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噬菌体是一类以原核细菌为宿主的病毒，具有种类多、丰度高、特异性强等特点,早于1915年和1917年被Frederick Twort和Félix d′Herelle发现,并很快被用于动物和人传染性疾病的治疗和控制。

由于噬菌体相关制剂缺乏标准化，纯度和疗效不稳定等，而抗生素易于生产，抗菌谱广和疗效稳定等使其迅速成为感染性疾病的首选治疗药物。

近年来，细菌耐药问题愈发严重，研究者们重新关注噬菌体的相关治疗方法。

噬菌体分为裂解噬菌体和溶原噬菌体2大类，其中裂解噬菌体可特异性侵染宿主细胞后，在宿主细胞内复制、增殖并最终裂解宿主细胞释放大量的子代噬菌体，进而感染新的宿主菌,其是噬菌体治疗的主要类型。

溶原噬菌体可与宿主建立更长期的关系，机体发生感染后，溶原噬菌体将基因组整合到宿主菌基因组中，以原噬菌体的方式同溶原细菌进行同步的基因组复制和增殖，称为溶原循环；当溶原细菌受到外界理化刺激后，可激活相关基因表达，原噬菌体便会从溶原细菌上解离，进入裂解状态,因此噬菌体裂解细菌的*力主能**要依赖其编码的溶素。

本文就溶素的结构分类、杀菌特性、工程改造潜力以及应用研究的最新进展进行综述，展望其在细菌控制领域的应用前景。

溶素基本特征

溶素的功能

溶素是噬菌体编码的靶向细菌细胞壁，破坏肽聚糖功能蛋白的总称，包括病毒体相关肽聚糖水解酶和内溶素2大类，分别在噬菌体侵染细菌和裂解宿主菌、释放子代病毒粒子过程中发挥“自内裂解”作用。

噬菌体侵染细菌的后期，由于缺乏信号肽，不能穿越细胞质膜发挥作用，溶素仅能在细胞内积累；同时，另一种关键蛋白穴蛋白在宿主细胞质膜上无害积累[9],直到等位基因特异性时间被触发，在细菌质膜上形成微米级的大孔，允许溶素穿过细胞质膜，发挥降解肽聚糖的作用,称为Holin-lysin系统，是噬菌体的典型裂解途径。

此外，有些噬菌体通过Pinholin-SAR lysin系统降解肽聚糖，破坏革兰阴性菌的细胞壁。

噬菌体编码SAR lysin, 以无活性酶的形式偶联在宿主细胞质膜上，富集在细菌周质中；同时，Pinholin在宿主细胞质膜上聚集，与穴蛋白不同，Pinholin不触发细菌质膜形成微米级大孔，而是聚合形成小的七聚体通道，触发膜内外质子动势崩溃，使细胞质膜去极化，使编码SAR lysin重新折叠成活性形式并降解肽聚糖。

同样，溶素也可通过“自外裂解”杀死细菌。

溶素可以快速裂解革兰阳性菌细胞壁,但由于细胞外膜的阻碍，溶素裂解革兰阴性菌相对困难，但有学者发现其可渗透外膜，直接降解革兰阴性菌肽聚糖的天然溶素,另一方面通过工程技术将溶素与外膜渗透剂结合，增强溶素对革兰阴性菌的*伤杀**作用。

溶素的分类和结构

溶素按作用肽聚糖部位的不同分为以下几类：(1)酰胺酶：主要是N-乙酰胞壁酰基-L-丙氨酸酰胺酶，可作用聚糖与多肽连接的酰胺键，通常被称为肽聚糖酰胺水解酶；(2)N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶：可切割糖链中N-乙酰氨基葡萄糖和N-乙酰胞壁酸单体之间的糖苷键。

(3)N-乙酰胞壁质酶/溶菌酶、转糖苷酶：均以不同的方式水解糖链中N-乙酰胞壁酸单体和N-乙酰氨基葡萄糖单体之间形成的另一个糖苷键；(4)内肽酶：可作用于肽聚糖侧链和肽桥上氨基酸残基之间的不同肽键，内肽酶种类繁多，细菌种类和培养条件不同，细胞壁肽聚糖结构也会不同，如糖链的不同修饰，多肽侧链和肽桥的组成氨基酸的数目和种类发生变化，这均依赖于特定的内肽酶种类才能发挥作用。

革兰阳性菌与革兰阴性菌细胞壁的结构和成分有较大差异[21],相应地噬菌体溶素结构也各有特征。

革兰阳性菌噬菌体编码的溶素，通常由1个或2个N-端酶活性结构域(EAD)和单个C-端细胞壁结合域(CBD)组成;而革兰阴性细菌噬菌体编码的溶素多为球状结构，N-端含有单个EAD结构域，C-端含有一段带正电荷的氨基酸残基序列。

