噬菌体在食源性病原菌防控中的应用
许燕苹1,2, 徐正中1,2, 陈祥1, 焦新安2
1.扬州大学,江苏省人兽共患病学重点实验室/江苏省动物重要疫病与人兽共患病防控协同创新中心,扬州 225009
2.扬州大学,农业部农产品质量安全生物性危害因子(动物源)控制重点实验室,扬州 225009
通讯作者:陈 祥,Email:chenxiang@yzu.edu.cn;焦新安,Email:jiao@yzu.edu.cn
摘要

近年来,病原微生物引起的食源性疾病在世界范围内频发,对人类健康及公共卫生安全造成严重威胁。而在抗菌药物使用日趋严格和规范的状况下,耐药性传播等问题依然存在,迫切需要新的防控手段。噬菌体因其可吸附并裂解细菌从而达到杀菌效果,这为食源性病原菌的生物防控开辟了新的道路,本文就噬菌体及其裂解酶在食品安全防控方面的应用作一综述,旨在为食源性病原菌防控提供参考。

关键词: 噬菌体; 病原微生物; 食源性疾病; 防控
中图分类号:R37 文献标志码:A 文章编号:1002-2694(2018)10-0927-04
Application of bacteriophage for the control of foodborne pathogenic bacteria
XU Yan-ping1,2, XU Zheng-zhong1,2, CHEN Xiang1, JIAO Xin-an2
1. Jiangsu Key Laboratory of Zoonosis, Jiangsu Co-Innovation Center for Prevention and Control of Important Animal Infectious Diseases and Zoonoses, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
2. Key Laboratory of Prevention and Control of Biological Hazard Factors (Animal Origin) for Agrifood Safety and Quality, Ministry of Agriculture, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China
Corresponding authors: Chen Xiang, Email: chenxiang@yzu.edu.cn; Jiao Xin-an, Email: jiao@yzu.edu.cn
Abstract

In recent years, foodborne diseases caused by pathogenic bacteria have been emerged frequently in the world. It represents a major threat to public health worldwide. Although the use of antibiotics has been strictly required, it also leads to the spread of drug resistance. Hence, the development of alternative therapeutic treatments over antibiotics is essential. Bacteriophages are viruses that affect and lyse bacteria, and it has provided a new idea for the control of foodborne pathogens. In this paper, the application of bacteriophages in the control of foodborne pathogenic bacteria has been reviewed, which aims to provide a reference for control foodborne pathogenic bacteria.

Key words: bacteriophage; pathogens; foodborne diseases; control

近年来, 食源性疾病已逐渐成为全球食品安全的首要问题, 严重威胁公共健康和影响经济发展, 引起食源性疾病的主要病原菌有大肠杆菌、李斯特菌、沙门菌和弯曲杆菌等[1]。目前预防和治疗该类细菌感染的首选还是抗生素, 但随着抗菌药物的长期广泛、不合理使用后, 耐药传播及药物残留等问题越来越尖锐。另一方面, 由于生活方式的改变, 如对新鲜食物和即食食品消费的提高, 增加了这些食源性病原菌从农场到餐桌流通的风险[2]。我国致力于改善和加强食品安全的监管, 比如针对终端产品的重点抽查, 但对食源性疾病的基础设施和监管能力仍有很大上升空间[3]。这些问题使我们不得不寻找针对食源性病原菌更加安全高效且无污染的防控手段。

噬菌体是一种能够特异性吸附感染细菌的病毒, 广泛存在于地球上, 数量可达1031左右[4]。因其独特的裂解机制被认为是一种抗菌物质, 但相比于抗生素而言, 噬菌体具有严格的宿主特异性、指数增殖、数目庞大等特性受到研究人员的关注, 此外研发时间短、成本低、安全无污染等优势使得噬菌体有望成为新的抗菌工具。

美国和西方一些国家对于将噬菌体作为食源性病原菌防控手段的评估更趋完善。科研人员利用噬菌体对食品, 尤其是动物性产品在其养殖、屠宰、运输、储备及食用过程中的各个环节可能受到的细菌污染进行防控, 取得丰硕果实。越来越多噬菌体产品已通过审批, 广泛应用于生产实践中, 如表1

