全 文 ：·综述与专论· 2014年第7期
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN
用抗生素治疗细菌性病原菌感染已经有几十年
历史，而且是非常好的有效治疗。然而，随着抗生
素的广泛使用，包括正常的和不正常的使用，对细
菌性病原菌而言已经形成了强大的选择性压力，致
使细菌对抗生素出现了耐 / 抗药性［1］。细菌通常只
需要几对基因就能对常用的抗生素产生耐 / 抗药性，
这些抗性基因通常可以在细菌的遗传元件例如共轭
质粒之间水平转移［2］，而且一个单一的元件可以
激发对不同抗生素的抗性［3］。此外，当耐 / 抗药性
出现之后，即使在抗生素不存在的情况下，质粒也
收稿日期 ：2013-12-10
基金项目 ：黔烟科合（2012-03），公益性行业（农业）科研专项经费（201103004）
作者简介 ：蔡刘体，博士，副研究员，研究方向 ：土肥植物保护 ；E-mail ：cailiuti01 @163.com
通讯作者 ：石俊雄，研究员，研究方向 ：烟草营养与施肥，植烟土壤微生物生态修复 ；E-mail ：sjx2196@163. com
噬菌体治疗中细菌对噬菌体的抗性
蔡刘体  陈兴江  刘艳霞  石俊雄
（贵州省烟草科学研究院 中国烟草分子遗传重点实验室，贵阳 550081）
摘 要 ： 抗生素治疗尽管有几十年有效治疗的历史，但随着越来越多耐 / 抗药性细菌的出现，细菌对抗生素的抗药性已成为
一个大问题。噬菌体治疗是使用噬菌体作为抗菌剂来感染细菌株系，它一直是人们倡导的一个很有前途的常规抗生素治疗的替代
方案。然而，由于细菌与噬菌体的协同进化中，细菌可以通过多种机制获得对噬菌体的抗性。因此，人们对噬菌体治疗抱有期望
的同时，也关注噬菌体治疗长时间的使用之后，是否会与抗生素使用之后结果相类似，导致抗性细菌病原菌感染的治疗困难。综
述了细菌-噬菌体协同进化中细菌病原菌对有感染能力的噬菌体是否会产生抗性，及其在噬菌体治疗中影响的争论，并展望了噬菌
体治疗的潜在前景。
关键词 ： 细菌 噬菌体 噬菌体治疗 抗性 协同进化
Bacterail Pathogens Resistance to Phages During the Phage Therapy
Cai Liuti Chen Xingjiang Liu Yanxia Shi Junxiong
（Guizhou Academy of Tobacco Science，Molecular Genetics Key Laboratory of China Tobacco，Guiyang 550081）
Abstract:  Bacterial pathogens have been treated effectively with antibiotics for several decades, but with more and more resistant bacteria
appeared, the resistance to antibiotics has become a difficulty issue in antibiotics therapies. Phages therapy, the application of the phages that
infect bacterial pathogens as antimicrobials, has been expected and advocated as a promising alternative to conventional antibiotics. However,
under the selection of the co-evolution between phages and bacteria, bacterial pathogens can became resistance to the phages by several
mechanisms. So, at the same expecting and advocating, should we worry about the problem that whether the phage-treated pathogens will develop
to resistance to the phages caused to treat difficulty at last? Here, the arguments about the bacterial pathogens resistance to the phages under the
phage-bacterium co-evolution and its effect on the phages therapy were summarized and reviewed, and the phage therapy for control the bacterial
pathogen was prospected.
