Что такое фаговая инфекция

Обновлено: 17.04.2024

Валентин Викторович Власов — академик РАН, доктор химических наук, профессор, директор Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Лауреат Государственной премии РФ (1999). Автор и соавтор более 300 научных работ и 20 патентов.

Вера Витальевна Морозова — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор более 30 научных работ и 6 патентов.

Игорь Викторович Бабкин — кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярной микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 58 научных работ и 2 патентов.

Нина Викторовна Тикунова — доктор биологических наук, заведующая лабораторией молекулярной микробиологии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Автор и соавтор 120 научных работ и 21 патента.

Когда в 1930-х гг. группа ученых занялась проблемами функционирования живых систем, то в поиске простейших моделей они обратили внимание на бактериофаги — вирусы бактерий. Ведь среди биологических объектов нет ничего проще, чем бактериофаги, к тому же их можно легко и быстро выращивать и анализировать, а вирусные генетические программы невелики.

Фаг — это минимального размера природная структура, содержащая плотно упакованную генетическую программу (ДНК или РНК), в которой нет ничего лишнего. Эта программа заключена в белковую оболочку, снабженную минимальным набором устройств для ее доставки внутрь бактериальной клетки. Бактериофаги не могут размножаться сами по себе, и в этом смысле их нельзя считать полноценными живыми объектами. Их гены начинают работать только в бактерии, используя имеющиеся в бактериальной клетке биосинтетические системы и запасы молекул, необходимых для синтеза. Однако генетические программы этих вирусов принципиально не отличаются от программ более сложных организмов, поэтому эксперименты с бактериофагами позволили установить основополагающие принципы устройства и работы генома.

В дальнейшем эти знания и разработанные в ходе исследований методы стали фундаментом для развития биологической и медицинской науки, а также широкого спектра биотехнологических приложений.

Бактериофаги — наши друзья, когда речь идет о бактериях, патогенных для человека. Однако есть и другие, дружественные нам бактерии, которые используются в современных биотехнологических производствах, а также в традиционных производствах пищевой промышленности, таких как сыроварение и т. п. В этих случаях фаги могут приносить большой вред, поскольку в больших популяциях микроорганизмов, находящихся в стадии интенсивного роста, создаются благоприятные условия для размножения фагов, что приводит к лизису производственных бактериальных культур. При производстве сыра проблема не столь серьезна, так как при этом обычно применяют закваски, состоящие из многих культур, часть которых выдержит фаговую атаку и продолжит процесс молочнокислого брожения. Серьезные неприятности возникают, если весь процесс основан на применении одного конкретного бактериального штамма, как, например, при производстве антибиотиков или терапевтических белков.

Борцы с патогенами

Первые попытки использовать бактериофаги для лечения инфекционных заболеваний были предприняты практически сразу после их открытия, однако недостаток знаний и несовершенные биотехнологии того времени не позволили достичь полного успеха. Тем не менее дальнейшая клиническая практика показала принципиальную возможность успешного применения бактериофагов при инфекционных заболеваниях желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы, при острых гнойно-септических состояниях больных, для лечения хирургических инфекций и т. д.

По сравнению с антибиотиками бактериофаги имеют ряд преимуществ: они не вызывают побочных эффектов, к тому же строго специфичны для определенных видов бактерий, поэтому при их использовании не нарушается нормальный микробиом человека. Однако такая высокая избирательность создает и проблемы: чтобы успешно лечить пациента, нужно точно знать инфекционный агент и подбирать бактериофаг индивидуально.

Бактериофагами лечат инфекционные болезни не только людей, но и домашних и сельскохозяйственных животных: мастит у коров, колибактериоз и эшерихиоз у телят и свиней, сальмонеллез у кур. Особенно удобно применять фаговые препараты в случае аквакультуры — для лечения промышленно выращиваемых рыб и креветок, так как в воде они долго сохраняются. Бактериофаги помогают защитить и растения, хотя применение фаговых технологий в этом случае затруднено из-за воздействия природных факторов, таких как солнечный свет и дождь, губительных для вирусов.

