无处不在
4 敌人的敌人
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与病毒共赴未来
与病毒共赴未来
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德雷勒医生的噬菌体疗法让他名声大噪,美国作家辛克莱·刘易斯(Sinclair Lewis)以他的惊人发现为原型,写成了1925年的畅销小说《阿罗史密斯》(Arrowsmith),这部著作在1931年又被好莱坞搬上了银幕。同时,德雷勒医生研制的噬菌体药物开卖了,销售这种新药的公司就是我们现在熟知的欧莱雅。当时的人们用德雷勒医生的噬菌体治疗皮肤损伤和肠道感染。
噬菌体疗法的拥护者坚持认为,我们根本不必担心病毒用于医疗的安全性。毕竟噬菌体实际上广泛存在于最常见的食物中,包括酸奶、酸菜、萨拉米肠里都有。我们的身体里也到处都是噬菌体,要知道人体携带着100万亿个细菌,这些细菌里驻扎一些噬菌体不足为奇。每天,噬菌体都在我们体内杀灭大量细菌,而这个自然的过程也并没有给我们的健康带来任何损害。
特沃特发表了他的发现,在文章里列出这三种可能性,但没做更多解释。“病毒入侵细菌”的想法太激进了,显然没能“入侵”到他的观念中。事情直到两年后才有了翻盘,加拿大裔医生费利克斯·德雷勒(Félix d'Herelle)独立观察到了相同的现象,而这一次,当事人对新想法可是毫不抗拒。
但是由于苏联政府的保密策略贯彻得太过得力,在格鲁吉亚以外,很少有人知道这个惊人的试验结果。直到1989年苏联解体之后,试验才逐渐得到披露,虽然影响范围并不大,但这个试验的确吸引了一群特别有钻研精神的西方科学家投入噬菌体疗法的研究中。他们希望通过自己的努力,让西方世界放下长久以来对噬菌体疗法的偏见,也启用这种疗法。
然而温和性噬菌体的DNA有时也会觉醒,把宿主细胞征用为自己的复制工厂,制作出更多噬菌体,然后像溶菌性噬菌体一样爆裂而出,去感染更多细胞。无论如何,在温和性噬菌体整合到细菌里之后,其他噬菌体就没法再入侵同一个细菌了,细菌就像免疫了一样。这就解释了为什么博尔代用噬菌体没能杀死最初的那些细菌,因为温和性噬菌体已抢先入驻了细菌,从而保护它们免受更多入侵。
对于这些结果,特沃特能想到三种解释。第一,他所观察到的http://www•99lib.net,可能只是细菌生命周期中的一个奇怪特性。还有一种可能是,这些细菌合成了一些酶,把它们自己给杀死了。第三种解释最离奇,可能特沃特发现了一种能杀死细菌的病毒。
1949年德雷勒医生离世,但他的梦想没有随之消散。20世纪20年代,德雷勒医生曾造访苏联并会见了一些科学家,这些科学家希望组建一个研究机构以专门研究噬菌体疗法。1923年,他帮助这些科学家在如今格鲁吉亚共和国的首都第比利斯创建了“Eliava噬菌体、微生物和病毒研究所”。在它的鼎盛时期,研究所雇用了1200名员工,专门制造噬菌体,每年的产量达到几吨。第二次世界大战期间,苏联把噬菌体粉末和用噬菌体制造的药片运到前线,发放给感染的士兵。

可用作药物的噬菌体病毒

噬菌体疗法的另一个顾虑是它们的打击面太窄了。每种噬菌体只会针对一种细菌,但抗生素却能把多种细菌一网打尽。然而现在人们已经能用噬菌体疗法对抗多种细菌感染了。医生只需要把几种噬菌体混合在一起组成一款噬菌体“鸡尾酒”。Eliava研究所的科学家就曾经研发出一种敷料,里面含有六种噬菌体,涂在伤口上,能有效对抗六种能感染皮肤伤口的最常见细菌。
