本方案描述了一种利用高通量条件筛选噬菌体混合物抗菌效果的可靠方法。
本方案描述了一种利用高通量条件筛选噬菌体混合物抗菌效果的可靠方法。
细菌病原体持续威胁全球食品安全体系。随着人们对耐热和耐消毒剂细菌出现的担忧日益增加,亟需开发新型抗菌剂。基于噬菌体的生物防控策略是指利用噬菌体在农业环境中控制细菌病原体的治疗方法。噬菌体生物防控正逐渐被认可为一种可持续的技术,在消除食源性病原菌方面具有显著效果。为确保有效的生物防控效果,必须在特定环境条件下,系统性地筛选噬菌体组合对目标细菌的作用。噬菌体混合物的抗菌效果可能受到噬菌体属别与组合方式、目标细菌菌株、感染复数、温度和时间等因素的影响。为了配制出高效噬菌体混合物,本研究提出的方法是系统评估单个噬菌体及噬菌体混合物在特定条件下杀灭食源性细菌病原体的效果。通过在设定的温度和持续时间内测定光密度来监测细菌杀灭效果。以完全抑制细菌生长作为判定噬菌体高效性的标准。该方法是一种稳健、基于证据的策略,有助于配制出具有卓越抗菌效果的噬菌体混合物。
噬菌体(phages)是一类天然侵入细菌细胞的病毒,可干扰细菌的代谢过程并导致细菌裂解。与传统抗菌药物(如抗生素)不同,噬菌体的宿主谱较窄,仅能感染特定的细菌种类或菌株,因此对有益于动物和人类健康的微生物群落产生的附带影响较小。随着抗菌药物耐药性(AMR)问题日益严重,噬菌体及其衍生物成为控制细菌性传染病(包括人和动物中的耐药菌感染)的替代性抗菌手段1,2。已有研究证实,噬菌体对>20种引起人类浅表感染以及上呼吸道和胃肠道感染的细菌病原体具有治疗潜力3。
在农业环境中,基于噬菌体的生物防控策略是指利用噬菌体治疗性地控制细菌病原体。噬菌体生物防控被广泛视为一种绿色技术,可有效去除食源性病原菌(例如,产志贺毒素大肠杆菌) 大肠杆菌 (产志贺毒素大肠杆菌), 沙门氏菌 和 单核细胞增生李斯特菌) 在多种食品中4,5此外,噬菌体可用作消毒剂,对食品加工表面和动物皮毛进行消毒,可整合到传统的抗菌系统(如化学试剂、蒸汽和热水巴氏消毒法)中,以增强预期效果并减少对环境的影响。利用噬菌体减少动物体内人畜共患细菌也具有广阔前景。1然而,为了使噬菌体生物防控技术能够广泛应用于多种食品生产系统,有必要解决一些技术难题。主要挑战在于细菌抗性突变体的出现会降低噬菌体的防控效果。5 以及由于暴露于环境胁迫因素导致的细菌生理学变化6.
为降低噬菌体耐药性的风险,建议使用噬菌体鸡尾酒疗法(即多种噬菌体的组合),该方法已在农业和水产养殖环境中提高了生物防控效果7。然而,多项研究已证实,噬菌体鸡尾酒疗法并不总是比单一噬菌体的应用更具优势。例如,由3种T4样噬菌体组成的鸡尾酒对E. coli菌株的宿主谱反而更窄8。此外,尽管在不同培养温度下,属于Tequintavirus属的AKFV33在清除牛肉中的E. coli O157方面,其效果仍优于由四种噬菌体组成的鸡尾酒4。最近有报道称,单个噬菌体的效果并不能预测其组合后对O157控制的总体功效9,因为多种噬菌体之间的相互作用可能改变整体疗效。最重要的是,许多因素,如噬菌体的属别与组合方式、靶向菌株及感染复数(MOI)、培养温度与时间等,均可能影响噬菌体之间的相互作用。因此,针对特定细菌仔细筛选噬菌体组合,以评估噬菌体间的协同或促进作用,或至少确保在特定环境条件下噬菌体间的拮抗作用最小化,对于实现最佳防控效果至关重要。本文描述了一种系统评估不同噬菌体组合在多种环境条件下对抗食源性病原体功效的方法。该方法的优势在于能够筛查所有可能影响噬菌体在自然环境中抗菌效果的生物与非生物因素。在本实验方案中,以STEC O157及其感染性噬菌体为例进行说明。
1. 缓冲液和试剂的准备
2. 细菌培养物的制备
3. 噬菌体工作溶液的制备
4. 准备 体外 单个噬菌体及噬菌体混合物的裂解动力学
5. 光密度的测定
6. 数据分析
根据该方案,比较了抗 O157 噬菌体在不同噬菌体组合、温度、作用时间及感染复数(MOI)下的效果。孵育温度与时间、MOI、噬菌体种类以及所用细菌菌株对增强抗E. coli O157 效果的影响见表1(优势比表)9。在每种实验条件下,通过各噬菌体制剂测定光密度浊度值 ≤ 0.01 的百分比(%)。分析结果显示,在 22 °C 下孵育 14、16 或 18 小时后,抗 O157 噬菌体的效果达到最佳(P < 0.001),且在 MOI = 1000 时效果最优(P < 0.001),此时分别有 75% 和 89% 的噬菌体处理组培养物的生长被完全抑制。总体而言,在11种噬菌体制剂中,T1、T4 与 rV5 的混合制剂对 O157 的抑制效果最强(P < 0.05)。此外,在不同孵育温度、时间、MOI 及噬菌体条件下,不同菌株对噬菌体的敏感性存在差异,其中 O157 菌株与 CO281-31N 菌株联用时敏感性最高(P < 0.001),而 3081 菌株对噬菌体的敏感性最低(P < 0.001)。