Фаги могут сыграть большую роль в поддержании микробиологической безопасности продуктов питания, так как применение антибиотиков и химических агентов в пищевой отрасли не решает эту проблему, одновременно снижая уровень экологической чистоты продукции. О серьезности самой проблемы говорят статистические данные: например, в США и России ежегодно регистрируется до 40 тыс. заболевших сальмонеллезом, из которых 1% умирает. Распространение этой инфекции в значительной степени связано с выращиванием, переработкой и потреблением различных видов птицы, и попытки применить для борьбы с ней бактериофаги дали многообещающие результаты.

Так, американская компания Intralytix производит фаговые препараты для борьбы с листериозом, сальмонеллезом и бактериальным загрязнением кишечной палочкой. Они разрешены к применению как добавки, предотвращающие размножение бактерий на продуктах питания — их распыляют на продукты из мяса и домашней птицы, а также на овощи и фрукты. Эксперименты показали, что коктейль из бактериофагов может быть успешно применен и при транспортировке и реализации живой прудовой рыбы для снижения бактериального загрязнения не только воды, но и самой рыбы.

Очевидным применением бактериофагов является дезинфекция, то есть уничтожение бактерий в тех местах, где их не должно быть: в больницах, на пищевых производствах и т. п. Для этой цели британская компания Fixed-Phage разработала метод фиксации фаговых препаратов на поверхностях, обеспечивающий сохранение биологической активности фагов до трех лет.

Эксперимент американских исследователей А. Херши и М. Чейза с использованием бактериофагов, меченных изотопами серы и фосфора, доказали роль ДНК как основного носителя генетической информации

В качестве объектов для своих исследований М. Дельбрюк и его сотрудники использовали мутантные бактериофаги так называемой Т-серии, поражающие кишечную палочку

Семь дней творения

Современные методы синтетической биологии позволяют не только вносить различные модификации в фаговые геномы, но и создавать полностью искусственные активные фаги. Технологически это несложно, нужно только синтезировать фаговый геном и ввести его в бактериальную клетку, а там он уже сам запустит все процессы, необходимые для синтеза белков и сборки новых фаговых частиц. В современных лабораториях на эту работу уйдет всего несколько дней.

Генетические модификации применяют, чтобы изменить специфичность фагов и повысить эффективность их терапевтического действия. Для этого наиболее агрессивные фаги снабжают узнающими структурами, связывающими их с целевыми бактериями. Также в вирусные геномы дополнительно встраивают гены, кодирующие токсические для бактерий белки, нарушающие метаболизм, — такие фаги более смертоносны для бактерий.

Универсальный способ защиты бактерий от всех внешних воздействий — так называемые биофильмы, пленки из ДНК, полисахаридов и белков, которые бактерии создают совместными усилиями и куда не проникают ни антибиотики, ни терапевтические белки. Такие биопленки — головная боль врачей, так как они способствуют разрушению зубной эмали, образуются на поверхности имплантов, катетеров, искусственных суставов, а также в дыхательных путях, на поверхности кожи и т. п. Для борьбы с биофильмами были сконструированы особые бактериофаги, содержащие ген, кодирующий специальный литический фермент, разрушающий бактериальные полимеры.

Большое число ферментов, сегодня широко использующихся в молекулярной биологии и генетической инженерии, были открыты в результате исследований бактериофагов.

Фаговые антибиотики

В терапевтических целях фаги необязательно использовать напрямую. За миллионы лет эволюции бактериофаги разработали арсенал специфических белков — инструментов для распознавания целевых микроорганизмов и манипуляций с биополимерами жертвы, на основе которых можно создавать противобактериальные препараты. Наиболее перспективными белками такого типа являются ферменты эндолизины, которые фаги используют для разрушения клеточной стенки при выходе из бактерии. Сами по себе эти вещества являются мощными антибактериальными средствами, нетоксичными для человека. Эффективность и направленность их действия можно повысить, изменив в них адресующие структуры — белки, специфически связывающиеся с определенными бактериями.

