第一篇 基础理论篇
1 噬菌体的研究史及展望——胡福泉
噬菌体作为细菌的病毒，是地球生物圈中数量*多的生命体，它在塑造地球生物圈中菌类生物的种类与数量分布，以及地球化学物质循环中具有重要意义，对人类的出现、进化与健康亦有着极为重要的意义。本章作为本书的开篇，主要介绍噬菌体被发现的过程及发现噬菌体的主要人物、噬菌体相关研究对生命科学领域的重大推动及其重要贡献、噬菌体在各个不同领域的应用与进展，展望噬菌体研究的发展方向及其应用前景。
第一节 噬菌体的发现
噬菌体（bacteriophage，简称phage）是寄生在细菌、古菌等原核微生物体内的病毒。近年来，人们在巨型病毒（giant virus）体内亦发现寄生的小病毒，被称为“噬病毒体”（virophage）。噬病毒体不在本书讨论的范围之内。
噬菌体是地球上*具生物多样性的生命体。它们存在于土壤、空气、海洋、饮用水、食品等环境中。可以说，只要有细菌的地方，就会有噬菌体存在。据文献报道，地球生物圈中的噬菌体数量可达1030～1032。噬菌体对于维持地球生物圈及其生态系统的平衡有着非常重要的作用，是值得我们高度关注和深入研究的生命现象。
图1-1 Ernest H. Hankin
人们公认噬菌体是由Frederick Twort和Félix d’Hérelle分别在1915年和1917年发现的。但追溯文献，发现在他们之前已有零星报道提示噬菌体的存在。众所周知，恒河流域是印度文明的发源地，但是人们的生活排污也直接进入了河流，这使得水源成了污染源和疾病传染源。19世纪末，恒河流域暴发了罕见的霍乱流行。当时，研究这次疫情的英国细菌学专家Ernest H. Hankin（图1-1）发现，城市上游水体中霍乱菌为10万个/mL，下游则仅为90个/mL。他推测恒河水中可能存在着可以将霍乱病菌杀灭的物质。1896年，Hankin报道印度恒河的水中存在对多种细菌（尤其是对霍乱弧菌）具有杀菌活性的物质。这种活性物质具有可滤过性，且可因煮沸被破坏。但当时他推测这种杀菌活性是由于水中含有某种挥发性的化学物质。Emmerich等（1901年）报道细菌培养物在存放期间发生了自溶，用这种自溶物质可治愈同种细菌引起的实验感染动物。这些工作是发现噬菌体的高度提示。
图1-2 Frederick Twort
1915年，Frederick Twort（图1-2）在国际著名杂志Lancet上发表了发现噬菌体的报道。Twort是伦敦兽医学院布朗研究所（Brown Institution）著名细菌学家William Bulloch的学生，他试图在无活细胞的固体培养基上培养牛痘苗病毒，但没有成功。在一次偶然的试验中，培养基上长出了球菌菌落，这是污染的细菌，不足为奇。令他感兴趣的是有些菌苔区发生了“透明化变”（glassy transformation）。更令人惊奇的是：将这种透明化菌落取一小点接种到其他新的球菌菌落上，菌落同样变成了透明区。这种透明化变化可以稳定地重复。他用吉姆萨染液染色那些菌落透明区，然后在显微镜下观察，发现细菌变成了一些细小颗粒。Twort在讨论中做了如下推论：很可能存在一种比细菌或阿米巴更小的超显微的小病毒（small virus），它们可在细菌胞质之中生长，形成一种具有“生长力”（power of growth）的“不定形小体”（no definite individual）或者是酶 这种使菌落变成透明区的因子，能够引起球菌的急性传染病。其实，Twort当时所看到的正是我们今天所说的“噬斑”，并且他指出了使菌落变透明的因子具有生长力，即现在所说的病毒，这是噬菌体的正式发现。
图1-3 Félix d’Hérelle