表1 噬菌体产品名称 Tab.1 Phage products
1 噬菌体对家禽及其产品中的应用

2014年, El-Gohary[16]等将肉鸡暴露于大肠杆菌环境中, 使其间接感染大肠杆菌, 然后将噬菌体喷洒到接种大肠杆菌的褥草上, 观察肉鸡的状态, 3周龄时发现实验组肉鸡与对照组(不喷洒噬菌体)相比死亡率降低、体重增加、且未观察到噬菌体对肉鸡有不良作用。

2004年和2005年, Atterbury等[17]从屠宰场、家禽农场及废水中分离得到 232株沙门菌噬菌体, 对其中宿主谱最宽的3株噬菌体进行清除鸡体内沙门菌定植的研究。相比于对照组, 实验组肠炎沙门菌和鼠伤寒沙门菌分别减少1.53± 2.38 log10 CFU/g, 3.48± 1.88 log10 CFU/g(P< 0.000 1), 在24 h内, 3株噬菌体均可显著地降低鸡体内肠炎沙门菌和鼠伤寒沙门菌的定植。

Spricigo[18]等使用包含3种烈性噬菌体UAB_Phi20, UAB_Phi78, UAB_Phi87的沙门菌噬菌体混合制剂, 用于减少鸡胸肉、鲜鸡蛋等的沙门菌污染。鸡胸肉首先在沙门菌菌液浸泡5 min, 随后在含有100 mL噬菌体混合物的无菌袋中搅拌5 min, 并4 ℃冷藏7 d, 结果后肠炎沙门菌和鼠伤寒沙门菌分别降低0.9 log10 CFU/g和2.2 log10 CFU/g(P≤ 0.000 1)。同样的方法处理鸡蛋, 25 ℃孵育2 h后, 肠炎沙门菌和鼠伤寒沙门菌降低约0.9 log10 CFU/cm2(P≤ 0.005)。

2 噬菌体在家畜及其产品中的应用

庞亮亮[19]等对猪链球菌2型及其烈性噬菌体SMP进行定量与定性的研究, 通用噬菌体SMP治疗猪链球菌攻击后的CD1小鼠, 噬菌体不仅对猪链球菌有杀菌作用, 同时会降低细菌高峰期的峰值, 对小鼠具有明显的保护作用。

Coffey[20]等研究噬菌体e11/2和e4/1c组成混合制剂对牛皮毛上大肠杆菌 O157∶ H7的抑菌效果。研究中分别以噬菌体混合制剂和水为实验组和对照组, 喷洒于接种大肠杆菌 O157∶ H7的牛皮(20 cm × 20 cm), 1 h后, 相比于对照组, 实验组牛皮毛上的大肠杆菌 O157∶ H7显著降低。2007 年, 美国农业部(USDA) 批准了Omnilytics 公司生产的针对大肠杆菌O157∶ H7、沙门菌的噬菌体产品作为喷雾或清洗剂, 用于消减宰前牛体表的病原微生物[15]。这为噬菌体制剂成为商业化产品应用于控制细菌性疾病迈出了重要的一步。

3 噬菌体在果蔬、器皿中的应用

Abuladze[21]等研究使用3种噬菌体(ECML-4, ECML-117, ECML-134)混合制剂ECP-100控制番茄、菠菜、西兰花中大肠杆菌O157∶ H7的污染。研究中使用包含不同滴度的噬菌体混合物(1010、109、108 PFU/mL)处理样品5 min后, 番茄、菠菜、西兰花中大肠杆菌的减少范围可达94%~100%, 表明噬菌体混合物有助于减少水果、蔬菜中的大肠杆菌O157∶ H7污染。在2011年ECP-100, 商业名称为EcoShieldTM已经得到美国食品药品监督管理局(FDA)的批准作为食品添加剂用于控制红肉中大肠杆菌O157∶ H7的污染。