EAD结构域赋予溶素降解肽聚糖相应化学键的能力，CBD结构域负责溶素与细胞壁的特异性结合(带正电荷的氨基酸残基会与带负电荷的革兰阴性菌脂多糖结合),帮助EAD结构域靶向肽聚糖相应化学键发挥作用。

这种不同功能结构域的模块化组织使溶素便于进行工程化设计重组，创造出具有更强抗菌活性的重组体。

噬菌体溶素结构具有多样性，具体表现为各结构域的相对位置、种类和数目的多样性。

Pritchard等发现，溶素B30是由2个EAD(谷氨酸内肽酶和胞壁酰胺酶)和1个CBD组成。

Romero等分离纯化出李斯特菌噬菌体溶素PlyP40,发现PlyP40包含2个异构CBD模块，且均具有活性，但细胞壁的结合位点和裂解功能不同。

Kong等在蜡样芽孢杆菌噬菌体PBC2编码的的溶素LysPBC2中发现，除了EAD和CBD结构域外，还有折叠在EAD中的孢子结合结构域(SBD),而SBD在LysPBC2结构中具有稳定作用。

上述新发现为重组溶素的设计和工程化改造提供了一定参考。

溶素的重组工程

溶素的模块化结构为基因工程改造提供了便利，可以通过工程技术改变这些酶的细菌裂解活性、靶标特异性及其他理化性质，如通过基因工程技术改造溶素的结构域，构建新型嵌合溶素。

Son等筛选并构建了4种不同金黄色葡萄球菌噬菌体溶素(LysSA11、LysSA12、LysSAP4和LysSA97)的结构域，将其进行重组，获得溶素Lys109,而Lys109对葡萄球菌浮游生物膜的裂解活性高于其亲本溶素，并对牛奶中和不锈钢表面上的金黄色葡萄球菌表现出高度的裂解活性。

Yuan等研究发现，对多重耐药鲍曼不动杆菌(MDR-AB)具有裂解作用的溶素PlyAB1,可借助分子动力力学知识改造增强其稳定性，提高其裂解细菌的活性。

溶素的应用开发研究

溶素的结构化特征和高效的杀菌能力吸引了研究者的极大关注，在开发溶素相关产品尤其是溶素杀菌剂上做了大量研究。

细菌快速检测方向

研究表明，CBD是溶素能够特异性结合细菌细胞壁的原因之一。

利用基因工程技术，研究者们将溶素CBD同荧光蛋白进行重组，创造出对特定细菌具有特异结合能力的发光融合体，实现对特定菌株的快速检测和诊断。

Wang等将耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)噬菌体溶素的CBD和绿色荧光蛋白(GFP)融合表达，该重组CBD-GFP蛋白对5种mec类型的MRSA均显示出识别能力。

Xiao等将猪链球菌噬菌体PhiARI0460-1的溶素CBD与GFP融合，融合体对猪链球菌、金黄色葡萄球菌和马链球菌有高度亲和力，对肺炎链球菌和无乳链球菌有高度亲和力，显示部分CBD拥有相对广谱的细胞壁结合能力，有望用于特定场景的细菌检测和溶素裂解谱改造等领域。

食品安全方向

噬菌体溶素作为可降解的新型食品添加剂，常用于食品防腐和保鲜,如溶素LysGH15能够有效降低脱脂牛奶中金黄色葡萄球菌的浓度，有望应用于乳制品的保鲜。

Xu等研究表明，新型溶素PlyEc2能够清除长叶莴苣污染模型上99.7%的产志贺毒素大肠杆菌0157:H7污染物，且不影响生蔬菜的色泽、外观和触觉手感。

作为食品添加剂，生产过程中昂贵的分离纯化成本是影响溶素商业效益的重要原因。

利用基因工程学原理，以相应的可食用植物为细胞工厂，构建转基因植株生产溶素直接用于控制病原菌对食品的污染，能够简化甚至去掉纯化步骤，极大降低生产成本。

Kazanavi[Math Processing Error]te等首次研究植物表达的产气荚膜梭菌噬菌体溶素用以预防和控制食品的产气荚膜梭菌污染，结果表明，植物表达的溶素在熟肉中对产气荚膜梭菌的抑制效果远优于目前唯一被批准用于控制产气荚膜梭菌的食品防腐剂——乳酸链球菌肽。