几乎同一时期，Félix d’Hérelle（图1-3）正在进行另一项独立研究。d’Hérelle在法国巴斯德研究所工作。战时，他受征召去研究法国军队中暴发的痢疾。他取痢疾患者的大便进行过滤，以寻找那种可以在痢疾杆菌体内生长并改变细菌致病性的“看不见的病毒”（invisible virus）。他惊奇地发现，这种看不见的病毒可引起细菌液体培养物的溶解，在固体琼脂平板上产生一块透明区。他还注意到，这种看不见的病毒可以繁殖，它们的繁殖需要活细胞，细菌细胞的溶解是这种病毒繁殖的结果。d’Hérelle总结了自己的研究，并于1917年报道：发现了一种对细菌具有拮抗性的微生物（a microbe antagonistic to bacteria），它们在液体培养中可引起细菌溶解；在布满细菌的固体琼脂平板上，它们可引起一片细菌死亡区，他把这个区域称为“噬斑”。d’Hérelle称这些看不见的东西为“超微病毒”（ultravirus）。它们可入侵细菌，在细菌体内繁殖并“消费”（expense）细菌，他把这些超微病毒命名为“噬菌体”。他还敏锐地意识到：噬斑计数可以作为一种方法来量化那些看不见的东西——噬菌体。
d’Hérelle进一步观察发现，噬斑的滴度在痢疾患者的恢复期会增高，他据此推测：噬菌体是一种抗传染病的自然因子，他把其称为“外源性免疫因子”（exogenous agent of immunity），在前抗生素时代，他提出噬菌体可作为传染病的治疗因子；后来他明确指出噬菌体是一种传染性因子、胞内寄生物；他认为噬菌体的抗原性和宿主谱特异性具有“种系”（race）特征。d’Hérelle思维敏捷，且敢于提出新概念，“噬斑”“噬菌体”这些名词及其概念都是由d’Hérelle首先提出的。
然而，d’Hérelle有关噬菌体的观点，尤其是与免疫有关的观点，一经提出，就挑战了许多细菌学家包括Jules Bordet的观点。Jules Bordet 在1919年刚获得诺贝尔生理学或医学奖，他的贡献是发现了血清成分中抗体及补体的溶菌作用。于是Bordet及其同事立即开始研究噬菌体的溶菌作用。Bordet认为，所谓“噬菌体”不过是一种溶解酶而不是微粒性超显微生物。在当时，Bordet作为诺贝尔奖获得者和布鲁塞尔巴斯德研究所所长，极具权威性，代表了当时主流研究圈的声音。而d’Hérelle仅仅是巴斯德研究所的一名志愿研究者。Bordet发动了对d’Hérelle关于噬菌体观点的挑战。Twort有关“菌落透明化变”的文章引起了Bordet的注意，他立即用Twort的文章挑战d’Hérelle发现噬菌体的优先权，他提出是Twort优先发现了噬菌体。Bordet的挑战反而激发了d’Hérelle进行了一系列有关噬菌体本质的研究。这场激烈的争议延续了十年之久，而Twort则是被动地卷入了这场“战争”。1932年，这场争议终于画上了句号，d’Hérelle和André Gratia（Bordet一派）同意进行一场科学对决：在一个独立的实验室，由极其受人尊敬的PaulChristian Flu（莱顿热带医学研究所所长）和Renaux（列日大学的微生物学教授）作为代表，对Twort的物质和d’Hérelle的物质进行“平行比较”（sidebyside comparison）。*后，他们得到的结论是：Twort现象和d’Hérelle现象是相同的。这就是后来人们公认Twort和d’Hérelle是噬菌体共同发现人的原因。
噬菌体作为细菌的病毒，一经人类发现，就与抗细菌感染紧密联系在一起。d’Hérelle在研究法国军队士兵中暴发的痢疾时，*早观察到恢复期的痢疾患者粪便中的噬菌体滴度极高，他认为患者的恢复与噬菌体的作用有关。1919年夏天，他又使用噬菌体来预防鸡感染禽伤寒杆菌，并于1921年首次报道用噬菌体来控制禽伤寒的流行。同年，Bruynoghe及Maisin报道使用葡萄球菌噬菌体来治疗皮肤疖子。此外，噬菌体还被用来治疗死亡率很高的多杀巴斯德菌（Pasteurella multocida）引起的牛出血性败血症（bovine hemorrhagic septicemia）。在这些工作基础上，d’Hérelle于20世纪20年代想将噬菌体治疗用于人体。在进行人体治疗之前，为了测试其安全性，他口服了痢疾杆菌噬菌体悬液；在没有任何不适的情况下，他又给自己皮下注射了噬菌体悬液；在没有任何局部和全身反应情况下，他又给合作伙伴和家人注射了噬菌体悬液。在证实了噬菌体确实无害之后，1926年，他用痢疾杆菌噬菌体治疗了痢疾患者。