Key words:  Bacterium Phage Phage therapy Resistance Co-evolution
可以在细菌群体中扩散和保持，这种情况表明减少
抗生素的使用也不太可能对耐 / 抗药性情况有所帮
助［4］。噬菌体（Bacteriophage，phage）是感染细菌、
真菌、放线菌或螺旋体等微生物的病毒的总称，其
中烈性噬菌体是细菌的天然“杀手”，具有杀死和清
除细菌的能力。但是细菌也能获得对噬菌体侵蚀的
抵抗力，如在噬菌体附位点产生突变，或把噬菌体
染色体整合到细菌基因组中，使得噬菌体对其失去
感染能力。随着耐 / 抗药性细菌的增多，人们依然
期望利用噬菌体治疗作为替代传统抗生素制剂的有
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第7期34
效替代方法之一，也就是说选择噬菌体治疗耐 / 抗
药性细菌性病原菌的感染。
1 噬菌体治疗的优势和难点
与抗生素治疗相比较，利用噬菌体治疗细菌性
病害有其潜在优势 ：噬菌体只针对其特定的细菌病
原菌作为宿主，因此噬菌体治疗专一性强且无副作
用，不会破坏正常菌群［5，6］；噬菌体的存活和复制
都是依赖其宿主细菌，由于噬菌体复制数量大周期
短，每个裂解周期都会产生大量的子代噬菌体，因此
噬菌体制剂在治疗中用量少，且具有放大效应［7，8］。
另外，对于已经具有抗生素或化学农药耐 / 抗药性
的细菌性病原菌株系的感染，利用噬菌体治疗尤其
值得期望。
虽然噬菌体治疗具有大的潜在优势，但是在噬
菌体治疗中也存在难点，尤其是在协同进化中细菌
对噬菌体产生抗性的问题。研究表明，在噬菌体的
压力驱动下，细菌能通过多种机制产生或获得耐 / 抗
性，包括已经报道的吸附抑制、DNA 穿入阻滞、限
制-修 饰（Restriction-modification，R-M） 系 统、 规
律 成 簇 间 隔 短 回 文 重 复 序 列（Clustered regularly
interspaced palindromic repeats，CRISPR） 系 统 及 顿
挫感染［9，10］，即使是在细菌数量相对比较小的群体
中（如 108 的细菌数量），细菌能快速的对噬菌体产
生抗性［11］。正因为人们对噬菌体治疗的优势及前景
的期望，同时也对细菌病原体对噬菌体抗性的担心、
噬菌体治疗存在的争议一致持续着。目前大家关注
的一个问题是，虽然细菌对噬菌体产生抗性的机制
和对化学抗生素产生抗性的机制有很大的区别。但
是从长期治疗的角度看会不会导致相同的结果 ：治
疗制剂不再能控制耐 / 抗性细菌病原菌的繁殖从而
导致治疗无效。
2 细菌对噬菌体抗性问题的争议
在研究过程中，细菌对噬菌体抗性能快速的出
现，此后噬菌体治疗倡导者们通常利用混合噬菌体
的优点，在混合噬菌体中包含有多种类型的能感染
同一种细菌或同一个细菌株系的噬菌体，从而使出
现抗性细菌细胞的可能性大大降低［12，13］。然而，还
有一个值得关注的问题是，混合噬菌体的广泛使用
是否会导致抗混合噬菌体的抗性细菌病原菌株系的
产生，也许与抗生素使用结果相似，在噬菌体制剂
使用了几十年之后，可能出现众多的细菌性病原菌
对不同的混合噬菌体产生抗性，导致噬菌体治疗的
困难［14］。正如 Krylov 等［15］ 最近建议，为防止具
有广谱性的混合噬菌体的细菌出现，在噬菌体治疗
中最好使用单一的裂解性、特异性感染病原菌的噬
菌体。
通常认为噬菌体驱动细菌的进化［16］，在噬菌体
的压力下，迫使在细菌群体中产生对噬菌体具有适
应性的细菌，尤其是对噬菌体具有抗性的细菌。噬
菌体一般宿主范围比较窄，因此在一定程度上，通
常可以用一组特异性的噬菌体来区分相关性很近的
细菌株系［17］。即使是宿主范围窄，抗性的持续选择
和经常提及的细菌与噬菌体之间的竞争性进化［18］，
也许可能使得分离有效感染具有多噬菌体抗性的细
菌性病原菌株系变得困难。
在循环的协同进化中，噬菌体能影响细菌的进
化 ［18］。在协同进化中，细菌能获得对噬菌体的抗性，
形成对该噬菌体具有抗性的细菌，然而随着协同进
化的循环，噬菌体能重新获得对噬菌体具有抗性细
菌的侵染能力，而且，研究表明细菌回复到噬菌体
