优化递送方式,提升侵染的成功率,突显靶向去除耐药菌体内抗性基因的效率;3. 采用多组学技术探明噬菌体疗法对于土壤微生物群落结构、功能装配及养分循环的影响;4. 建立噬菌体疗法在环境应用中的风险评估模型,在学术界、工业界、管理部门等共同努力下,构建绿色可持续的噬菌体技术的运行监管机制。相信在不久的将来,噬菌体削减技术将会在根除环境抗生素耐药风险隐匿大流行中发挥更加广阔的积极作用。

  视频解读:http://www.bilibili.com/video/BV1kB4y1L73E/ 

  感谢南京农业大学孙明明教授和刘舒月硕士生的学术建议及绘图工作,感谢国家自然科学基金委(42021005, 42177113)和中国科学院青年创新促进会项目(2018350)的资助。

  - 作者简介 -

  第一作者

  中国科学院土壤研究所

  叶茂

  博士,副研究员

  叶茂,博士,副研究员/硕士生导师,研究方向:场地土壤噬菌体-宿主解毒机制与智能降解菌合成技术。2016年6月-至今,担任中科院南京土壤研究所副研究员(中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室)。工作期间在美国University of Nebraska-Lincoln,环境工程专业,从事污染土壤修复合作研究一年。近5年主持了国家重点研发计划课题/子课题、江苏省优秀青年基金(优秀结题)、国家/省自然科学基金(面上/青年)项目、中科院科研设备研发青年人才项目、江苏省生态环境厅重点项目(优秀结题)、省农业自主创新项目等。以第一或通讯作者身份在Microbiome、Environ. Inter.等期刊发表SCI论文27篇,总影响因子(5年)165,H指数21,担任Viruses期刊、Frontiers in Microbiology期刊专刊主编与副编委。以第一发明人获得授权美国发明专利1件,第一发明人获得授权中国发明专利7项。以第一制作人获得国家计算机软件著作权2项,参编江苏省及行业修复技术导则2项,获中国土壤学会优秀青年学者奖、江苏省333工程第三层次培养对象等。

  通讯作者

  中国科学院城市环境研究所

  朱永官

  博士,院士

  朱永官,生态环境专家,中国科学院院士,发展中国家科学院院士,中国科学院城市环境研究所和中国科学院生态环境研究中心研究员、博士生导师。2022年2月,获国际土壤科学联合会李比希奖,为首位获此殊荣的亚洲科学家。长期从事环境土壤学和环境生物学研究。朱永官研究工作涉及土壤—植物系统中微量元素和污染物迁移和生物转化的机制,研究重点是从分子水平上研究微生物和植物对污染物的生物转化机制与调控,环境中抗生素抗性基因污染等。现任国际期刊Environment International共同主编、iMeta期刊顾问以及多个国内外学期刊的副主编和编委。在国际上发表学术论文500余篇,包括多篇发表在Science, Nature及其子刊。2016-2021年连续六年入选科睿唯安(Clarivate Analytics)全球高被引科学家,Google Scholar系统引用65,424余次,H指数136(截止2022年8月21日)。

  合作作者

  中国科学院城市环境研究所

  苏建强

  博士,研究员

  苏建强,男,1979年生,博士,研究员,国家自然科学基金优秀青年科学基金项目获得者。1999年获厦门大学生物系学士学位,2002年获厦门大学环境科学硕士学位,2006年获厦门大学理学(微生物学专业)博士学位。2007-2009厦门大学环境科学与工程博士后流动站博士后。2009-2015 中国科学院城市环境研究所副研究员。2016年中国科学院城市环境研究所研究员。研究领域:一直从事环境微生物学和微生物分子生态学基础研究工作,主要采用高通量现代分子生物学技术研究环境微生物群落结构和功能多样性及其对环境因子的响应和耦合机制。尤其侧重:(1)土壤关键生源要素碳、氮、磷、硫转化的功能过程和微生物学机制,以及对环境因子的响应和耦合机制;(2)围绕城市环境与人类健康,新型污染物(抗生素抗性基因)环境中的来源和组成、丰度和分布、传播和扩散过程和机制。

  中国科学院城市环境研究所

  安新丽

  博士,助理研究员

  安新丽,女,博士,助理研究员。2018年7月-至今,中国科学院城市环境研究所助理研究员,以第一或通讯作者身份在Microbiome、Environ. Inter.等期刊发表多篇SCI论文,主持国家自然科学基金青年基金项目1项,参与多项国家自然科学基金项目重点重大项目和科技部重点研发项目。主要研究方向:环境微生物学,微生物分子生态。尤其是微生物抗生素抗性基因在环境中的来源、分布和扩散机制的研究,以及环境病原菌检测、分布、毒力与抗性基因分布、进化等相关研究。

(转自iMeta期刊)

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