噬菌體療法重放異彩

BACTERIOPHAGE BIOMATERIALS

噬菌體生物材料

天然的納米生物材料

科技創新 智匯四方

噬菌體是一種具備特異性感染細菌能力的病毒，兼具天然納米生物材料的獨特屬性。噬菌體具有精確且可控的納米結構（如絲狀噬菌體的納米纖維狀形態及有尾噬菌體的納米顆粒復雜幾何形態），可以作為構建功能性納米材料的天然模板。通過基因工程改造噬菌體，噬菌體療法的疆域大幅拓展——其應用早已不囿于抗菌本身，還延伸至疾病診斷與檢測、藥物與基因靶向遞送、組織再生促進、腫瘤治療及疫苗研發等諸多領域。

——噬菌體應用示意圖

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噬菌體生物材料應用進展

1.噬菌體展示技術

噬菌體展示技術是一種先進的基因工程技術，它通過將外源多肽或蛋白質的DNA序列插入到噬菌體外殼蛋白基因的適當位置，使得這些外源肽或蛋白質能夠與外殼蛋白融合表達。噬菌體展示技術具有廣泛的應用前景，包括但不限于靶向分子篩選、抗原表位確定、多肽和蛋白質藥物開發、蛋白受體-配體和蛋白質-DNA相互作用的探究以及利用抗原呈遞制備疫苗等多種領域。

2.噬菌體生物淘選

噬菌體生物淘選（biopanning）是基于噬菌體展示技術的一項延伸應用。噬菌體生物淘選技術的優勢在于，它對靶標的表面結構沒有限制，靶標可以是蛋白質、細胞或組織等有機組成，也可以是無機材料。這一技術為針對任意目標物的特異性結合多肽或蛋白質提供了高效的篩選手段，為靶向分子的研發開辟了新思路。

3.基于噬菌體的疾病檢測

目前，疾病檢測主要依賴于血液及代謝物化驗、細胞培養、儀器影像學診斷等。然而，這些傳統方法受限于檢測技術和材料，往往在特異性和靈敏度方面存在不足，耗時較長并且假陽性率較高。

噬菌體憑借其優異的工程化能力和短生長周期等特點，展現出突破現有疾病檢測瓶頸的巨大潛力，因此備受關注。

4.基于噬菌體的干細胞分化調控和組織修復

利用噬菌體這一創新手段調控干細胞的分化和組織修復是一種引人注目的創新策略，該策略利用噬菌體材料模擬細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的結構和組成，以促進干細胞增殖、分化并形成組織，達到組織再生的目的。模擬ECM的噬菌體材料可初步分為二維（2D）與三維（3D）兩大類。同時，利用噬菌體展示技術還可以將能夠調控干細胞命運或者識別生物材料的多肽展示到噬菌體表面，用于體內骨、心臟和皮膚等缺損組織的修復。

5.基于噬菌體的藥物和基因遞送

目前可用于藥物和基因遞送的載體主要有磷脂、無機材料和聚合物等。噬菌體作為一種新型藥物和基因遞送的材料，相較于傳統載體材料主要有以下兩個優點：①可通過噬菌體展示技術使噬菌體材料具有靶向性；②有良好的生物相容性。

6.基于噬菌體的腫瘤治療

噬菌體及噬菌體展示技術在腫瘤的早期診斷和靶向治療方面顯示出其特有的優勢：①噬菌體經過改造后可與免疫系統相互作用，通過免疫治療實現抗腫瘤的目的；②噬菌體展示庫及相應的生物淘選技術，在對靶標物結構成分等信息不明的情況下依然可對其進行篩選，因而特別適用于腫瘤標志物及其靶向分子的篩選；③噬菌體展示技術的庫容量大，篩選過程相對簡單高效，且其成本低，能有效地篩選出腫瘤標志物或靶向腫瘤的多肽或抗體；④噬菌體展示技術不僅能篩選抗原表位，還能展示其模擬表位，模擬其功能，以刺激機體產生靶分子的抗體，進而可用于抗腫瘤疫苗的制備。

7.基于噬菌體的疫苗和抗生素替代品

噬菌體疫苗是一種利用噬菌體作為載體的疫苗，其借助基因工程技術使噬菌體攜帶針對特定病原體的免疫原性表位，旨在激發機體產生特異性免疫應答。噬菌體疫苗將編碼抗原的DNA序列整合至噬菌體外殼蛋白基因中，隨著噬菌體自身外殼蛋白的表達，抗原也融合表達在噬菌體表面。

此外，噬菌體還被廣泛應用于替代抗生素進行殺菌消炎。相較于傳統抗生素，噬菌體的優勢體現在多個方面：①致病菌對噬菌體產生抗性的概率較低；②噬菌體具備進化能力，一旦致病菌產生抗性，可以迅速通過篩選新的噬菌體來更新治療方案；③噬菌體具有高度的靶向性，能精準識別并感染特定宿主細菌，不影響其他菌群生態平衡；④噬菌體治療所需劑量小，得益于其自我復制和增殖能力，小劑量即可達到治療效果；⑤噬菌體副作用小，比抗生素更為安全；⑥噬菌體可通過其生命周期中的裂解作用，輕松地破壞宿主細菌，有效去除生物膜。

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作 者 簡 介

毛傳斌 教授

香港中文大學生物醫學工程學系教授，香港賽馬會“師法自然精準醫學工程”創科實驗室主任，獲香港特別行政區授予“全球創科學人”（Global STEM Scholar）稱號。他是美國科學促進會（AAAS）、美國微生物科學院（AAM）、美國化學會（ACS）、美國醫學與生物工程院（AIMBE）、美國生物醫學工程學會（BMES）、香港工程師學會（HKIE）、英國皇家化學會（RSC）及國際醫學與生物工程科學院（IAMBE）等多個國際權威學會會士。曾獲美國國家科學基金會 CAREER 獎、中美化學和化學生物學教授協會杰出青年教授獎、國家教育部首屆全國百篇優秀博士學位論文獎等多項獎勵。

21世紀初，他率先將噬菌體引入生物材料領域，發現基因工程化的噬菌體可以合成和組裝材料，隨后進一步拓展其應用邊界，涵蓋高靈敏生物檢測、藥物與基因遞送、組織再生、腫瘤治療及新型疫苗開發等領域。迄今在Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Biomedical Engineering等國際期刊發表學術論文330余篇，出版噬菌體治療方向中文、英文專著各一部。

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本文摘自《噬菌體生物材料》（毛傳斌 著）一書，有刪減，標題為作者所加。本書編輯李悅，如有問題請聯系：liyue@mail.sciencep.com，010-64000637。

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