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噬菌体,又称为细菌噬菌体,是一类攻击细菌的病毒。单独的噬菌体无法生存,必须寄生于宿主细菌进行繁殖,并最终导致细菌裂解。由于噬菌体的特性,临床上可用于细菌的鉴定和分型,以及某些难治性细菌感染的治疗。

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噬菌体结构示意图(图片源自网络


据估计,全球每年因植物病害造成的农作物产量损失超过30%。在众多病原中,细菌性病害尤为棘手,其传统防治主要依赖抗生素和铜制剂。然而,抗生素的滥用已引发日益严重的耐药性问题。铜制剂的长期使用会导致其在环境中积累,引起人类和动物的健康问题。由于噬菌体特异性强,可仅杀灭致病菌,而不对有益菌或其他组织细胞造成损伤。噬菌体可作为抗生素和铜制剂的替代,通过噬菌体疗法,有效清除病原体,同时减少抗生素和铜制剂的使用。


随着科学技术的不断进步和噬菌体研究的深入,噬菌体治疗超级细菌的前景越来越广阔。未来,噬菌体疗法有望成为抗生素耐药性问题的重要解决方案之一。通过不断的研究和探索,噬菌体治疗或将成为未来抗菌治疗领域的重要力量,为人类健康事业作出更大的贡献。然而,要将噬菌体安全有效地注入人体,尤其是通过静脉注射(IV) 这种方式,我们面临着一个核心挑战:如何获得超高纯度的噬菌体?


噬菌体裂解液是一个复杂的混合物体系,除目标噬菌体外,主要杂质包括:宿主菌及其碎片、基因组DNA、宿主蛋白等宿主相关杂质;以脂多糖(LPS)为主的内毒素等过程相关杂质;以及空衣壳、断裂尾部等产物相关杂质。


因此,纯化工艺的目标不仅是获得高滴度的噬菌体,更是要将上述杂质,特别是内毒素、宿主DNA和蛋白质,降至药典规定的极低水平。


一个稳健、可放大的噬菌体纯化工艺通常遵循下游加工的通用原则,并可划分为以下几个逻辑步骤:

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噬菌体下游纯化工艺


澄清——去除宏观杂质

在噬菌体纯化工艺的初始阶段,澄清步骤的首要目的是从粗裂解液中有效去除完整细菌细胞和大尺寸细胞碎片等宏观杂质。这一步骤的核心考量在于为下游色谱柱或膜分离单元提供洁净的进料原料,通过最大限度降低固体颗粒物负载来有效预防后续纯化单元的堵塞风险,从而保障整个纯化流程的稳定运行与工艺效率。

在噬菌体下游纯化工艺中,传统的澄清步骤通常依赖于低速离心结合多级深层过滤(如依次经过0.8μm、0.45μm及0.22μm滤膜)以有效去除宿主细胞碎片及杂质。该方案虽成熟可靠,但流程步骤繁多,操作耗时且涉及多次物料转换,整体收率与效率存在优化空间。采用微滤膜包替代上述多级深层过滤,则可显著实现工艺的简化与强化。具体而言,在完成低速离心去除大部分细胞残骸后,直接引入特定截留分子量的微滤膜包(0.45或0.22μm)进行切向流过滤,可实现单一步骤精细截留颗粒杂质与高效透过目标噬菌体,从而将原有的三级过滤整合为一步完成。这一革新不仅大幅减少了操作环节与时间,降低了因多次过滤带来的样品吸附损失和污染风险,还有助于提高目标产物的整体回收率。同时,切向流操作模式可有效缓解膜污染,提升处理通量与工艺的稳健性。因此,采用低速离心结合微滤膜包的集成化澄清策略,是提升噬菌体大规模制备效率与经济性的一个有效发展方向。

九龄科技微滤膜包一般可以将料液浊度降低到20NTU以下,完全满足后续超滤和层析的需求。

捕获与浓缩——初步纯化与体积缩减

在噬菌体纯化的捕获与浓缩阶段,核心目标是将噬菌体从大体积澄清液中有效捕获,同步实现产物的初步浓缩及缓冲液的置换。该步骤主要依托切向流过滤技术,其工作原理是选用特定截留分子量(通常为100或300 kDa)的超滤膜,使残留培养基、代谢物和小蛋白等小分子杂质选择性透过膜孔,而噬菌体因尺寸排阻效应被截留于回流液中,从而实现分离富集。TFF系统可通过超滤模式达成体积浓缩,并切换至透析过滤模式完成缓冲液置换,为后续酶处理等关键步骤创造适宜的理化环境。该技术兼具高效处理与线性放大的双重优势。

九龄科技超滤膜包超滤回收率会因不同物料而有所差异,一般回收率能达到90-95%

深度纯化——靶向去除关键杂质

在噬菌体纯化工艺中,深度纯化是决定最终产品质量的核心环节,其主要目标是特异性去除内毒素等关键杂质。传统的CsCl密度梯度离心因毒性、不可放大性已被排除在工业化路线之外。当前的研究聚焦于色谱技术,并创新性地引入了酶预处理。采用阴离子交换色谱结合碱性磷酸酶预处理的创新策略:由于噬菌体与脂多糖均带负电荷,在传统AEC过程中会产生结合位点竞争,导致共洗脱与纯化效率降低;而通过在AEC进样前进行碱性磷酸酶预处理,可利用该酶对LPS分子中脂质A与多糖核心上磷酸基团的特异性切除作用,显著降低LPS的净负电荷,从而有效削弱其与AEC色谱介质的结合能力。实验数据表明,采用20 U/mL AP处理结合季胺配体膜吸附器或整体柱,可实现高达98.8%的内毒素去除率,同时保持良好噬菌体回收率,成功解决了内毒素共吸附难题。

精制——最终精炼与制剂

在噬菌体纯化流程的最终精制阶段,核心任务在于实现产物的终极纯化与制剂适配,具体包括去除残留的微量杂质、清除工艺引入的添加剂(如碱性磷酸酶),以及将产物完整置换至符合制剂要求的缓冲体系中。该阶段主要通过二次透析过滤这一经典有效的技术路径实现目标,其能够同步完成小分子杂质的深度去除与缓冲体系的彻底置换;在此基础上,为进一步提升产品纯度等级,可引入氢键色谱或多模式色谱等精纯色谱技术作为最终的抛光手段,通过多维度的分离机制有效去除与目标噬菌体性质相近的微量残留组分,确保最终获得的噬菌体活性药物成分满足注射级制剂的苛刻质量要求。


选择1平米膜面积的微滤和超滤膜包的组合,预估处理噬菌体体积最高可达100L。微滤物料通量约20-50LMH,超滤物料通量约15-30LMH。该方法相比传统处理工艺,可高效满足澄清与超滤的工艺要求。


参考文献:

1.Saavedra et al., Scalable purification of bacteriophages preparations (2025)

2.Lapras et al., Rationalisation of the purification process for a phage active pharmaceutical ingredient (2024)


关于九龄

九龄科技是一家专注于生物制药下游澄清、分离、纯化的生产型国家高新技术企业;产品广泛用于单抗、疫苗、诊断、血液制品、血清、内毒素等生物制品的过滤过程;九龄科技有“平板膜包与切向流过滤装置”、“中空纤维柱”、“除病毒过滤器”、“深层膜堆”、“除菌过滤器”、“超滤离心管”等产品,并拥有众多产品生产线,从小型一次性实验室过滤到生产型过滤系统,完全满足试验与生产的各项需求。九龄科技期待与您的合作!

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