柯林斯和卢冠达从这些能降解生物膜的酶中挑出一种,合成了它的编码基因,再把这段基因整合到噬菌体的基因组中。接着,二位科学家又对噬菌体的DNA进行优化,好让它们一进到宿主的细胞里就开始大量合成降解生物膜的酶。科学家把改造过的噬菌体感染到大肠杆菌上,噬菌体果然迅速突破生物膜的阻挡,打入位于最外面的一层大肠杆菌内部,细菌被“绑架”,开始源源不断地生产噬菌体和对抗自身的酶。接着被感染的细菌溃破并把酶释放出来,更深层的大肠杆菌生物膜也被攻破,更多细菌遭受感染。这种经过改造的噬菌体可以消灭99.997%包覆在生物膜之中的大肠杆菌,消灭率大约是改造前的100倍。
博尔代认为,大肠杆菌没死,说明滤过液里并没有什么噬菌体,而是前一批大肠杆菌分泌了某种蛋白质,把其他的菌株毒死了,而这些蛋白质对它们自己则没有毒性。
德雷勒医生相信这个发现意义重大,这些病毒理应有自己的名字,于是给它们起名叫“噬菌体”(bacteriophage,简写为phage)。
但病毒感染细菌的想法听起来实在是太奇怪了,很多科学家都不能接受www•99lib•net。1919年诺贝尔奖获得者、法国免疫学家朱尔·博尔代(Jules Bordet)也尝试过寻找噬菌体。博尔代在自己的实验中没有用痢疾杆菌,而是使用了一种对人无害的大肠杆菌菌株。他把含有大肠杆菌的培养液倒到极细的滤网上,然后把滤过液和事先准备的另一些大肠杆菌混合在一起。像在德雷勒医生的实验里一样,新的大肠杆菌死了。接下来,他想看看如果把滤过的液体和原来的这一批大肠杆菌混合起来会发生什么。意想不到的事情发生了:这些大肠杆菌已经对滤过液里的“杀手”免疫。这样的结果,让博尔代转而公开极力反对德雷勒医生。
在检验这个假说之前,德雷勒医生需要先确定噬菌体对人体是安全的。他亲自吞下一些噬菌体,想看看噬菌体会不会让自己得病,结果发现人体成功消化了噬菌体,他写下:“没有出现任何不适。”接着,德雷勒医生把噬菌体注射到皮下,同样没有致病。他确信噬菌体是安全的,于是开始给病人使用噬菌体。据他报告,噬菌体帮助人们治好了痢疾和霍乱。后来,四名乘客在一艘行驶到苏伊士运河的法国游船上感染了腺鼠疫(黑死病),德雷勒医生用噬菌体给他们治疗,竟然让他们全部康复。
科学家对噬菌体的了解日渐深入,他们逐渐意识到,德雷勒医生和博尔代当年所争论的完全不是一码事。噬菌体并不只有一种,而不同种噬菌体和它们对应宿主之间的关系也不尽相同。德雷勒医生观察到的是一种比较凶狠的类型,科学家管它们叫“溶菌性噬菌体”,处于这种状态的噬菌体在增殖的过程中就会杀死宿主。博尔代实验中用到的则是一种比较友善的类型,也叫温和性噬菌体。温和性噬菌体对待细菌,更像HPV对待我们人类的皮肤细胞——它们感染了宿主,但宿主并不会爆开并释放新的噬菌体,相反,这些噬菌体的基因组会整合到宿主自己的基因组里,然后宿主就像什么也没发生一样,照常生长和分裂,这时候,宿主和噬菌体仿佛合二为一了。
研究的一个步骤是用极细的滤网过滤粪便,致病的痢疾杆菌和其他细菌无法通过滤网,这样,德雷勒医生就得到了一些澄清透明的液体,里面不含有细菌。他把这些液体和新鲜的痢疾杆菌样品混合在一起,铺在培养皿上。痢疾杆菌开始生长,但不到几个小时,德雷勒医生就发现了一个奇怪的现象:菌落上出了一些透明的小斑点。德雷勒医生从这些斑点上取样,接种到新的痢疾杆菌上,培养皿上再次出现新的亮斑。德雷勒医生得出结论,这些透明的小斑点就是病毒剿灭细菌的战场,里面尸横遍野,全都是已经变透明的细菌尸体。藏书网
