实时成像揭示了病毒如何通过肠道微生物群传播

加州大学欧文分校的研究人员开发了一种实时成像系统Phollow，可以追踪单个噬菌体在斑马鱼肠道中的传播，表明来自不同细菌宿主的噬菌体在复制、传播和与宿主组织相互作用方面各不相同

噬菌体是感染并杀死细菌的病毒。它们是地球上数量最多的生物实体，也是人类肠道最早的殖民者之一。噬菌体在人类微生物组中起着多种作用：它们可以影响微生物种群动态，作为新生儿先天免疫调节的一种形式，并通过介导水平基因转移来增强细菌适应性

受控的噬菌体爆发可能会促进有益活动的传播，或被用来清除在某些条件下变得有害的常驻微生物。为了有效利用噬菌体爆发，需要全面了解传播动力学，即噬菌体如何在一个宿主内复制、传播到其他宿主并影响细菌群落的模式

研究传播动力学在技术上具有挑战性，因为控制噬菌体复制和原位传播的因素在很大程度上是未知的。如果不了解噬菌体复制的位置和持续时间，或者噬菌体是以细胞外病毒颗粒还是细胞内原噬菌体的形式存在，这一领域的进展将受到严重限制

在这项发表在《自然微生物学》上的研究中，“Phollow以单病毒粒子分辨率揭示了斑马鱼肠道微生物组中的原位噬菌体传播动力学”，研究人员设计了一种实时成像方法来研究噬菌体如何在细菌群落和动物宿主中复制和传播

描述噬菌体诱导、组装和扩散的延时电影。大肠杆菌HS-Phollow病毒细胞在含有MMC的琼脂垫上生长的时间序列图像。光学帧由四个拼接扫描和合并的视场生成，在370分钟内以规则的10分钟间隔采集。时间序列从0分钟开始，其中单个细菌细胞表现为白色小棒状。随着时间的推移，这些细胞会发生丝状化，这是一种标志性的形态变化，表明MMC遗传毒性诱导的SOS反应。随后，细菌细胞亚群显示出细胞内荧光病毒灶的形成，随后是爆炸性细胞裂解。裂解后，可以看到Phollow噬菌体病毒颗粒分散在整个细胞外环境中。来源：《自然微生物学》（2025）。DOI:10.1038/41564-025-01981-1

将Phollow应用于定植有大肠杆菌和邻单胞菌工程菌株的无菌斑马鱼，从而可以在单个病毒颗粒分辨率下可视化噬菌体行为。研究人员构建了荧光标记的噬菌体，并将其引入被称为Phollow病毒细胞的修饰细菌宿主中

使用抗生素诱导病毒复制，并使用延时成像、超分辨率显微镜、流式病毒测定和扩增显微镜在体内监测噬菌体活性

观察到噬菌体形成病毒聚集体，在细菌裂解后分散成快速扩散的颗粒云。病毒复制的峰值诱导发生在丝裂霉素C治疗后一小时，涉及约20%的细菌群

在复制高峰期，Phollow病毒细胞每微米细胞长度平均含有1.6个病毒灶。三维投影显示，病毒病灶的表面积大约是单个P2样噬菌体衣壳的100倍。透射电子显微镜发现野生型和Phollow噬菌体病毒颗粒之间没有明显的结构差异

流式病毒测定显示，丝裂霉素C、环丙沙星和甲氧苄啶均诱导了相当的病毒颗粒峰值输出。甲氧苄啶诱导的斑马鱼肠道爆发在四小时内产生了遍布肠道的噬菌体云，在24小时内基本消失。感染性病毒颗粒在肠道组织中4小时达到峰值，并在周围水中持续24小时以上。邻单胞菌衍生的噬菌体系统性地传播到肝脏和大脑

在体外，发现Phollow噬菌体在新的宿主细胞中复制并进行进一步的细菌间传播。在体内，第二波噬菌体复制证实了水平传播的发生

Phollow的初步测试表明，它有能力对噬菌体传播和跨王国相互作用进行多尺度研究，这可能为基于噬菌体的微生物组疗法开辟新的途径

实时成像和流式病毒测定技术可以支持旨在剖析噬菌体爆发机制的实验设计，这对许多尚未开发的临床机会具有重要意义 More information: Lizett Ortiz de Ora et al, Phollow reveals in situ phage transmission dynamics in the zebrafish gut microbiome at single-virion resolution, Nature Microbiology (2025). DOI: 10.1038/s41564-025-01981-1

Journal information: Nature Microbiology