为了解每种受试细菌菌株的噬菌体杀灭动力学,将OD600值随各采样时间、感染复数(MOI)以及不同培养温度下的噬菌体处理情况进行绘图。在37 °C条件下,噬菌体对大肠杆菌(E. coli)O157 3081作用效果的代表性结果如图2所示。在评估噬菌体处理组的生长曲线抑制情况之前,需确认无噬菌体的对照组细菌生长曲线正常。根据图2,在37 °C条件下,仅需低至1的MOI,T4噬菌体在各个采样时间点均完全抑制了细菌的生长。为全面了解在不同温度下、不考虑MOI的情况下噬菌体随时间推移对细菌生长的抑制情况,将所有MOI(MOI > 0)条件下的平均OD600nm值对各采样时间及噬菌体处理进行绘图(图3)。与37 °C相比,在22 °C条件下,某些噬菌体的杀灭效果增强,例如T4噬菌体以及T1 + T4联合噬菌体。另一种用于总结和比较不同噬菌体对O157总体抑制效果的方法见表2和表39。OD600值由各采样时间点和MOI条件下的数据取平均,并据此将噬菌体效果从高到低分级(37 °C时为A至F级,22 °C时为A至D级)。该表格有助于识别最优的噬菌体处理方案。例如,对于3081菌株,在37 °C时,T4噬菌体以及T5 + T4组合(A组)为最有效的处理方式;而在22 °C时,除T4噬菌体外,T1 + T4、T1 + T4 + rV5以及四种噬菌体混合制剂(A组)均为最有效的处理方式。
该方案还使我们能够比较噬菌体对不同靶向细菌菌株的裂解效果,并定制噬菌体组合。例如,在选择噬菌体时,在37 °C条件下,除菌株3081外,T1 + T4 + rV5噬菌体组合对所有其他菌株均表现出最显著的裂解效果,无论其噬菌体类型如何。在22 °C条件下,四联噬菌体混合物对所有测试菌株均具有最佳效果。最佳感染复数(MOI)可实现完全裂解(OD600 ≤ 0.01),表明在实验条件下具有潜在的更优疗效(表2 和 表3)。

图1:96孔微孔板测定建议布局。 每种噬菌体的连续10倍稀释液在无菌96孔微孔板的第1-8列中进行制备。每块板上可在相邻列中以双复孔形式同时检测四种针对同一种细菌菌株的噬菌体。其余列为对照组保留。请点击此处查看本图的放大版本。

图2:生长曲线 E. coli O157 菌株 3081 在 37 °C 在不同感染复数(MOI)下经噬菌体处理与未经噬菌体处理。 数据来自两次独立实验。柱状图表示标准偏差。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:E. coli O157 菌株 3081 的生长曲线。(A)在 37 °C 下的生长曲线。(B)在 22 °C 下的生长曲线。每条曲线代表单独或混合培养物,在不同感染复数(MOI)条件下经噬菌体处理与未处理的情况。数据来自两次独立实验。误差线表示平均值的标准误差(改编自参考文献9,经许可)。请点击此处查看该图的放大版本。
表1:比较不同培养温度、培养时间、感染复数(MOI)、噬菌体种类及E. coli O157菌株条件下,噬菌体对E. coli O157抑制效果更优的比值比(改编自参考文献9,经许可)。 请点击此处下载该表格。
表2:噬菌体在37 °C下对E. coli O157的总体效果(经许可改编自参考文献9)。 请点击此处下载该表格。
表3:噬菌体在22 °C下对E. coli O157的总体效果(经许可改编自参考文献9)。 请点击此处下载该表格。
补充图 1-11:酶标仪操作与实验流程的截图。 请点击此处下载该文件。
本方案描述了一种系统评估噬菌体对食源性病原体(包括产志贺毒素大肠杆菌,STEC)功效的可靠方法9 和 沙门氏菌10. 一个关键步骤是在稀释细菌过夜培养物时,建议使用预冷的培养基,并将稀释操作置于冰桶中进行,以最大限度减少潜在的细菌生长。此外,在稀释细菌培养物之前应预先制备噬菌体稀释液。步骤 2.8 中的计数操作提供了细菌接种量的实际数值,用于计算所施加的最终 MOI。对于噬菌体的制备,通常使用通过滤膜法从感染后 4–6 小时的细菌培养物中获得的粗制噬菌体裂解液。与噬菌体感染活性相关的关键步骤是始终使用在 3 个月内制备的噬菌体工作储备液。极其精确的移液操作(特别是使用多通道移液器时)以及操作方法的一致性,对于获得可比较且可解释的结果也至关重要。补充了 10 mM Mg 的改良 TSB2+ 用于稀释噬菌体、细菌培养物和基础培养基,以优化噬菌体的吸附与感染。
由于细菌在对数生长期即使在低于培养箱温度的条件下也会增殖,因此建议使用稀释的过夜培养物而非对数期培养物,以尽量减少潜在的细菌生长。
