致病島改造成抗菌無人機 有望治療葡萄球菌感染

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近年來,在醫學微生物學領域中,出現一個有趣的名字——致病島(pathogenicity islands,PAI,又稱毒力島)。每一種病原菌或病毒的致病因子都有一個原核基因體的特殊編碼區,該區域為致病島。它的形成主要為細菌通過基因體水平轉移,從一種病原菌轉移到另一種細菌中,細菌的遺傳物質也隨之從該基因體轉移到另一種細菌,形成一種混合實體(hybrid entity),並且組成新的基因島(genomic island),進而使細菌在短期內發生質和量的變化,產生許多新的變種,該演變是細菌演化的關鍵。

近日,紐約大學醫學院的研究團隊發現,從病毒演化而來的“基因島”能變為“抗菌無人機”(antibacterial drones, ABDs),然後透過該無人機阻止金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)感染小鼠。該細菌容易對抗生素產生抗藥性,進而威脅到醫院護理的安全。該研究刊登於《Nature Biotechnology》期刊上。

該研究團隊透過高度移動性的葡萄球菌致病島(highly mobile staphylococcal pathogenicity islands, SaPIs)的基因工程化,用抗菌基因取代了 SaPIs 的致病基因,進而塑造類似於無人機的載體,為細菌群體運送基因負荷(genetic payload)。然後,他們使用該無人機治療被葡萄球菌感染的小鼠,接著殺死該細菌,進而治療小鼠的感染。

他們也建構了包含 CRISPR-Cas9 殺菌或 CRISPR – dcas9 毒力阻斷模塊(virulence-blocking module)的 ABDs,其中該模塊包含溶葡萄球菌酶(lysostaphin)、Spa 反義(antisense)、QS 抑制、TA 系統毒素(Toxins of TA systems)、生物膜抑制(biofilm inhibition)。接著,透過二種 ABDs 都阻斷了小鼠皮下金黃色葡萄球菌膿腫的發展,並且藉由腹腔注射殺死金黃色葡萄球菌來拯救小鼠。

該論文共同通訊作者 Richard P. Novick 博士表示,他們的無人機系統不會像抗生素那樣擾亂患者的微生物組(腸道中的微生物混合物),畢竟微生物組中的一些物種(益生菌)對人體消化和整體健康是非常重要的。此外,因為葡萄球菌會影響乳牛產生牛奶的品質和數量,因此他們正預備在乳牛中測試他們的“無人機“是否能幫助乳牛抵抗葡萄球菌感染,若能呈現不錯的效果,未來將預備進行治療遭葡萄球菌感染的人體臨床試驗。

小常識:
金黃色葡萄球菌會存在於一些健康人類的鼻腔內和皮膚表面上,某些帶菌者是沒有特別症狀的。但是,當人類免疫系統較差時,該病菌可能會感染他們的皮膚、傷口、尿道、嚴重時會感染肺部造成肺炎或感染器官造成敗血症,甚至死亡。然而,用於抵抗葡萄球菌的抗生素的效果越來越差,其原因在於越來越多的菌株已經對各種抗生素產生耐藥性。鑑於數十年的抗生素過度使用,許多葡萄球菌感染現已無法治癒,該領域迫切尋求新的方法來抵抗感染。
延伸閱讀:對抗超級細菌有解? 類維生素A化合物立大功

參考資料:
1. Nature Biotechnology, 2018; DOI: 10.1038/nbt.4203
2. https://www.xueshu.com/zhjyyx/200606/26652618.html
3. https://www.infectioncontroltoday.com/antibiotics-antimicrobials/dna-islands-are-effective-antibacterial-drones

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