《BioDrugs》：Giving Antibiotics a Second Chance: Evolutionary Trade-Offs and Phage-Driven Restoration of Antibiotic Susceptibility
antimicrobial resistance（AMR）对全球公共卫生构成日益严重的威胁，其驱动因素包括抗生素的广泛且往往不合理的应用以及耐药性决定因素的快速传播。鉴于抗生素研发管线已基本枯竭，迫切需要替代及补充策略以保留现有抗菌药物的疗效。噬菌体——特异性感染细菌的病毒——已重新成为有前景的工具，不仅用于直接杀灭细菌，还可用于重塑细菌的进化轨迹。本综述探讨噬菌体驱动恢复抗生素敏感性的概念，重点关注细菌在适应噬菌体压力时产生的进化权衡。对噬菌体的抗性通常涉及表面结构、荚膜或外排系统的修饰，这些改变往往导致适应性代价，表现为毒力降低、生物膜形成受损或抗生素敏感性增加。实验研究和临床病例报告表明，噬菌体-抗生素协同（PAS）作用比单药治疗更有效地抑制细菌生长、限制抗性产生，并使多重耐药病原体对先前无效的抗生素重新敏感。研究特别关注涉及外排泵靶向、荚膜丢失、生物膜破坏以及温和噬菌体-抗生素相互作用的机制。此外，将噬菌体与CRISPR-Cas系统相结合的新兴策略能够实现对耐药基因的精确靶向和清除，提供了一种高度选择性的手段来恢复抗生素疗效并遏制horizontal gene transfer（HGT）。这些发现共同凸显了噬菌体作为强大的进化和治疗工具，能够赋予抗生素"第二次机会"。将基于噬菌体的方法整合到抗生素管理框架中，可能代表对抗多重耐药细菌感染的可持续前进路径。
**1 引言**
**2 噬菌体与抗生素——简史**
噬菌体的发现可追溯至20世纪初。1896年，英国细菌学家Ernest Hankin观察到印度恒河水的抗菌特性；1915年，Frederick Twort描述了细菌菌落的"玻璃样变"；1917年，Félix d'Herelle独立报道了类似的细菌裂解因子，并首次提出"bacteriophage"术语。早期噬菌体治疗成功应用于痢疾和伤寒的治疗，但因1928年青霉素的发现而渐被忽视。值得关注的是，1940年即已记录到大肠杆菌中penicillinase依赖性青霉素抗性的首例报告。1950-1970年间被视为抗生素发现的"黄金时代"，此后未发现全新类别的抗生素。
**3 抗生素：作用机制、特异性及细菌抗性**
抗菌药物可根据化学结构、作用模式和机制、活性谱及给药途径进行分类。European Centre for Disease Prevention and Control（ECDC）和US Centers for Disease Control and Prevention（CDC）将获得性抗生素抗性分为：(a)多重耐药（multidrug-resistant, MDR)，即对三类或以上抗菌药物中的至少一种药物产生抗性；(b)广泛耐药（extensively drug-resistant, XDR)，即除两类或更少抗菌药物类别外，对其余所有类别均产生抗性；(c)泛耐药（pandrug-resistant)，即对所有已批准抗生素类别均产生抗性。细菌进化出多种逃避机制，包括：修饰药物靶位点、降低膜通透性、产生药物灭活酶、激活外排泵（efflux pumps）、绕过药物靶点以及合成保护性蛋白。
**4 不合理的抗生素管理政策导致细菌获得对这些化疗药物的抗性**
不当的antibiotic stewardship（AMS）显著促进了后抗生素时代的到来。农业中抗生素使用量远超医疗用途——美国约80%的抗生素销售用于农业目的。2006年欧盟禁止将抗生素作为生长促进剂使用。研究人员正积极探索遏制HGT的策略，其中噬菌体作为对抗MDR菌株的潜在解决方案受到日益关注。