Soni[22]等研究噬菌体 P100 对生物膜条件下李斯特菌的抑制作用, 结果显示代表13种不同血清型的21株单核细胞增生李斯特菌显著减少。在不锈钢表面, 同样经噬菌体处理后, 单核细胞增生李斯特菌减少3.5-5.4 log10CFU/cm2, 研究结果表明噬菌体P100对不锈钢等食品器具表面生物膜下的单核细胞增生李斯特菌具有一定的抑菌作用。鉴于对噬菌体P100的安全性评估及抗菌效果的认可, 美国FDA和USDA批准LISTEX P100可作为一种天然抗菌物质应用于所有食品生产中对李斯特菌的控制。

李锦铨[23]等利用噬菌体LPSE1、LPST10及两者混合物分别评估其对牛奶、火腿和生菜污染的肠炎沙门菌和鼠伤寒沙门菌的削减能力。牛奶和火腿的实验中, 在MOI=1和MOI=100条件下处理6 h后, 肠炎沙门菌和鼠伤寒沙门菌的削减约1-5 log10 CFU/mL, 而生菜在处理0-5 h后, 细菌数量随处理时间的增加逐渐减少, 当MOI=100时, 菌量在短时间内可减少0.3-0.6 log10 CFU/mL, 抑菌效果明显。

4 噬菌体裂解酶在食品中的应用

自20世纪50年代第一次发现噬菌体裂解酶到目前为止, 陆续出现关于噬菌体裂解酶的研究报道, 包括金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌、大肠杆菌O157、副溶血性弧菌、沙门菌等[24, 25]。Obeso[24]等将裂解酶lysH5成功克隆表达并表明其对于牛奶中生长的金黄色葡萄球菌有明显的杀菌效果, 且不会影响不同属的其他细菌。这是首次评估噬菌体抗微生物活性的研究, 该酶可以作为新型的生物防治策略应用于乳制品。

2013年, Micreos推出了全球第一个基于噬菌体裂解酶的人类健康产品, 名为StaphefektTM, 它专门针对金黄色葡萄球菌, 包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA), Micreos同时开发了含有Staphefekt的一系列霜和凝胶, 同属于品牌Gladskin。研究显示每天使用Gladskin可抑制皮肤上的金黄色葡萄球菌, 减轻相关的炎症症状, 并且不会伤害皮肤上的有益微生物。

国内有关于噬菌体裂解酶的报道逐渐增多。李萌[25]成功克隆表达裂解酶LysSTP4, 进一步研究后, LsySTP4比源噬菌体的裂解谱更宽泛, 与膜通透剂 EDTA协同作用能够有效抑制沙门菌的生长。顾敏敬[26]表达并纯化针对MRSA的噬菌体裂解酶LysGH15, 在小鼠体内给予50 μ g时, LysGH15 即可有效的保护菌血症状态的小鼠。

噬菌体裂解酶以较小的量发挥巨大作用, 同时可以避免噬菌体本身所具有的抗原性。毋庸置疑, 噬菌体裂解酶的研究开发表现出极大的应用前景。

5 展 望

综上所述, 应用噬菌体及其相关蛋白作为治疗手段控制食品中病原菌是可行、无污染、且极具发展空间的方法。噬菌体和噬菌体裂解酶具有特异性强、效率高、吸收分布好等特点, 使得以噬菌体为基础的疗法成为可能。但依然有许多因素限制其发展, 例如噬菌体存在严格的宿主特异性, 是造成其宿主谱狭窄的主要原因, 单独使用显然缺乏力度且使用范围受到限制, 其次噬菌体同样存在突变或失活、噬菌体制剂保存、可能会促进耐药基因扩散等问题。针对其不足, 研究者们提出许多应对策略, 拓宽宿主谱、确认并完善噬菌体的安全评估、开发裂解酶防治细菌感染的技术、降低裂解酶研制成本等将成为今后的主要研究方向。这样以噬菌体治疗作为新型的抗菌工具既可充分发挥其天然优势, 又可通过基因工程等其他方法克服不足, 扬长避短, 使噬菌体及其相关酶的应用范围更为广阔, 亦更加灵活。

The authors have declared that no competing interests exist.

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