引起*广泛关注的是后来d’Hérelle报道使用淋巴结注射噬菌体的方法治疗了4 例腹股沟淋巴结腺鼠疫（bubonic plague）。这4例患者来自苏伊士运河的船上，在埃及亚历山大国家检疫站被确诊为腺鼠疫。在经d’Hérelle用噬菌体治疗后，这4例患者都得到康复。这一结果于1925年报道在法国杂志La presse médical上。由于这一工作，英国政府邀请d’Hérelle到印度孟买研究使用噬菌体治疗霍乱。来自印度20世纪20～30年代的研究显示，采用口服噬菌体治疗后，霍乱患者症状的严重程度、持续时间，以及死亡率都有所降低。20世纪70年代，几项由世界卫生组织（World Health Organization， WHO）资助的在巴基斯坦进行的研究显示，高剂量的噬菌体治疗与四环素治疗有同等效果。这一时期，一些医药公司或生物公司也开始在市场上销售噬菌体制剂。1924年，巴西Oswaldo Cruz 研究所生产了抗痢疾噬菌体制剂，用于治疗痢疾患者。1926年，George Eliava和d’Hérell在苏联格鲁吉亚第比利斯建立了ELIAVA研究所（Eliava Institute of Bacteriophage Microbiology and Virology）。该研究所一直坚持噬菌体治疗的研究与应用，是建立时间*长、*具规模的噬菌体治疗研究机构。1931年，d’Hérell和Eliava在印度地区使用噬菌体来防治霍乱，对照组死亡率为627%，而噬菌体治疗组的死亡率则降至68%。20世纪40年代，美国礼来公司生产了7种人用噬菌体制剂，用于治疗葡萄球菌、链球菌和大肠埃希菌等细菌感染。
图1-4 著名微生物学家余
在新中国成立之初，抗生素被西方国家列为对我国的禁运之物，当时我国抗生素非常匮乏。受苏联影响，我国也开始了噬菌体治疗的研究和实践。大连生物制品研究所、武汉生物制品研究所都在国内开展过噬菌体制剂的生产与应用。1958年，劳动模范邱财康在大炼钢铁期间不幸严重烧伤，感染铜绿假单胞菌，在生命垂危之际，我国微生物学界老前辈余教授率(图1-4)领的医疗小组就利用噬菌体成功抢救了邱财康的生命。当时《人民日报》报道了此事，这一事迹还被拍成了电影《春满人间》。
噬菌体的发现，迄今已有一百余年。为纪念噬菌体发现100周年，Nature Reviews Microbiology于2015年9月刊登了长篇综述性文章，介绍了噬菌体的过去、现在与未来。
第二节 噬菌体研究对生命科学的历史贡献
由上述可见，噬菌体被发现时就与抗细菌感染联系在一起，之后掀起了一股寻找、研究和应用噬菌体的热潮，人们似乎觉得找到了抗细菌感染的“神器”。然而，后续的许多研究发现，噬菌体治疗的效果并非总是那么理想，可重复性不稳定。有的研究显示有明显效果，有的报告却显示效果欠佳，甚至无效。1928年，亚历山大？弗莱明发现了青霉素。当时青霉素堪称“万能神药”，能将大部分细菌感染性疾病治好。随后一大批抗生素相继被发现和应用。由于抗生素在抗细菌感染中的有效性、广谱性和廉价性，人们认为找到了抗感染的“金钥匙”。在随后的几十年中，对噬菌体治疗的研究和应用没有再受到人们的青睐。
尽管噬菌体治疗由于抗生素的出现而被人们极大地忽视，然而噬菌体研究却在生命科学领域结出了硕果。噬菌体个体微小，容易培养，例如动物病毒的培养必须先培养动物细胞作为其宿主细胞，而噬菌体只
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