噬菌体有着小盒子一样的外壳,里面包裹着盘绕在一起的基因组,整个小盒子下面长着几条蜘蛛腿一样的爪。噬菌体落在大肠杆菌表面的场景,看上去就像登月探测器着陆在月球上一样。接着,噬菌体会在大肠杆菌表面钻个洞,把自己的DNA喷射到大肠杆菌的细胞里。
但反对声音仍在。有人批评说即使科学家能设计出有效的噬菌体疗法,演化的力量仍然会让它很快失效。20世纪40年代,微生物学家萨尔瓦多·卢里亚(Salvador Luria)和马克斯·德尔布鲁克(Max Delbruck)眼睁睁地看着细菌对噬菌体产生了抗性。他们把大肠杆菌和噬菌体铺在培养皿上,绝大多数细菌被杀死,但是有很少一部分逃过了死亡的命运,然后自我复制形成了新的菌群。其后的研究显示,这些少数派之所以能够幸存,是因为在生长的过程中获得了能够抵御噬菌体的突变,接着又把这些突变传给了它们的后代。反对者认为,噬菌体疗法恰恰可能助长了细菌对噬菌体产生抗性,感染同样可能卷土重来。
1963年,Eliava研究所开展了有史以来最大规模的临床试验,想看看噬菌体在人体内究竟能发挥多大的作用。研究所从第比利斯招募了30769名儿童,其中一半的实验组被试每周服下一片痢疾杆菌噬菌体药片,另一半对照组吃的是糖做的药片。为了尽量排除环境因素的影响,Elia-va研究所的科学家给生活在每条街道某一侧的儿童服用噬菌体药片,给生活在同一条街道另一侧的儿童吃糖丸。科学家对这些孩子进行了为期109天的跟踪。最终的统计显示,服用糖丸的孩子里,6.7‰感染了痢疾;而服用噬菌体药丸的孩子,患病率只有1.8‰。也就是说,服用噬菌体让患病率降低到了不服用噬菌体患病率的26.3%。
首例成功改造用来对付细菌的噬菌体出自波士顿大学的生物学家詹姆斯·柯林斯(James Collins)和麻省理工学院的卢冠达之手,二人于2008年联合发表了改造的细节。这种新噬菌体对付细菌特别有效,是因为它被改造成能直接攻击细菌的生物膜。生物膜是细菌合成的一层黏黏的、富有弹性的保护膜,抗生素和噬菌体穿不过这层http://www.99lib.net膜,也就无法伤害到细菌。柯林斯和卢冠达从过往的科学文献中寻找能帮助噬菌体破坏生物膜的基因,他们发现细菌本身就编码了一些酶,能降解生物膜,这些酶原本的使命是在适当的时候把细菌从生物膜的保护中释放出来,去开拓领土,建立新的菌群。
1917年,德雷勒在部队当医生,照顾那些因痢疾垂死挣扎的法国士兵。痢疾的病因是痢疾杆菌,如今我们用抗生素来对付它们,但抗生素直到第一次世界大战之后几十年才被发现。为了更好地了解他的“敌人”,德雷勒医生仔细检查了生病士兵的粪便。
赞成派则反驳说,能演化的又不只有细菌,噬菌体也在不断演化。在噬菌体自我复制的同时,也会不断产生新的突变,其中某些突变就可能帮助噬菌体突破细菌的抗性。在噬菌体同细菌的对战中,科学家也能帮上忙,他们可以从数千种不同噬菌体中挑选对付某一种感染的最好武器,甚至可以主动改造噬菌体的DNA,让它们获得对付细菌的新方法。
他的实验以失败告终,因为细菌污染了培养皿,细胞全军覆没。特沃特当然很崩溃,但他并没有因此而忽视一个奇怪的现象。特沃特注意到,培养皿里出现了一些亮亮的斑点。他把培养皿放到显微镜下,发现亮斑里全是死去的细菌。他从亮斑里取下一点,接种到其他培养皿的同种菌落上。几个小时之后,这些新的培养皿里也出现了亮亮的小斑点,同样是死细菌构成的。作为对照,他从小斑点里也取了一点,接种到其他种类的细菌上,就不会观察到亮斑出现。