该方案存在一些局限性。首先,由于微孔板只能容纳 200 µL,长时间孵育可能导致显著的蒸发,因此不推荐进行长时间孵育。在这种情况下,该检测可能不适用于生长缓慢的细菌。其次,该方案无法监测噬菌体的扩增过程。第三,该方案无法监测噬菌体抗性随时间的发展情况,而这是决定噬菌体治疗效果的关键因素11,12。后续实验需要评估在筛选中表现最显著的噬菌体混合物在防止抗噬菌体突变体出现方面的进一步效果,可在大规模液体培养系统及其他生物基质中进行验证。
与传统的抗菌剂不同,噬菌体的生物学特性影响了其在实际应用中进行生物防控和治疗的复杂性。传统上,噬菌体鸡尾酒疗法的理性选择主要依据噬菌体的裂解活性及其宿主范围。通常推荐使用裂解活性最强、宿主范围最广的噬菌体候选株13,14。然而,根据本研究结果,尽管rV5和T1单独作用时的毒力不如T4和T5,但当它们与T4和/或T5联合使用时,显著促进了整体的生物防控效果。因此,为了获得更优的噬菌体鸡尾酒疗效,建议在目标环境条件下,系统性地筛选潜在噬菌体组合对靶向宿主菌株的抗菌活性。此外,确定噬菌体候选株的受体类型,并纳入具有不同受体识别能力的噬菌体,可能有助于避免对宿主附着位点的竞争,阻止抗噬菌体突变株的快速产生,并提升生物防控的效果13。
该方法实现了在高通量条件下对噬菌体裂解动力学的精确量化。此外,它还允许系统评估多种生物和环境因素对一系列噬菌体抗菌效果的影响,从而有助于优化噬菌体鸡尾酒配方以获得最佳效果。该方法未来的应用与发展预计将涉及 原位 通过荧光标记噬菌体来监测噬菌体鸡尾酒疗法中每种噬菌体的疗效。除了本方案外,了解噬菌体共感染同一宿主时促进协同效应和辅助作用的遗传决定因素,将有助于制定疗效更优的噬菌体组合方案。
作者声明,本研究是在不存在任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
本研究得到了加拿大自然科学与工程研究理事会(NSERC Discovery Grant,RGPIN-2019-04384)、加拿大创新基金会(项目编号 #38710)以及阿尔伯塔省重大创新基金的支持。我们感谢John Kastelic博士对稿件的编辑工作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 必需的耗材、试剂和设备 | |||
| 接种环 | VWR | 12000-806 | |
| 七水硫酸镁 | Sigma | 1374361 | MgSO₄4.7H₂O |
| 带透明盖的培养皿 | Fisher | FB0875713 | 直径:100 mm,无菌 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Fisher | 10010023 | |
| Pipet-Lite LTS 移液器 L-1000XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014382 | |
| Pipet-Lite LTS 移液器 L-300XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014405 | |
| Pipet-Lite 多通道移液器 L12-20XLS+ | METTLER TOLEDO | 17013808 | |
| Pipet-Lite 移液器,Unv. SL-20XLS+ | METTLER TOLEDO | 17014412 | |
| 移液器吸头 RT LTS 1000µL FL 768A/8-低吸附 | METTLER TOLEDO | 30389213 | |
| Pipette Tips SR LTS 20µL F 960A/5 | METTLER TOLEDO | 17005860 | |
| Pipette Tips SR LTS 300µL 768A/4 | METTLER TOLEDO | 17005867 | 无过滤 |
| 储液池 | METTLER TOLEDO | 89094-662 | |
| 无菌、透明、带盖的96孔平底聚苯乙烯微孔板 | Fisher | 168055 | |
| 胰蛋白酶大豆琼脂(TSA) | Sigma | 105458-0500 | |
| 胰蛋白胨大豆肉汤(TSB) | Sigma | 105459-0500 | |
| T型细胞涂布棒 | VWR | 76299-566 | |
| 仪器 | |||
| 模拟旋涡混合器 | Fisher | 02-215-414 | |
| 紧凑型微生物培养箱 | Fisher | 50125590H | |
| 磁力搅拌加热板 | FIsher | 13-889-335 | |
| 多边形搅拌子 | FIsher | 14-512-125 | 长度:20 mm |
| Synergy Neo2 Hybrid 多功能酶标仪 | Fisher | BTNEO2M | |
| 软件 | |||
| SAS | SAS Institute | 9.4 |