殺死瘧原蟲的新方法：居然是細菌！

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中科院上海植生生態所等發現能在按蚊中進行持續跨代傳播的新共生細菌，能高效驅動抗瘧效應分子快速散播到整個蚊群中，使按蚊成為無效的瘧疾媒介，實現從源頭上阻斷瘧疾傳播。圖片由中科院上海植生生態所提供。

撰文 | 陳曉雪

責編 | 李曉明

知識分子為更好的智趣生活ID：The-Intellectual

作為一種古老的疾病，瘧疾已經有幾千年的歷史。即使是在21世紀的今天，包括非洲、東南亞、拉丁美洲以及中東地區的近百個國家和地區受到瘧疾的影響。根據世界衛生組織2016年12月公布的最新估算數據，2015年全球有2.12億起瘧疾病例，42.9萬人死亡。

瘧疾由一種叫做瘧原蟲的單細胞寄生引發，這些寄生蟲通過受感染的雌性瘧蚊（Anopheles）叮咬傳至人類。因此，對瘧蚊的控制被認為是預防瘧疾的重要手段。目前，人們主要通過化學殺蟲劑殺死瘧蚊。但是，化學殺蟲劑雖然見效快，但效果不持久，而且在經過多年使用後，蚊蟲已產生了廣泛的抗藥性。隨著分子生物學和基因工程技術的發展，通過對蚊子的遺傳控制和共生微生物控制，使瘧蚊失去傳播瘧疾的能力，成為人們研究的熱點之一。

最近，中科院上海植物生理生態研究所王四寶研究組與美國約翰霍普金斯大學的合作者首次確認了一種名叫沙雷氏菌屬（Serratia）的新菌株AS1可以有效地殺死寄生在蚊子身上的瘧原蟲。這種細菌不僅能穩定地定殖在瘧蚊中腸、雌蚊卵巢和雄蚊附腺，並且產生增殖，還可通過交配由雄蚊傳遞給雌蚊，也能通過雌蚊產卵傳遞給後代幼蟲。此外，研究人員經過一年的努力，成功地通過基因工程構建出能同時分泌表達5個具有不同作用機制的抗瘧基因的菌株，能夠有效減少92-93%的瘧原蟲卵囊，抑制蚊子感染瘧原蟲。北京時間9月29日凌晨2時，《科學》（Science）在線發表了這一研究。

「這篇Science文章從傳播媒介入手，從傳播阻斷的角度入手，這是一種新型而有趣的策略，」同濟大學醫學院瘧疾研究課題組組長張青鋒教授評論說，「該研究不僅為人類從源頭上阻止瘧疾傳播提供一個有應用前景的新方法，也為人類防控其它蚊媒傳染病提供了新的思路。」

美國德克薩斯大學醫學分部病理學系助理教授Grant L. Hughes也對這一研究給予了肯定。「這項研究非常重要，因為它表明與蚊子腸道相關的細菌可以通過垂直和性傳播的方式在蚊子群體之間傳播。」Hughes說，以前有很多工作發現了能干擾蚊子體中病原體的蛋白質，「結合這些新的發現，意味著這種干預策略對於進一步研究控制瘧疾來說是一種有效而有前景的方法」。

有趣的是，能夠殺死瘧原蟲的沙雷氏菌屬的新菌株AS1是王四寶和同事從蚊子的卵巢中分離出來的，而人們一般認為蚊子的卵巢中不存在細菌。

2012年加入中科院上海植物生理生態研究所之前，王四寶曾在約翰·霍普金斯大學公共衛生學院瘧疾研究所研究蚊子腸道微生物與瘧原蟲的關係。他發現，瘧原蟲在進入蚊子的腸腔而未進入腸道細胞前是最薄弱的時候。「有一萬個瘧原蟲通過吸血到蚊子的腸腔裡面，最後一般是有5個左右能夠成功地發育到進入腸道細胞的階段，很多被殺死了」，王四寶介紹說。

根據這個原理，王四寶認為，如果能夠運用生物工程的方法對蚊子腸道細菌進行改良，使得它來表達一些能夠殺死瘧原蟲的小肽或蛋白，就可以特異性地殺滅蚊子腸道里的瘧原蟲。

如何將抗瘧細菌引入到整個瘧蚊種群？這是一個充滿挑戰的問題。在過去的很多文獻報道中，很多昆蟲可以將一些細菌、真菌通過產卵進行垂直傳播。「如果我們能夠得到一株細菌，它不僅能夠在腸道裡面穩定地定殖，同時能夠隨著蚊子的產卵進行垂直傳播，那所有的問題都解決了。」王四寶說。