敏感型的频率相对比较低［19，20］。细菌的细胞表面成
分进化比较快速，这可能是细菌细胞表面成分被噬
菌体作为宿主附着点利用的原因，也是细菌病原菌
改变其免疫系统的结果。研究表明即使在实验室条
件下，细菌与裂解性噬菌体的竞争性协同进化会加
速参与协同进化物种之间的分子进化速率［16］。虽然
不是所有的噬菌体都能重新获得感染抗性宿主的能
力［18］，在这种协同进化循环的情况下，只要噬菌体
的宿主范围不断的演变，至少有一些噬菌体能具有
感染细菌的能力［18］。
Ormälä 等［21］认为，尽管上面提到的细菌对噬
菌体能快速产生抗性，但是一些研究显示具有噬
菌体抗性的超级细菌不太可能出现。首先，在实
验室条件和在自然栖息地情况下，有实验表明病
毒（噬菌体）适应进化的宿主或者宿主适应进化的
病毒（噬菌体）是周期性的演变。特别是 Gomez 和
Buckling［22］阐述土壤中的细菌对当代噬菌体的抗性
比对前代或者后代的噬菌体抗性要强。宿主对噬菌
体感染的抗性只是细菌的一个暂时特性。同样的，
2014年第7期 35蔡刘体等 ：噬菌体治疗中细菌对噬菌体的抗性
噬菌体对目前的细菌感染力比对过去或者以后的宿
主的感染力弱。这表明不会因此使得只有协同进化
的噬菌体才能保持感染它们宿主的能力 ；反过来，
这也表明噬菌体选择不会驱动遗传分化，还可以防
止其它的噬菌体在特定的宿主中复制。另外，在很
多情况下细菌获得噬菌体抗性是有代价的［23，24］，对
细菌而言，在其区域环境中不再出现的噬菌体，仍
然对其保持噬菌体抗性是明显不利的［22］。而且，具
有噬菌体抗性的细菌通常缺失具有细菌性致病力的
细胞表面特征［25，26］。具有噬菌体抗性的细菌，假
使不被噬菌体杀死，大多也变成了无致病力的细菌。
然而，有时候一直观察不到细菌对噬菌体产生抗性
的代价［27］，表明至少有些情况下细菌的抗性表现型
可以持续。
大多数细菌被认为是在它们目前的环境中与噬
菌体竞争的条件下不断进化［11］。尽管这是一个事实，
即使持续使用噬菌体致使一个细菌群体对特定的混
合噬菌体有了永久性抗性，但是噬菌体感染模式的
地理学研究表明新的感染性噬菌体仍然可以有效的
使用。Flores 等［28］通过分析 38 个关于宿主-噬菌体
相互作用的独立研究，结果表明噬菌体能感染许多
从不同地方分离的宿主细菌株系，他们指出的噬菌
体感染模式暗示“难被感染”的宿主被“通用”噬
菌体感染而不是被专一性的噬菌体感染，这表明尽
管它们缺乏最近的接触，但是噬菌体仍然能保持对
地球另一端宿主细菌细胞的感染力。Wolf 等［29］研
究表明他们在 2003 年分离到能感染一个单一的淡水
宿主细胞（鞘氨醇单胞菌）的噬菌体，宿主细胞是
在 1985 年分离的，而噬菌体是在 2003 年从相距分
离宿主细胞很远的地方分离的。Ormälä 等［21］从芬
兰分离的噬菌体中有可以感染 20 世纪 60 年代从不
列颠分离的宿主。这些和其它例子表明一个单一的
噬菌体能保持感染世界各地的宿主细菌，一个单一
的细菌能作为多个远距离其它地方分离的噬菌体。
3 展望
以上关于噬菌体治疗的抗性问题争论中暗示，
尽管噬菌体治疗广泛使用，但对病原菌细菌而言，
不能再发现具有感染能力的新噬菌体的情况是不太
可能出现。从历史的角度看，噬菌体治疗已经失败
了一次［30］，我们再次尝试的时候需要小心谨慎。最
近 Denomy 等［31］研究发现感染绿脓假单胞菌噬菌体
编码的抗 CRISPR 基因可能是噬菌体克服高度普遍
的 CRISPR/Cas（规律成簇间隔短回文重复序列相关
系统）系统的机制，抗 CRISPR 基因的存在为阐明
CRISPR/Cas 功能性机制提供了新的方向，并为理解
噬菌体和细菌的共进化提供了新的观点。Seed 等［32］
研究发现霍乱菌（Cholera bacteria）的一种噬菌体能
“偷走”细菌的功能免疫系统，并利用它关闭霍乱菌
对抗噬菌体的防御体系，从而杀死霍乱菌，繁殖更
多的噬菌体后代，这样又能杀死更多的霍乱菌。他
们的研究［32］首次证明了这种病毒 ：噬菌体能够获
得完全功能性的适应性免疫系统，这项研究对于噬
菌体疗法而言具有重要的意义。
因此，在新的“传统”抗生素发展和开发已经