**5 噬菌体-抗生素协同作用**
噬菌体与抗生素的联合应用可能诱导有利的进化权衡，即细菌对一种选择压力的抗性以牺牲对另一种选择压力（如抗生素）的敏感性为代价。这种组合策略不仅可通过phage-antibiotic synergy（PAS）增强疗效和持久性，还有助于限制抗生素抗性的传播。噬菌体抗性发生率通常为10
-5–10
-7，与抗生素抗性类似。噬菌体抗性常伴随进化权衡，包括毒力减弱、抗生素敏感性恢复、免疫系统细胞识别增强及对原生微生物群竞争力降低。噬菌体鸡尾酒（phage cocktails）策略通过组合不同裂解谱和靶向不同受体的噬菌体来避免抗性产生。
**6 噬菌体驱动恢复抗生素敏感性的机制**
噬菌体通过多种进化和生理机制恢复细菌对抗生素的敏感性，包括靶向细菌表面结构、修饰外排泵活性、改变荚膜合成、破坏生物膜及影响基因表达。
**6.1 噬菌体驱动的进化权衡与抗生素敏感性恢复**
Zhang和Ahn（2025）基于Laure和Ahn（2022）的前期发现，报道了鼠伤寒沙门氏菌（S. Typhimurium）中噬菌体抗性与抗生素抗性之间的适应性权衡。噬菌体不敏感株表现出运动性降低、生物膜形成能力减弱及抗生素敏感性增加。联合治疗比抗生素单药治疗更有效地抑制噬菌体敏感和噬菌体不敏感变异株的生长。此外，噬菌体不敏感株对多种抗生素（包括美罗培南、复方新诺明、头孢噻肟、头孢曲松、卡那霉素、环丙沙星、氯霉素和左氧氟沙星）的敏感性增强。
多重耐药的S. Anatum与噬菌体JNwz02共进化60天（30代传代）后，出现拮抗性权衡：噬菌体抗性与竞争力降低及阿莫西林、氨苄西林和庆大霉素部分抗性丢失相关。
**6.2 荚膜修饰与毒力因子丢失**
在噬菌体抗性的鲍曼不动杆菌（A. baumannii）突变株中，遗传分析揭示K位点突变，包括gtr29和gpi基因的破坏，二者均参与荚膜生物合成。荚膜缺失伴随抗生素再敏化，表现为生物膜形成减少、人补体敏感性增加、β-内酰胺类抗生素敏感性增加及体内毒力减弱。ΦF
G02-R AB900突变株头孢他啶的minimum inhibitory concentration（MIC）较野生株降低16倍，恢复临床敏感性；ΦCO01-R A9844突变株对米诺环素、美罗培南、头孢吡肟和氨苄西林-舒巴坦的MIC降低2倍，其中头孢吡肟和氨苄西林-舒巴坦的降低导致临床分类转归敏感。
一例68岁糖尿病坏死性胰腺炎并发MDR A. baumannii感染患者的临床案例中，静脉和经皮脓肿腔给予噬菌体治疗后，细菌对米诺环素的敏感性增加。尽管噬菌体鸡尾酒本身对该菌失去裂解活性，但其在体外长期培养期间阻止了米诺环素抗性增强的细菌群体出现，表现为噬菌体与亚MIC浓度米诺环素的累加效应。治疗第115天时，A. baumannii分离株恢复对米诺环素的敏感性。
**6.3 外排泵靶向与膜转运修饰**
细菌跨膜外排泵可作为噬菌体受体，同时介导抗生素抗性。铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）特异性噬菌体OMKO1吸附外膜孔蛋白M（OprM），后者为MexAB和MexXY多药外排系统的组成部分。获得噬菌体抗性可能修饰孔蛋白功能，损害抗生素从细胞中的排出。临床分离的OMKO1抗性P. aeruginosa在体外和体内（larvae of Galleria mellonella模型）实验中对环丙沙星、四环素、头孢他啶和红霉素的敏感性提高达50倍。
