致病性大肠杆菌O157:H7和O55:H7噬菌体的分离及动物实验评价

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肠出血性大肠杆菌(EHEC)O157:H7与肠病原性大肠杆菌(EPEC)O55:H7是典型的肠道致病性大肠杆菌,其感染性状相似,可引起如腹泻、泌尿系感染、菌血症等的肠道内外感染乃至如溶血性尿毒综合征的致死性并发症。近年来,抗生素引起的多重耐药菌问题日趋严重,因此,寻找抗生素补充或替代物对人类健康具有重要意义,噬菌体以其专一性高、自我复制能力强、研发周期短、成本低等优势,成为理想的抗生素替代品之一。本论文分离两株裂解O157:H7与O55:H7的噬菌体,对其进行生物学特性和基因组序列分析,并通过动物实验评价噬菌体治疗肠道致病性大肠杆菌O157:H7感染的可行性。主要研究结果如下:(1)分别以肠道致病性大肠杆菌EHEC O157:H7和EPEC O55:H7为宿主菌,从污水样品中分离出两株噬菌体v B_Eco M_P251和v B_Eco M_P255,探究了噬菌体的形态、最佳感染复数、温度和pH敏感性、宿主谱等生物学特性,并从噬菌斑直径、体外裂解动力分析了其对宿主菌的影响。透射电镜观察发现P251和P255均属于肌尾噬菌体科(Myoviridae)。噬菌体一般生物学特性表明:噬菌体P251和P255的最佳感染复数均为1,与宿主菌作用15min吸附率达90%以上,潜伏期15-20 min,爆发期20-30 min,爆发量分别为126 PFU·cell-1、93 PFU·cell-1;可在37-60℃、pH=4-11的条件下保持较高且稳定的活性。宿主范围测试发现,P251噬菌体只对大肠杆菌O157:H7和O78:H11菌株具有感染性,P255噬菌体对O55:H7、O157:H7、O128:H2等11种不同血清型的大肠杆菌均具有感染性,且P251和P255对不同时期的O157:H7流行菌株表现出互补的裂解活性。噬菌体对宿主菌的影响在平板上表现为:P251感染O157:H7形成直径0.48±0.03mm的噬菌斑,P255感染O155:H7形成直径0.90±0.03 mm的噬菌斑。在体外裂解动力方面表现为:P251具有良好的体外裂解能力,其感染O157:H7后,菌体浓度在120-180min内迅速从OD600=0.55降至OD600=0.25,在180-240 min保持稳定,P255体外裂解能力较弱。以上结果表明,本论文分离的两株噬菌体P251和P255具有高效的杀菌活性和极强的稳定性。(2)通过全基因组测序和生物信息学分析,发现P251和P255基因组均为双链DNA,基因组全长分别为111 068 bp、136 254 bp,分别含有227、173个开放阅读框,其中分别有80和73个基因编码已知功能的蛋白质,其余基因注释为假定蛋白,P251含有2个t RNA编码基因。P251和P255基因组具有48.24%的相似性。与已完成全基因组测序的大肠杆菌O157:H7噬菌体AR1相比,两者基因组分别与AR1具有39.65%、87.25%的相似性。通过Easyfig比较分析基因组,证实噬菌体P251和P255基因组中存在溶解蛋白编码基因,无溶原基因、毒素或抗生素抗性基因,表明P251和P255噬菌体可以作为肠道细菌的安全生物防治剂。(3)动物实验评价噬菌体治疗肠道致病性大肠杆菌感染O157:H7的可行性。构建小鼠感染大肠杆菌O157:H7疾病模型后,进行动物攻毒实验。病理切片显示感染病原菌小鼠肠道有炎症细胞浸润,肠绒毛损伤严重,细胞坏死,而空白对照组、噬菌体治疗组、抗生素治疗组恢复期结束后小鼠肠绒毛完整,基本无病理变化。肠道菌群多样性分析表明抗生素治疗后小鼠肠道菌群α多样性下降,即抗生素导致肠道微生物群的崩溃、微生物丰度的减少。菌群构成分析显示抗生素和噬菌体治疗后小鼠肠道菌群结构相似,结合小鼠体重、状态变化,表明噬菌体可治疗O157:H7感染,且在治疗过程中更有利于保持和恢复肠道菌群。综上所述,本论文分离的噬菌体P251和P255潜伏期短、爆发量高、溶解活性高、吸附率高、具有良好的温度和酸碱稳定性,是抗致病性大肠杆菌EHEC O157:H7和EPEC O55:H7的良好候选物。本论文为建立噬菌体鸡尾酒疗法替代抗生素治疗肠道致病性大肠杆菌引起的腹泻、肠炎、溶血性尿毒综合征等疾病提供理论基础。
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