Большинство бактерий делятся по устройству клеточной стенки на грамположительные, мембрана которых покрыта очень толстым слоем пептидогликанов, и грамотрицательные, у которых слой пептидогликана расположен между двумя мембранами. Использование природных эндолизинов особенно эффективно в случае грамположительных бактерий (стафилококков, стрептококков и др.), поскольку пептидогликановый слой у них расположен снаружи. Грамотрицательные бактерии (синегнойная палочка, сальмонеллы, кишечная палочка и др.) являются менее доступной мишенью, поскольку ферменту, чтобы добраться до внутреннего пептидогликанового слоя, необходимо проникнуть сквозь внешнюю бактериальную мембрану.

Для преодоления этой проблемы были созданы так называемые артилизины — модифицированные варианты природных эндолизинов, содержащие поликатионные или амфипатические пептиды, которые дестабилизируют внешнюю мембрану и обеспечивают доставку эндолизина непосредственно к пептидогликановому слою. Артилизины обладают высокой бактерицидной активностью и уже показали свою эффективность при лечении отитов у собак (Briers et al., 2014).

Примером модифицированного эндолизина, избирательно действующего на определенные бактерии, является препарат P128 канадской компании GangaGen Inc. Он представляет собой биологически активный фрагмент эндолизина, соединенный с лизостафином — адресующей белковой молекулой, которая связывается с поверхностью клеток стафилококков. Полученный химерный белок обладает высокой активностью против разных штаммов стафилококка, в том числе обладающих множественной лекарственной устойчивостью.

Анализируя размножение фагов в присутствии целевых бактерий, можно количественно определить численность последних. Так как количество фаговых частиц в растворе возрастет пропорционально числу содержавшихся в нем бактериальных клеток, то для оценки численности бактерий достаточно определить титр бактериофага.

Специфичность и чувствительность такой аналитической реакции достаточно высока, а сами процедуры просты в исполнении и не требуют сложного оборудования. Важно, что диагностические системы, основанные на бактериофагах, сигнализируют о наличии именно живого патогена, тогда как другие методы, такие как ПЦР и иммуноаналитические, свидетельствуют лишь о наличии биополимеров, принадлежащих этой бактерии. Такого типа диагностические методы особенно удобны для использования в экологических исследованиях, а также в пищевой индустрии и сельском хозяйстве.

Вероятно, с помощью модифицированных фагов удастся решить и давнюю задачу глобальной важности — разработать дешевые и быстрые методы детекции возбудителей туберкулеза на ранней стадии заболевания. Задача эта очень сложна, поскольку микобактерии, вызывающие туберкулез, отличаются крайне медленным ростом при культивировании в лабораторных условиях. Поэтому диагностика заболевания традиционными методами может затягиваться на срок до нескольких недель.

Фаговая технология позволяет упростить эту задачу. Суть ее в том, что к образцам анализируемой крови добавляют бактериофаг D29, способный поражать широкий спектр микобактерий. Затем бактериофаги отделяют, и образец перемешивают с быстрорастущей непатогенной культурой микобактерий, также чувствительной к этому бактериофагу. Если в крови первоначально имелись микобактерии, которые были инфицированы фагами, то в новой культуре будет также наблюдаться наработка бактериофага. Таким образом можно выявить единичные клетки микобактерий, а сам процесс диагностики с 2–3 недель сокращается до 2–5 дней (Swift & Rees, 2016).

Фаговый дисплей

Из экспериментов Смита последовало два важных вывода: во-первых, используя технологию рекомбинантных ДНК, можно создавать огромные по разнообразию популяции численностью 10 6 –10 14 фаговых частиц, каждая из которых несет на своей поверхности разные варианты белков. Такие популяции назвали комбинаторные фаговые библиотеки. Во-вторых, выделив из популяции конкретный фаг (например, обладающий способностью связываться с определенным белком или органической молекулой), можно этот фаг размножить в бактериальных клетках и получить неограниченное число потомков с заданными свойствами.

Принципиальная схема процедуры биопеннинга — отбора высокоспецифичных рекомбинантных антител к конкретной мишени-антигену из комбинаторной библиотеки фагового дисплея на основе нитчатых бактериофагов. По: (Тикунова, Морозова, 2009)

На сегодня можно выделить два основных направления применения фагового дисплея. Технология на основе пептидов используется для исследования рецепторов и картирования сайтов связывания антител, создания иммуногенов и нановакцин, а также картирования сайтов связывания субстратов у белков-ферментов. Технология на основе белков и белковых доменов — для отбора антител с заданными свойствами, изучения белок-лигандных взаимодействий, скрининга экспрессируемых фрагментов комплементарной ДНК и направленных модификаций белков.