2012年下半年，在解剖一隻蚊子的卵巢時，王四寶突然發現顯微鏡下蚊子的卵巢的表面好像有東西在遊動。他和同事大吃一驚。當他們把顯微鏡的倍數放大：原來是細菌！

當然，發現細菌只是研究的開始。把這株沙雷氏菌屬細菌AS1分離之後，通過糖水餵養蚊子，王四寶和同事發現，這個細菌能夠穩定地定殖在腸道里，並且在蚊子吸血24小時後有200倍的增殖。同時，他們發現細菌能夠突破腸道的屏障，轉移到蚊子的血腔之中，從而定殖在蚊子卵巢里。「蚊子產卵的時候細菌就會附著在卵殼的表面，只要帶沙雷氏菌屬細菌AS1的蚊子把卵產在水溝，這個卵的表面攜帶的細菌就會在水體裡面繁殖，其他的雌蚊把這個卵產在這個小水溝裡面，它的下一代所有的幼蟲都能夠獲得我們的這個細菌。」王四寶說。隨後，他們又確認了這種細菌可以附著在雄蚊的附腺部位，「這樣的話它通過交配，通過精液可以傳遞給雌蚊」。而當雄蚊和雌蚊交配後，下一代所有的幼蟲和成蟲都能夠感染這個細菌，連續飼養三代也是同樣的結果。

為了增強AS1抗瘧的效果，研究人員又選擇了5種不同殺滅瘧原蟲機制的基因，通過基因工程使得針對瘧原蟲的小肽或抗體整合到細菌的染色體里並分泌表達。「瘧原蟲要入侵腸道細胞，不是說什麼地方都可以入侵，必須瘧原蟲表面有一個配體，這就好像是鎖孔和鑰匙的關係，配體必須要匹配蚊子腸道細胞表面的受體（鎖孔），而我們的小肽就能夠去跟這個鎖孔結合，相當於堵住了鎖孔，瘧原蟲就進不去了。」王四寶解釋說。值得關注的是，這個用於分泌表達抗瘧基因的系統由三個蛋白組成，組裝成一個通道，包括一個叫做HasA的蛋白，而HasA蛋白有一個分泌的信號肽，這就使得融合的蛋白能夠穿過細菌的細胞膜自由擴散，靶向瘧原蟲。

「這是一個令人鼓舞的突破，」密歇根州立大學微生物與分子遺傳學系副教授奚志勇告訴《知識分子》。奚志勇也擔任中山大學一密歇根州立大學熱帶病蟲媒控制聯合研究中心的主任，主要研究蚊子中沃爾巴克氏體（Wolbachia）與登革熱病毒的互作關係。

「長期以來，在實驗室的條件下可成熟地通過蚊子基因改造或改變其攜帶的微生物來降低甚至阻斷蚊子傳播疾病（如瘧原蟲和登革病毒）的能力，但一直困擾於如何安全地讓這種抗病性狀在疾病流行區擴散出去來替換野外的傳病蚊種。」奚志勇介紹說，「我們研究的共生菌沃爾巴克氏體可以通過操作蚊子生殖和雌蚊垂直傳播來完成這步替換，王教授這次發現的沙雷氏菌則通過雌蚊生殖垂直傳播、雄蚊交配平行傳播、幼蟲經口感染幾個途徑同步傳播，故擴散的速度快。相比與我們的沃爾巴克氏體需要7代，沙雷氏菌能在一代內就完成擴散和種群替換，極大增加該技術在疾病突發時應用的實用性。」他期待未來沙雷氏菌技術能加快完成實驗室階段的工作，開啟轉化現場應用測試。

不過，雖然實驗室數據表明AS1可以在不同種瘧蚊間進行傳播，張青鋒評論說，但是在野外蚊種中的傳播效率、攜帶這種菌株的長期穩定性有待進一步探索。

「但是無論如何，這個方法既然能降低瘧蚊攜帶瘧原蟲卵囊的數量（即便暫時只是實驗室數據），就應該具備了通過在野外蚊種中傳播AS1, 從而減少人類感染瘧疾幾率的很大潛力，這是毋庸置疑的。」張青鋒說。

相關鏈接：

S. Wang et al. Science357, 1399-1402(2017)

http://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aan5478

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