变得更难的时候，为了充分利用噬菌体治疗的优势，
克服噬菌体治疗的难点，使噬菌体制剂治疗更具安
全性和可控性，在噬菌体的生物特性、噬菌体-细菌
的协同进化、噬菌体-细菌-宿主三者之间的相互作
用关系等方面需要做更多的研究。
参 考 文 献
［1］ Andersson DI, Hughes D. Evolution of antibiotic resistance at non-
lethal drug concentrations［J］. Drug Resist Update, 2012（15）：
162-172.
［2］ Bennett PM. Plasmid encoded antibiotic resistance ：acquisition
and transfer of antibiotic resistance genes in bacteria［J］. Br J
Pharmacol, 2008, 153（S1）：S347-357.
［3］ Jalasvuori M, Friman VP, Nieminen A, et al. Bacteriophage selection
against a plasmid-encoded sex apparatus leads to the loss of
antibiotic-resistance plasmids［J］. Biol Lett, 2011（7）：902-905.
［4］ Dahlberg C, Chao L. Amelioration of the cost of conjugative plasmid
carriage in Eschericha coli K12［J］. Genetics, 2003（165）：
1641-1649.
［5］ 赵庆友 , 朱瑞良 . 噬菌体制剂的研究现状及发展前景［J］. 中
国兽药杂志 , 2010, 44（7）：40-43.
［6］ 胡重怡 , 蔡刘体 . 噬菌体治疗作物细菌性病害的研究进展［J］.
贵州农业科学 , 2011, 39（3）：101-103.
［7］ Guenther S, Huwyler D, Richard S, et al. Virulent bacteriophage
for efficient biocontrol of Listeria monocytogenes in ready-to-eat
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第7期36
foods［J］.Appl Environ Microbiol, 2009, 75（1）：93-100.
［8］ US. Food and Drug Administration, 2007. Agency response letter
GRAS notice No. GRN 000218, viewed 11/09/2007［EB/OL］.
http ：//www.cfsan.fda.gov/~rdb/opa-g218.html.
［9］ 陈灿煌 , 赵霞 . 细菌对噬菌体的抵抗机制研究进展［J］. 重庆
医学 , 2013, 42（6）：697-700.
［10］ 李铁民 , 杜波 . CRISPR-Cas 系统与细菌和噬菌体的共进化［J］.
遗传 , 2011, 33（3）：213-218.
［11］ Hyman P, Abedon ST. Bacteriophage host range and bacterial
resistance［J］. Adv Appl Microbiol, 2010（70）：217-248.
［12］ Gu J, Liu X, Li Y, et al. A method for generation phage cocktail with
great therapeutic potential［J］. PLoS One, 2012（7）：e31698.
［13］ Chan BK, Abedon ST. Phage therapy pharmacology phage
cocktails［J］. Adv Appl Microbiol, 2012（78）：1-23.