另一例植入Dacron主动脉弓假体后慢性感染的病例中，局部应用OMKO1噬菌体靶向MexAB和MexXY外排系统，导致头孢他啶抗性降低2倍、环丙沙星敏感性增加10倍，并表现出对假体材料上细菌生物膜的强效破坏活性。
**6.4 表面受体修饰（LPS、OmpA、菌毛、鞭毛）**
噬菌体抗性常通过细菌受体突变产生，如外排泵蛋白TolC或结构屏障分子lipopolysaccharide（LPS）。志贺氏菌（S. flexneri）中，抗A1-1噬菌体突变株表现出细胞间传播减弱、细胞膜通透性改变及抗生素和其他噬菌体敏感性增加。以毒力因子为受体的噬菌体可驱动这些结构功能受损的抗性进化，从而降低细菌毒力。
**6.5 与噬菌体抗性相关的毒力和适应性代价降低**
噬菌体抗性的选择可施加降低细菌毒力的适应性代价。P. aeruginosa噬菌体抗性分离株在体内表现出与较慢生长速率相关的毒力降低。植物病原菌青枯菌（R. solanacearum）中，噬菌体抗性与毒力之间的权衡在25 ℃和35 ℃下均存在，涉及phcS和pilD突变。
"噬菌体导向"（phage steering）概念指有意使用噬菌体引导细菌进化朝着治疗有益的方向发展，而非仅仅杀灭细菌。Phage-resistant P. aeruginosa种群变得毒性更低且抗生素抗性更低，表现为生物膜形成、群集运动和type III secretion system（T3SS）降低。
**6.6 生物膜破坏与抗生素渗透增加**
噬菌体治疗通过生物膜破坏恢复抗生素敏感性。OMKO1对假体材料上形成的P. aeruginosa群落具有强效生物膜破坏活性。噬菌体不敏感S. enterica株生物膜形成能力减弱。第9节进一步详述噬菌体在松散生物膜结构和促进抗生素活性方面的作用。
**6.7 基因表达改变与细菌生理学变化**
对超广谱β-内酰胺酶阳性大肠杆菌的蛋白质组学分析显示，65种蛋白上调、246种蛋白下调，主要涉及核酸、蛋白和脂质代谢及铁获取。噬菌体治疗增加细菌细胞膜通透性，使感染细菌对β-内酰胺类、氟喹诺酮类、复方新诺明和氨基糖苷类等多种抗生素的敏感性增强。
**6.8 基因工程噬菌体**
基因工程噬菌体治疗的首例报道应用于囊性纤维化肺移植后慢性脓肿分枝杆菌（M. abscessus）肺部感染的年轻女性患者。通过删除阻遏基因将温和噬菌体转化为裂解噬菌体的基因工程技术被采用。
**7 利用噬菌体和CRISPR系统恢复细菌对抗生素的敏感性**
传统抗生素的非选择性作用施加强选择压力，促进抗性菌株产生。噬菌体与成簇规律间隔短回文重复序列-CRISPR相关蛋白（CRISPR-Cas）系统的结合提供了有前景的方法。工程化噬菌体-CRISPR系统能够精确靶向染色体和质粒携带的耐药基因，导致其被CRISPR核酸酶切割和消除。
大肠杆菌研究表明，携带靶向抗生素抗性基因CRISPR-Cas9系统的温和噬菌体有效消除了携带耐药决定因子的质粒，体外使抗性菌株群体减少>5–6个数量级，并阻断质粒在细胞间的转移。动物模型中，此类噬菌体-CRISPR系统表现出有前景的治疗活性。基于配备CRISPR-Cas的温和噬菌体的策略不仅消除了抗性机制，还限制了新突变抗性形式的产生。
作用机制涉及噬菌体将CRISPR-Cas递送至细菌细胞，crRNA序列引导Cas9酶识别和切割特定耐药基因，导致双链DNA断裂和目标遗传元件降解。CRISPR干扰（CRISPR interference）可抑制抗性机制基因表达（如外联泵），增加细胞内抗生素浓度。噬菌体-CRISPR策略还可与常规抗生素治疗产生协同效应。
然而，广泛临床应用前需解决技术和生物学挑战，包括许多噬菌体的宿主范围有限、潜在噬菌体抗性产生、HGT或细菌对CRISPR系统抗性的风险，以及CRISPR-噬菌体递送系统的精确设计和控制需求。