С помощью фагового дисплея можно вносить узнающие группировки во все виды поверхностных вирусных белков, а также в основной белок, формирующий тело бактериофага. Вводя в поверхностные белки пептиды с заданными свойствами, можно получить целый спектр ценных биотехнологических продуктов. Например, если этот пептид будет имитировать белок опасного вируса или бактерии, узнаваемый иммунной системой, то такой модифицированный бактериофаг представляет собой вакцину, которую можно просто, быстро и безопасно наработать.

Одним из важных применений метода фагового дисплея белков является создание фаговых библиотек рекомбинантных антител, где антигенсвязывающие фрагменты иммуноглобулинов расположены на поверхности фаговых частиц fd или М13. Особый интерес представляют библиотеки антител человека, поскольку такие антитела могут быть использованы в терапии без ограничения. В последние годы только на фармацевтическом рынке США продается около полутора десятка терапевтических антител, сконструированных с использованием этого метода.

Так как вирус представляет собой достаточно жесткую конструкцию с определенным соотношением размерностей, это обстоятельство позволяет использовать его для получения пористых наноструктур с известной площадью поверхности и нужным распределением пор в структуре. Как известно, именно площадь поверхности катализатора является критическим параметром, определяющим его эффективность. А существующие на сегодня технологии формирования на поверхности бактериофагов тончайшего слоя металлов и их оксидов позволяют получать катализаторы с чрезвычайно развитой регулярной поверхностью заданной размерности. (Lee et al., 2012).

Нитчатый бактериофаг М13, размножающийся в обычной кишечной палочке (а), может нести на своей поверхности рекомбинантные чужеродные белки, такие как антитела (б) либо пептиды (в). Он также может служить шаблоном для создания наноустройств и наноматериалов, таких как нанокристаллический катализатор с известной площадью поверхности и нужным распределением пор (г)

Путем покрытия нитчатых фагов золотом и двуокисью индия были получены электрохромные материалы — пористые нанопленки, меняющие цвет при изменении электрического поля, способные реагировать на изменение электрического поля в полтора раза быстрее известных аналогов. Подобного рода материалы перспективны для создания энергосберегающих ультратонких экранных устройств (Nam et al., 2012).

На основе комплексов бактериофага М13, двуокиси титана и одностенных углеродных нанотрубок были также созданы материалы для солнечных батарей (Dang et al., 2011).

Последние годы ознаменовались широкими исследованиями бактериофагов, которые находят себе все новые применения не только в терапии, но и в био- и нанотехнологиях. Их очевидным практическим результатом должно стать возникновение нового мощного направления персонализированной медицины, а также создание целого спектра технологий в пищевой промышленности, ветеринарии, сельском хозяйстве и в производстве современных материалов. Мы ждем, что второе столетие исследований бактериофагов принесет не меньше открытий, чем первое.

Литература
1. Бактериофаги: биология и применение / Ред.: Э. Каттер, А. Сулаквелидзе. М.: Научный мир. 2012.
2. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. М.: Мир. 1974. 614 с.
3. Тикунова Н. В., Морозова В. В. Фаговый дисплей на основе нитчатых бактериофагов: применение для отбора рекомбинантных антител // Acta Naturae. 2009. № 3. C. 6–15.
4. Mc Grath S., van Sinderen D. Bacteriophage: Genetics and Molecular Biology. Horizon Scientific Press, 2007.

Новость

Автор

Редакторы

Как известно, вирусы — объекты странные: вроде, и не живые сами по себе, но стоит только попасть в клетку. Внутриклеточные подвиги бактериофагов описаны давно, однако эти вирусы сумели сохранить парочку секретов — настоящих жареных фактов, по меркам научной периодики. Например, в этом году мы узнали, что если фаги и не очень живые, то уж точно очень общительные: находясь в разных клетках, они методично высылают друг другу сигналы — маленькие, но судьбоносные для фагов пептиды.