［14］ Bush K, Courvalin P, Dantas G, et al. Tackling antibiotic
resistance［J］. Nat Rev Microbiol, 2011（9）：894-906.
［15］ Krylov V, Shaburova O, Krylov S, Pleteneva E. A genetic approach
to the development of new therapeutic phages to fight pseudomonas
aeruginosa in wound infections［J］. Viruses, 2013（5）：15-53.
［16］ Clokie MR, Millard AD, Letarov AV, Heaphy S. Phages in
nature［J］. Bacteriophage, 2011（1）：31-45.
［17］ Sechter I, Mestre F, Hansen DS. Twenty-three years of Klebsiella
phage typing ：a review of phage typing of 12 clusters of nosocomial
infections, and a comparison of phage typing with K serotyping ［J］.
Clin Microbiol Infect, 2000（6）：233-238.
［18］ Dennehy JJ. What can phages tell us about host-pathogen Co-
evolution? ［J］. Int J Evol Biol, 2012（2012）：1-13.
［19］ Marston MF, Pierciey FJ Jr, Shepard A, et al. Rapid diversification
of coevolving marine Synechococcus and a virus［J］. Proc Natl
Acad Sci USA, 2012（109）：4544-4549.
［20］ Capparelli R, Nocerino N, Iannaccone M, et al. Bacteriophage
therapy of Salmonella enterica ：a fresh appraisal of bacteriophage
therapy［J］. J Infect Dis, 2010（201）：52-61.
［21］ Ormälä AM, Jalasvuori M. Phage therapy ：should bacterial
resistance to phages be a concern, even in the long run? ［J］.
Bacteriophage, 2013, 3（1）：e24219.
［22］ Gómez P, Buckling A. Bacteria-phage antagonistic coevolution in
soil［J］. Science, 2011（332）：106-109.
［23］ Meyer JR, Agrawal AA, Quick RT, et al. Parallel changes in host
resistance to viral infection during 45, 000 generations of relaxed
selection［J］. Evolution, 2010（64）：3024-3034.
［24］ Inal JM. Phage therapy ：a reappraisal of bacteriophages as
antibiotics［J］. Arch Immunol Ther Exp（Warsz）, 2003（51）：
237-244.
［25］ Capparelli R, Nocerino N, Lanzetta R, et al. Bacteriophage resistant
Staphylococcus aureus mutant confers broad immunity against
staphylococcal infection in mice ［J］. PLoS One, 2010（5）：
e11720.
［26］ Filippov AA, Sergueev KV, He Y, et al. Bacteriophage-resistant
mutants in Yersinia pestis ：identification of phage receptors and
attenuation for mice［J］. PLoS One, 2011（6）：e25486.
［27］ Wei Y, Ocampo P, Levin BR. An experimental study of the
population and evolutionary dynamics of Vibrio cholerae O1 and
the bacteriophage JSF4［J］. Proc Biol Sci, 2010（277）：3247-
3254.
［28］ Flores CO, Meyer JR, Valverde S, et al. Statistical structure of host-
phage interactions［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2011（108）：
E288-297.
［29］ Wolf A, Wiese J, Jost G, Witzel KP. Wide geographic distribution
of bacteriophages that lyse the same indigenous freshwater isolate
（Sphingomonas sp. strain B18）［J］. Appl Environ Microbiol,
2003（69）：2395-2398.
［30］ Sulakvelidze A, Alavidze Z, Morris JG Jr. Bacteriophage
therapy［J］. Antimicrob Agents Chemother, 2001（45）：649-
659.
［31］ Denomy JB, Pawluk A, Maxwell KL, Davidson AR. Bacteriophage
genes that inactivate the CRISPR/Cas bacterial immune
system［J］. Nature, 2013（493）：429-432.
［32］ Seed KD, Lazinski DW, Calderwood SB, Camilli A. A bacteriophage
encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host
innate immunity［J］. Nature, 2013（494）：489-491.
（责任编辑 狄艳红）