此外，也有研究表明了溶素与食品添加剂联用可极大提高裂解致病菌的能力。

医学前景

溶素潜在的医疗价值受到生物医药公司的广泛关注，目前有几种溶素处于不同的研发阶段。

Lysando公司和AiCuris公司联合开发的工程溶素Art-175可穿过革兰阴性菌外膜，迅速降解肽聚糖，使菌体裂解死亡。

溶素Art-175对顽固性细菌具有高效裂解活性，可以瞬间裂解固定在细胞流通池中的MDR-AB。

溶素在多种动物感染模型中显示了良好的杀菌效果，具有成为新型抗菌剂的潜力。

有研究表明，采用溶素Art-175治疗多重耐药铜绿假单胞菌感染犬导致的中耳炎6周，中耳炎彻底治愈。

溶素LysSS是一种广谱杀抑菌溶素，经腹膜注射治疗MDR-AB感染小鼠，可提高小鼠存活率40%。

葡萄球菌噬菌体GH15的溶素LysGH15,用于治疗MRSA感染的小鼠，3 h内MRSA数目降低3个数量级(由107 CFU/ml降至104 CFU/ml),最终完全检测不出MRSA。

溶素Cpl-711分别与阿莫西林和头孢噻肟联合治疗小鼠和斑马鱼感染模型，显示对多种多重耐药肺炎链球菌具有良好的抑菌作用。

Micreos公司开发了2种针对金黄色葡萄球菌感染的工程溶素XZ.700和SA.100。

涂抹含有溶素XZ.700的乳膏可有效杀死人表皮上的顽固性金黄色葡萄球菌，治疗金黄色葡萄球菌感染诱导的皮肤感染小鼠模型可明显降低细菌数量。

利用含有SA.100的Staphefeckt对数位感染金黄色葡萄球菌的患者开展对比治疗，结果显示，SA.100治疗显示了高效的抑菌作用，且持续治疗不会产生耐药性，取得了较抗生素和皮质类固醇更好的治疗效果；此外，SA.100治疗表现出了良好的靶向能力，不会损害皮肤上的共生细菌。

ContraFect公司研发的2种工程溶素进入了临床试验并取得阶段性成功。

对34名健康志愿者使用溶素SAL200的Ⅰ期临床试验，并未出现严重不良反应，显示出了较好的静脉注射耐受性和良好的药代动力学性能,有望进行下一步的临床试验。

Exebacase(溶素CF-301)是第一个进入人体临床试验的工程溶素，目前处于Ⅲ期临床试验阶段。

体外试验显示，Exebacase的活性不受肺表面活性物质的影响，在肺表面活性物质存在的情况下，Exebacase与达托霉素协同作用(受肺表面活性物质影响，在肺环境中不起作用)可明显降低达托霉素的最小抑菌浓度；Exebacase还有助于达托霉素与金黄色葡萄球菌的结合，消除金黄色葡萄球菌在表面活性剂存在下形成的生物膜状结构。

动物试验显示，Exebacase能够单独与达托霉素发挥协同作用，提高葡萄球菌肺炎模型小鼠的存活率(由0提高到50%或70%)。

Ⅱ期临床试验显示，Exebacase与抗生素同时给药可有效改善MRSA感染者的病情。

未来，Exebacase有望用于治疗葡萄球菌感染引起的血流感染、心内膜炎、肺部感染、导管相关感染及骨和假体关节感染等一系列侵袭性感染性疾病。

耐药菌的大量出现给临床感染性疾病的治疗带来了严峻挑战，研究人员重新关注噬菌体的抗菌研究。

溶素是噬菌体裂解细菌最主要的功能蛋白，不仅具有良好的抗菌能力，且表现出与抗生素良好的协同作用，具有巨大的应用潜力，但距离其普遍用于临床仍有一定距离。

溶素种类多，作用细菌细胞壁的机制不尽相同，EAD和CBD结构的多样性带来不同的免疫原性和靶标特异性，这会给溶素临床应用的安全性和有效性带来挑战。

部分溶素的初步临床试验结果表明其具有临床开发潜力，但作为蛋白药物制品，溶素整体临床研究的规模及其可靠性相对有限，尚需进行更多的研究积累，方能确保溶素治疗的安全性。

这种研究数据的积累也有助于监管机构增强信心，放宽准入并拓展溶素的市场环境。

总之，溶素蛋白的高效杀菌活性、靶向特异性、不易产生耐药性和良好的工程改造潜力等使其能广泛应用于食品卫生控制、绿色农产品种植、畜牧养殖等要求细菌控制的相关领域，尤其在医疗应用方向具有广阔的发展前景，有望成为治疗耐药菌感染的新疗法。

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