靶向大肠杆菌的新型噬菌体宿主特异性及其在牛乳腺炎治疗中的应用潜力

《Scientific Reports》：Host-specificity and therapeutic potential of novel Escherichia coli-targeting bacteriophages for bovine mastitis control

本研究针对牛乳腺炎中大肠杆菌抗生素耐药性问题，开展了新型噬菌体的分离鉴定与特性研究。研究人员从环境样本中分离出8株特异性靶向大肠杆菌的噬菌体，通过基因组学、结构生物学和体外实验验证了其在牛奶环境中的稳定性和溶菌活性。研究发现Tevenvirinae亚科噬菌体通过长尾纤维（LTF）和短尾纤维（STF）双受体结合系统实现特异性识别，且在原料乳中能有效抑制细菌生长至检测限以下。该研究为开发噬菌体疗法替代抗生素治疗牛乳腺炎提供了理论依据和实践基础。

　　

在现代化奶牛养殖业中，牛乳腺炎如同悬在养殖户头顶的达摩克利斯之剑，不仅造成巨大的经济损失，更因抗生素滥用导致的耐药性问题日益严峻。其中，大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）作为主要环境性病原体，常引发急性临床型乳腺炎，导致奶牛产奶量骤降、乳品质恶化，甚至引发全身性感染。目前临床治疗仍以抗生素为主，但世界卫生组织（WHO）已将肠杆菌科列入急需新型抗菌药物的优先清单。当抗生素研发陷入瓶颈时，自然界中广泛存在的"细菌天敌"——噬菌体（bacteriophage）逐渐走入科学家视野。这类病毒能特异性识别并裂解宿主细菌，且具备自我增殖能力，堪称天然的抗菌武器。然而，噬菌体疗法面临两大核心挑战：一是其对宿主的高度特异性可能影响治疗效果，二是牛奶复杂成分可能影响噬菌体活性。

为攻克这些难题，比利时列日大学研究团队在《Scientific Reports》发表最新成果，系统评估了8株新型大肠杆菌噬菌体在牛乳腺炎治疗中的应用潜力。研究人员首先从废水和牛粪浆中分离噬菌体，通过全基因组测序确定其分类归属（包括Phapecoctavirus、Gamaleyavirus等5个属），并利用生物信息学工具预测其受体结合蛋白（Receptor-Binding Proteins, RBPs）。为模拟实际应用场景，团队创新性地比较了噬菌体在原料乳、热处理乳（HT）和超高温灭菌乳（UHT）中的稳定性与溶菌效率，同时结合温度/pH耐受性实验、宿主范围测定等技术手段，全面评估其生物学特性。

关键技术方法包括：1）从比利时、卢森堡和德国牧场采集53株临床分离E. coli构建菌种库，进行血清分型和抗生素敏感性检测；2）通过基因组测序和系统发育分析明确细菌与噬菌体的遗传特征；3）采用AlphaFold2预测噬菌体尾纤维蛋白三维结构，通过标准化均方根偏差（RMSD₁₀₀）分析蛋白结构差异；4）建立原料乳体外感染模型，监测不同感染复数（MOI）下的细菌动态变化。

细菌库特征与噬菌体分离

研究涉及的53株大肠杆菌覆盖35种血清型，其中O8:H25血清型（9/53）和ST58序列型（17/53）占主导地位。抗生素敏感性试验显示6株菌呈现超广谱β-内酰胺酶（ESBL）表型，凸显耐药问题的严重性。分离获得的8株噬菌体均属有尾噬菌体纲（Caudoviricetes），其中7株来自废水，1株来自牛粪浆。基因组分析证实大多数噬菌体为裂解型，仅ULIVPec3Lys因携带整合酶基因被重新归类为溶原型。值得注意的是，针对同一宿主菌（E. coli 819）分离的4株噬菌体（ULIVPec7-10）均属于Tevenvirinae亚科，暗示其可能共享类似的感染机制。

宿主范围与受体结合蛋白机制

噬菌体宿主范围差异显著，ULIVPec2裂解率最高（33.96%），而ULIVPec3Lys和ULIVPec4仅能裂解1.89%的菌株。通过比较基因组学发现，Tevenvirinae噬菌体通过长尾纤维（LTF）末端的针状结构实现可逆初识別，再通过短尾纤维（STF）不可逆结合脂多糖（LPS）内核。结构预测显示STF末端存在β-螺旋结构，可能参与肽聚糖降解；而LTF针尖结构的构象多样性（RMSD₁₀₀=28.14±16.66）远高于STF（10.21±4.61），说明宿主特异性主要取决于LTF的变异区域。

稳定性与体外功效验证

所有噬菌体在25-45°C和pH4-10范围内保持稳定，其中ULIVPec4甚至耐受pH12的极端环境。在原料乳中孵育6小时后，多数噬菌体滴度未见显著下降，仅ULIVPec2、ULIVPec3和ULIVPec8在热处理乳中出现活性降低，说明牛奶成分对噬菌体总体影响有限。体外溶菌实验显示，采用0.01的最佳感染复数（MOI）时，噬菌体能在3小时内将细菌浓度降至检测限以下（<333 CFU/mL）。但5小时后，3/8噬菌体出现细菌再生现象，提示可能产生噬菌体抗性突变。

研究结论揭示，噬菌体特异性主要取决于长尾纤维的构象变异，而牛奶成分并未显著影响其抗菌效果。尽管细菌再生现象提示需要优化给药策略（如采用噬菌体鸡尾酒疗法或联合抗生素），但本研究首次系统证实了Tevenvirinae噬菌体通过双受体识别机制实现宿主特异性感染，为开发精准噬菌体疗法奠定了理论基础。未来研究需聚焦于抗性机制解析、哺乳动物模型验证以及临床转化路径探索，最终推动噬菌体疗法成为抗生素替代战略的重要支柱。