进入20世纪之前,科学家已经掌握了不少关于病毒的重要知识,他们知道病毒具有传染性,体型小到不可思议,也知道一些病毒会导致特定的疾病,如烟草花叶病和狂犬病等。但病毒学作为一门年轻的科学,视野毕竟还相当狭窄。它那时更多只是聚焦在那些给人们带来最多麻烦的病毒种类上,比如哪些病毒会让人得病,哪些危害农作物和牲畜的健康。那时的病毒学家,也基本上不会把他们的视野扩展到与人类生活相关的小小领域之外。转机发生在第一次世界大战期间。有两位医生各自独立地将探寻的目光向外又延伸了一点点,看到了一个更大的病毒世界。
但还没等这两个人的争论得出结论,德雷勒医生已经开始用噬菌体给病人治病了。一战期间,他观察到当士兵从痢疾或其他疾病中康复之后,他们粪便中噬菌体的量都会增加。德雷勒医生觉得,一定是噬菌体杀死了细菌。那么如果他给病人体内注入更多噬菌体,病人不就能更快康复了吗?
柯林斯和他九九藏书网的同行们紧锣密鼓地研究怎么让噬菌体更有效,与此同时,抗生素也正在失去它们曾经的荣光。医生们竭尽全力,同越来越多对现有绝大多数抗生素都产生了抗性的细菌抗争,但有抗性细菌的数量仍在与日俱增。甚至有时候医生只好孤注一掷地使用那些昂贵而且有严重副作用的药物。更糟糕的是,我们有充分的理由相信,作为最后救命稻草的那些抗生素也早晚会失效——演化的强大力量会让细菌产生新的抗性。科学家竭力研发新的抗生素,但一项新药的研发从实验室到上市,可能耗费超过十年的时间。如今的我们可能很难想象抗生素被发现之前的世界,但我们现在必须开始想象这样一个世界了:抗生素不再是我们对抗细菌的唯一武器。如今,距离德雷勒医生发现噬菌体已经过去了一个世纪之久,这些病毒或许终于可以成为现代医疗的一部分。
德雷勒立马给予反击,博尔代再回应回去,二人之间的激烈论战持续了好多年,直到20世纪40年代才尘埃落定——科学家终于亲眼看到了病毒,德雷勒是对的。这一切得益于电子显微镜的发明,它能帮助人们观察到极微小的病毒。科学家把能杀死细菌的液体和大肠杆菌混在一起,放在电下观察——病毒围剿细菌的场景,鲜活地呈现在他们眼前。
可好景不长,公众对噬菌体的狂热到20世纪40年代就已归于冷却。把活病毒当成药物的做法,还是让不少医生精神紧张;而且20世纪30年代发现了抗生素,抗生素毕竟不是活的生物,而是真菌或细菌合成的化学物质或蛋白质,因此医生们对抗生素的反应积极得多。抗生素也不负众望,它们通常能在数天内清除感染,效果惊人。制药公司蜂拥而上,大量生产抗生素,德雷勒医生的噬菌体疗法被打入冷宫。既然抗生素这么成功,为什么还要费劲去研究什么噬菌体疗法呢。
1915年,在非常偶然的情况下,英国医生弗雷德里克·特沃特踏入了这个全新的世界。他当时只是想找到一种更简单的方法来生产天花疫苗(smallpox vaccine)。20世纪早期,常规的天花疫苗里都含有一种天花病毒的近亲,就是更为温和的牛痘(vaccinia)。麻烦的是,牛痘病毒只能从宿主获得,也就是说只能从免疫过的人或者牛体内分离出来。特沃特想看看能不能通过感染实验室培养皿里的细胞,用更快的方式生产牛痘病毒。
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