**8 非CRISPR-Cas依赖性机制：聚焦温和噬菌体**
整合到细菌基因组中的前噬菌体（prophages）常对细菌致病性产生有益影响。某些类抗生素可诱导从溶原到裂解的转换，产生显著的噬菌体-抗生素协同效应。温和噬菌体还可通过溶原整合递送rpsL和gyrA敏感基因，分别恢复大肠杆菌对链霉素和萘啶酸的敏感性。
在裂解噬菌体存在下，泰国伯克霍尔德菌（B. thailandensis）表面外排泵表达降低，使细菌对三大主要抗生素类别（β-内酰胺类、四环素类和喹诺酮类）的敏感性增加。噬菌体-抗生素协同作用还表现为：亚致死浓度抗生素诱导细菌细胞形态改变（细胞膨胀和丝状化），进而增强噬菌体捕食。
**9 噬菌体增加抗生素对生物膜的可及性**
形成生物膜的细菌可表现出比浮游对应物高10至1000倍的抗生素抗性水平。噬菌体通过选择性裂解基质产生细胞、酶降解胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）或诱导宿主编码解聚酶等多种策略破坏生物膜。噬菌体来源的内溶酶（endolysins）和解聚酶（depolymerases）等酶组分保留了独立于细菌噬菌体感染抗性或常规抗菌药物抗性的抗菌和抗生物膜活性。
庆大霉素作为噬菌体治疗伤口感染双物种（P. aeruginosa和金黄色葡萄球菌）生物膜的辅助剂，是PAS的有趣例证。噬菌体与氨苄西林对尿道感染来源的奇异变形杆菌（P. mirabilis）生物膜的协同作用被描述为预防和治疗中最有效的组合。多种噬菌体与不同抗生素的组合在降解XDR A. baumannii菌株形成的生物膜方面也可能产生有前景的结果。
**10 噬菌体介导抗生素再敏化的局限性与未来展望**
尽管噬菌体作为抗生素替代方案和恢复细菌对传统化疗药物敏感性的潜力巨大，但其不当和不合理使用可能导致细菌噬菌体抗性的产生（如通过受体修饰、掩蔽或缺失、超感染排除系统阻断噬菌体DNA注入、流产感染、限制-修饰系统或CRISPR-Cas系统），生态扰动，以及 consequent "后噬菌体时代"的风险。
**11 结论**
加速发展的全球AMR危机需要超越持续发现新抗生素传统范式的创新策略。噬菌体不仅作为直接抗菌剂，更是能够重塑细菌敏感性景观的强大进化工具。通过利用进化权衡，噬菌体驱动选择可对细菌施加适应性代价，表现为毒力降低、定植受损、膜特性改变，以及至关重要的抗生素敏感性恢复。
累积的实验和临床证据表明，对噬菌体的抗性通常通过修饰细菌表面结构、外排泵、荚膜、菌毛或鞭毛产生——这些适应往往损害了抗生素抗性的基础机制。这种现象构成了噬菌体-抗生素协同作用的基础，联合或序贯应用噬菌体和抗生素可增强细菌杀灭、抑制抗性产生，并使先前无效的抗菌药物得以在更低剂量下重新使用。这些效应超越了浮游细菌，延伸至生物膜相关感染。
除天然噬菌体-细菌相互作用外，将噬菌体与CRISPR-Cas系统整合的先进方法提供了前所未有的精确靶向抗性决定因子的能力。互补的非CRISPR机制涉及温和噬菌体，通过前噬菌体诱导或干扰抗性相关途径进一步扩展治疗前景。
然而，在广泛临床应用前仍面临诸多挑战，包括许多噬菌体的宿主范围狭窄、潜在噬菌体抗性、监管和制造障碍，以及噬菌体-抗生素联合治疗标准化方案的需求。解决这些障碍需要微生物学、进化生物学、临床医学和监管科学领域的协调努力。
总之，噬菌体通过利用有利于治疗成功的进化权衡，代表了一种赋予抗生素"第二次机会"的有力手段。噬菌体策略不是替代抗生素，而是有望补充和振兴现有抗菌武器库。随着对噬菌体-细菌-抗生素相互作用理解的深入，这些方法可能成为未来精准抗微生物治疗的重要组成部分，为对抗多重耐药细菌感染提供可持续的前进路径。
