研究背景

自1928年青霉素的出现，抗生素逐渐成为最广泛使用的抗菌剂。然而抗生素的滥用导致了抗生素耐药性问题日益严重。在抗生素耐药性危机的推动下，噬菌体疗法再一次进入人们视野并得到复兴。噬菌体由于其高生物相容性和对宿主菌株的特异靶向性，已被广泛用作抗菌剂。然而，由于它们在抗菌实践中的缓慢和有限的疗效，特别是在急性和严重的感染病例中，抗菌效果微乎其微。因此通过噬菌体展示技术、基因工程、化学分子工程等各种生物化学技术人为构建工程噬菌体，使其具有显著增强的特性和多种功能。这为抵抗耐药菌感染和治疗与细菌感染相关的恶性肿瘤提供了新的途径，在创新治疗应用中具有重要意义和潜力。

苏州大学材料与化学化工学部何学文教授及其博士生张静在 Targets 期刊上总结了主要通过化学改性和基因工程这两种方法对噬菌体进行修饰改造，并详细探讨了工程噬菌体在介导纳米材料合成及组装，生物分析剂的精准测定，目标细菌的特异性识别检测和杀伤，与细菌感染相关的恶性肿瘤的诊疗，以及药物和基因递送等方面的应用与发展，为生物传感、生物医学应用、疾病诊断和治疗方面的研究提供了新思路。

本文亮点

1.文章主要基于对噬菌体进行化学修饰或基因工程改造，探讨了工程噬菌体通过合成功能材料来检测、诊断和治疗疾病的高效性、安全性和内稳定性。

2.探讨了工程噬菌体对目标细菌的特异性检测和杀伤，扩展了噬菌体在生物医学诊断与环境检测领域的多样化应用。

图文导读

图1：噬菌体进行化学修饰或基因工程改造后，在功能材料合成、生物分析传感和疾病治疗方面的概述图。不同的噬菌体可以进行化学修饰，以纳入无机纳米颗粒、有机聚合物链、荧光分子、RNA/DNA、抗体等功能材料。同时，它们可以进行基因工程，将外源肽或蛋白质整合到它们的衣壳蛋白中，并进行DNA重组，以帮助工程噬菌体的产生。这些工程噬菌体具有多种功能，可应用于多种领域，如纳米颗粒模板合成、引导纳米结构组装、生物分析物测定、病原细菌的鉴定和根除、辅助疾病诊断和治疗，以及药物和基因传递。

图2：改性噬菌体以靶向标记和杀伤特定细菌。( a) AIE光敏剂改性的噬菌体可用于靶向引导、判别成像和协同杀死细菌；( b) 基于ABP噬菌体和NB的的多功能抗菌系统 (APNB) 可以治疗多重耐药鲍曼不动杆菌感染；( c) MS2DNA-AIEgen生物偶练物能特异性靶向标记并协同消除细胞内细菌；( d) 基于噬菌体的生物/非生物混合系统，可调节肠道微生物，对癌症进行特异性免疫治疗。

图3：( a) mtMS2噬菌体衣壳构建载体输送药物；( b) 具有与MS2噬菌体衣壳共轭的化疗剂紫杉醇的水溶性衍生物的药物输送系统；( c) 用于向间充质干细胞 (MSC) 输送基因的噬菌体衣壳；( d) 用于基因输送的CTX-M13噬菌体。

总结与展望

尽管化学改性和基因工程改造使噬菌体在生物分析和疾病治疗等应用中取得了相当大的进步，但某些限制因素仍然存在，阻碍了它们的持续推进和利用。首先，噬菌体的筛选过程相对复杂、耗时和费力，导致缺乏标准化的噬菌体库。其次，有必要对通过基因修饰和转化获得的工程噬菌体的遗传稳定性进行长期检查。尽管应用现有生成的工程噬菌体取得了令人鼓舞的结果，但其基因改变后持续稳定性以及特定功能的可遗传性仍然是未解决的问题。第三，安全性是实际临床应用中的关键问题。除了少数实验证明了工程噬菌体在体外和细胞水平上的安全性外，动物水平的应用进展受到众多阻碍。这些阻碍需要我们更深入地了解工程噬菌体的免疫反应，并对与其体内和临床应用相关的潜在风险进行全面评估。因此，必须进一步研究，以探究噬菌体和机体之间的相互作用，来清楚地说明工程噬菌体在不同环境中的稳定性和可降解性。近年来工程噬菌体已做出了无数杰出的成就，包括介导纳米材料的合成和组装、对生物标志物和致病细菌的检测、对特定多肽或抗体的筛选、对目标细菌的特异性识别和消除、疾病的诊断和治疗以及药物和基因的递送等，这些阶段性的成果为未来的临床研究工作提供了方向和希望。

作者简介

张静 女士 | 苏州大学

苏州大学2021级博士生，以第一作者身份在ACS Nano上发表了一篇文章。申请了一项中国发明专利。受邀撰写综述文章，并以第一作者身份发表在 Targets 期刊上。

何学文 教授 | 苏州大学

苏州大学，材料与化学化工学部教授，国家级青年人才项目入选者，研究方向为新型荧光探针的设计、构建及在生化分析、病原微生物检测、疾病标志物检测和诊疗等应用研究。于2009年和2012年在华中科技大学分别取得生物学学士和生物医学工程硕士学位；于2012年至2016年在苏州大学从事科研助理工作；于2019年在香港科技大学取得化学博士学位，师从唐本忠院士；2019年至2021年继续在香港科技大学化学与生物工程系从事博士后研究。近年来在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano. Lett.、Small、Anal. Chem.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Annu. Rev. Anal. Chem. 等国际知名期刊发表50余篇论文；申请中国/美国发明专利12项，获授权6项。作为负责人主持国自然青年、面上、海外优青、江苏省青年基金和苏州市创新领军人才等项目。

原文信息

Zhang, J.; He, X. Living Bacteriophage Engineering for Functional Material Synthesis, Bioanalytical Sensing and Disease Theranostics. Targets 2024, 2, 157-185. https://www.mdpi.com/2862296

Targets 期刊介绍

主编：Huangxian Ju, Nanjing University, China

期刊主要发表靶向识别与治疗相关领域的高质量论文，包括化学测量科学、生命科学、材料科学、药学、临床诊断学、分子医学和生物医学等。

Time to First Decision: 16 Days

Acceptance to Publication: 5.8 Days