噬菌体疗法重放异彩

BACTERIOPHAGE BIOMATERIALS

噬菌体生物材料

天然的纳米生物材料

科技创新 智汇四方

噬菌体是一种具备特异性感染细菌能力的病毒，兼具天然纳米生物材料的独特属性。噬菌体具有精确且可控的纳米结构（如丝状噬菌体的纳米纤维状形态及有尾噬菌体的纳米颗粒复杂几何形态），可以作为构建功能性纳米材料的天然模板。通过基因工程改造噬菌体，噬菌体疗法的疆域大幅拓展——其应用早已不囿于抗菌本身，还延伸至疾病诊断与检测、药物与基因靶向递送、组织再生促进、肿瘤治疗及疫苗研发等诸多领域。

——噬菌体应用示意图

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噬菌体生物材料应用进展

1.噬菌体展示技术

噬菌体展示技术是一种先进的基因工程技术，它通过将外源多肽或蛋白质的DNA序列插入到噬菌体外壳蛋白基因的适当位置，使得这些外源肽或蛋白质能够与外壳蛋白融合表达。噬菌体展示技术具有广泛的应用前景，包括但不限于靶向分子筛选、抗原表位确定、多肽和蛋白质药物开发、蛋白受体-配体和蛋白质-DNA相互作用的探究以及利用抗原呈递制备疫苗等多种领域。

2.噬菌体生物淘选

噬菌体生物淘选（biopanning）是基于噬菌体展示技术的一项延伸应用。噬菌体生物淘选技术的优势在于，它对靶标的表面结构没有限制，靶标可以是蛋白质、细胞或组织等有机组成，也可以是无机材料。这一技术为针对任意目标物的特异性结合多肽或蛋白质提供了高效的筛选手段，为靶向分子的研发开辟了新思路。

3.基于噬菌体的疾病检测

目前，疾病检测主要依赖于血液及代谢物化验、细胞培养、仪器影像学诊断等。然而，这些传统方法受限于检测技术和材料，往往在特异性和灵敏度方面存在不足，耗时较长并且假阳性率较高。

噬菌体凭借其优异的工程化能力和短生长周期等特点，展现出突破现有疾病检测瓶颈的巨大潜力，因此备受关注。

4.基于噬菌体的干细胞分化调控和组织修复

利用噬菌体这一创新手段调控干细胞的分化和组织修复是一种引人注目的创新策略，该策略利用噬菌体材料模拟细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的结构和组成，以促进干细胞增殖、分化并形成组织，达到组织再生的目的。模拟ECM的噬菌体材料可初步分为二维（2D）与三维（3D）两大类。同时，利用噬菌体展示技术还可以将能够调控干细胞命运或者识别生物材料的多肽展示到噬菌体表面，用于体内骨、心脏和皮肤等缺损组织的修复。

5.基于噬菌体的药物和基因递送

目前可用于药物和基因递送的载体主要有磷脂、无机材料和聚合物等。噬菌体作为一种新型药物和基因递送的材料，相较于传统载体材料主要有以下两个优点：①可通过噬菌体展示技术使噬菌体材料具有靶向性；②有良好的生物相容性。

6.基于噬菌体的肿瘤治疗

噬菌体及噬菌体展示技术在肿瘤的早期诊断和靶向治疗方面显示出其特有的优势：①噬菌体经过改造后可与免疫系统相互作用，通过免疫治疗实现抗肿瘤的目的；②噬菌体展示库及相应的生物淘选技术，在对靶标物结构成分等信息不明的情况下依然可对其进行筛选，因而特别适用于肿瘤标志物及其靶向分子的筛选；③噬菌体展示技术的库容量大，筛选过程相对简单高效，且其成本低，能有效地筛选出肿瘤标志物或靶向肿瘤的多肽或抗体；④噬菌体展示技术不仅能筛选抗原表位，还能展示其模拟表位，模拟其功能，以刺激机体产生靶分子的抗体，进而可用于抗肿瘤疫苗的制备。

7.基于噬菌体的疫苗和抗生素替代品

噬菌体疫苗是一种利用噬菌体作为载体的疫苗，其借助基因工程技术使噬菌体携带针对特定病原体的免疫原性表位，旨在激发机体产生特异性免疫应答。噬菌体疫苗将编码抗原的DNA序列整合至噬菌体外壳蛋白基因中，随着噬菌体自身外壳蛋白的表达，抗原也融合表达在噬菌体表面。

此外，噬菌体还被广泛应用于替代抗生素进行杀菌消炎。相较于传统抗生素，噬菌体的优势体现在多个方面：①致病菌对噬菌体产生抗性的概率较低；②噬菌体具备进化能力，一旦致病菌产生抗性，可以迅速通过筛选新的噬菌体来更新治疗方案；③噬菌体具有高度的靶向性，能精准识别并感染特定宿主细菌，不影响其他菌群生态平衡；④噬菌体治疗所需剂量小，得益于其自我复制和增殖能力，小剂量即可达到治疗效果；⑤噬菌体副作用小，比抗生素更为安全；⑥噬菌体可通过其生命周期中的裂解作用，轻松地破坏宿主细菌，有效去除生物膜。

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作 者 简 介

毛传斌 教授

香港中文大学生物医学工程学系教授，香港赛马会“师法自然精准医学工程”创科实验室主任，获香港特别行政区授予“全球创科学人”（Global STEM Scholar）称号。他是美国科学促进会（AAAS）、美国微生物科学院（AAM）、美国化学会（ACS）、美国医学与生物工程院（AIMBE）、美国生物医学工程学会（BMES）、香港工程师学会（HKIE）、英国皇家化学会（RSC）及国际医学与生物工程科学院（IAMBE）等多个国际权威学会会士。曾获美国国家科学基金会 CAREER 奖、中美化学和化学生物学教授协会杰出青年教授奖、国家教育部首届全国百篇优秀博士学位论文奖等多项奖励。

21世纪初，他率先将噬菌体引入生物材料领域，发现基因工程化的噬菌体可以合成和组装材料，随后进一步拓展其应用边界，涵盖高灵敏生物检测、药物与基因递送、组织再生、肿瘤治疗及新型疫苗开发等领域。迄今在Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Biomedical Engineering等国际期刊发表学术论文330余篇，出版噬菌体治疗方向中文、英文专著各一部。

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本文摘自《噬菌体生物材料》（毛传斌 著）一书，有删减，标题为作者所加。本书编辑李悦，如有问题请联系：liyue@mail.sciencep.com，010-64000637。

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