Бактериофаги (или просто фаги) — это вирусы, поражающие бактерий . После впрыскивания генома фага в клетку события могут развиваться по одному из двух сценариев:

литическому — когда фаг размножается, и армия новых его частиц бесцеремонно, нанося смертельные повреждения, покидает клетку;
лизогенному — когда геном фага встраивается в клеточную ДНК и остается до поры до времени в неактивном состоянии, подспудно защищая клетку от вторжения конкурентов — фагов своего вида.

В зависимости от условий бактериофаг выбирает, какой сценарий в данный момент для него выгоднее. Выбор пути регулируется чрезвычайно сложными механизмами. Заподозрить это позволяет даже количество работ, посвященных этой тематике: не одна сотня статей написана об одном только фаге λ и его выборе между лизисом и лизогенией. И всё равно система принятия решения осталась непонятой [1].

До сих пор quorum sensing считался прерогативой бактерий, и молекулярную коммуникацию между вирусами, находящимися в разных клетках, не обнаруживали.

Удивительная случайность (как всегда)

Израильская ученая Зохар Эрез с коллегами изучала бактерий, зараженных фагами группы SPbeta: пыталась обнаружить, секретируют ли Bacillus subtilis какие-либо молекулы, подготавливающие собратьев к фаговой атаке. Через три часа после заражения исследователи начали ловить в бактериальной культуре молекулы, которые могли бы предотвратить дальнейшую инфекцию. К своему удивлению они выделили белок не бактериального, а фагового происхождения. Этот маленький пептид синтезировал вирус phi3T, блокируя тем самым лизис клеток и стимулируя лизогению [1], [4].

Рисунок 1. Фаги используют сигнальные пептиды для общения. а — После заражения бацилл фагом phi3T синтезируется вирусный белок AimP, от которого отрезается и секретируется из клетки маленький пептид арбитриум. б — Арбитриум попадает в другую клетку с помощью олигопептидной пермеазы, OPP. Если концентрация пептида мала, то развитие фага в этой клетке идет по литическому пути, и клетка разрушается. в — Высокая концентрация арбитриума способствует встраиванию вирусного генома в ДНК бациллы, клетка выживает, а другой phi3T уже не может ее инфицировать.

Белки фагового кворума и их гены

Рисунок 2. Гены кворума фага phi3T и структура белка AimP. Условные обозначения: HTH-домен — домен связывания с ДНК, TPR-домен — рецептор арбитриума.

Чтобы показать, что SAIRGA — это и есть арбитриум, израильские ученые заражали культуру бацилл фагом phi3T при высокой концентрации SAIRGA и наблюдали явное снижение числа лизированных клеток. Эффекта не было при проведении эксперимента с более короткими версиями пептида (SAIRG или AIRGA) и с бациллярным пептидом PhrC, участвующим в бактериальном кворуме [4].

Перед aimP в геноме фага расположен ген aimR, кодирующий белок длиной 378 а.о. Выяснили, что белок AimR — это внутриклеточный рецептор арбитриума: его С-концевой домен взаимодействует с сигнальной молекулой. В то же время N-концевой домен AimR приспособлен для специфического связывания с ДНК бактериофага (рис. 2) [4].

Как работает система кворума бактериофагов?

На начальной стадии инфекции phi3T экспрессирует ранние гены — aimP и aimR. Белок AimR в виде гомодимера связывается со специфическим сайтом между aimP и aimX и активирует транскрипцию последнего (рис. 3а). В то время как новые порции AimP превращаются в арбитриум и выходят из клетки, AimX активирует литический цикл (а может, ингибирует лизогенный) — собираются фаговые частицы следующего поколения, разрушают клетку и заражают соседних бацилл [4].

Рисунок 3. Модель работы системы quorum sensing фага phi3T. а — Развитие по литическому пути. б — Развитие по лизогенному пути. Подробные объяснения — в тексте.

Так происходит, пока в среде не создастся достаточно высокая концентрация арбитриума. В этом случае в инфицированные phi3T клетки через транспортер ОРР будет поступать настолько много сигнального пептида, что он сможет связаться со всеми рецепторными молекулами AimR, разбить димер на мономеры и тем самым помешать ему активировать транскрипцию aimX (рис. 3б) [4].

Рисунок 4. Демографическая ситуация — главный вопрос в беседах бактериофагов.

С обнаружением первой системы фаговой коммуникации пришло понимание того, что не только прокариоты, но и вирусы — не такие уж простачки. Геномы многих фагов еще не расшифрованы, и кто знает, какие новые сюрпризы преподнесут нам эти недоорганизмы? А что, если вирусы эукариот тоже общительны, и весь этот вирусный мир беседует не только о демографии?

Препараты на основе бактериофагов способны оказывать эффективную помощь при профилактике и борьбе с распространенными инфекциями без вреда организму. Мы попытаемся доходчиво объяснить, что такое бактериофаги, как они устроены и чем полезны для человека.

Мы будем очень рады, если вы процитируете наш материал, но обязательно укажите активную ссылку на него. Спасибо!

В 1928 году британский бактериолог Александр Флеминг вернулся из отпуска в Шотландии в свою лабораторию в Лондоне и обнаружил, как в одной из чашек Петри бурно разрослась колония плесневых грибов (Penicillium notatum). С выделением пенициллина началась эра антибиотиков.

С тех пор антибиотики спасли миллионы жизней по всей планете. Флеминг также обнаружил, что бактерии обладали устойчивостью к антибиотикам, если действовали малым количеством пенициллина, либо если антибиотик употреблялся слишком короткое время.

Алмрот Райт предсказал устойчивость к антибиотикам еще до того, когда это было обнаружено экспериментально. Бактериальная резистентность — явление естественное по своей природе, а потому неизбежное.

Вот уже более десятка лет Всемирная организация здравоохранения, Центр по контролю заболеваний в США, многие крупные эксперты в России открыто признают, что мы вступили в так называемую пост антибиотиковую эру.

Например, в 2015 году в Китае была выявлена бактерия с новой мутацией в генах MCR-1, устойчивая к наиболее важному антибиотику в медицине - колистину, применяемому лишь в крайних случаях. Скорее всего, она появилась после того, как препарат начали активно использовать на животноводческих фермах. Ничего не мешает ей распространяться по миру и увеличивать спектр неизлечимых инфекций.

В 2016 году в США зафиксирован случай заражения человека одной из разновидностей энтеробактерий. Штамп оказался устойчивым к воздействию тетрациклина, колистина, ко всем до единого из 26 видов антибиотиков, представленных на рынке. Женщину так и не удалось спасти.

Ученые по всему миру продолжают изучать явление резистентности в надежде минимизировать угрозы. Однако одной из самых подходящих альтернатив можно назвать препараты (комбинированные или моно) на основе бактериофагов.

Бактериофаги являются важнейшим компонентом нашей продукции и помогают при профилактике бактериальных заболеваний и борьбе с ними. Название звучит непривычно и немного непонятно. На самом деле, с бактериофагами люди знакомы уже более ста лет.

Они являются самым распространенным биологическим объектом на Земле.

Второе открытие было сделано во время исследования вспышки дизентерии среди французских солдат во время Первой мировой войны. При изучении лизиса (разрушения клетки под действием собственных или чужеродных ферментов) бактериальных культур.

Ученый обратил внимание, что какое-то существо, невидимое в обычный микроскоп, разрушает выращенные им культуры бактерий. Микробиологу удалось настроить его размножение: бактерии, зараженные им, погибали, а количество агента увеличивалось.

В 1919 году ученый успешно вылечил бактериофагами первых пациентов. Он описал случай успешного лечения дизентерии с использованием фагов, доказав, что они обеспечивают выздоровление больного организма. Были проведены и первые опыты по применению фагов при раневых инфекциях, холере, тифе и даже бубонной чуме. Успех выглядел вполне убедительно.

Хотя в государствах Восточной Европы, таких как СССР, применение бактериофагов в терапии продолжилось, чему способствовало основание в 1934 году Института Бактериофага в Тбилиси Георгием Элиавой совместно с Феликсом Д'Эреллем.

В мире интерес к фаговой терапии возобновился только в 1980-е годы, когда эффективность лечения антибиотиками значительно снизилась, а бактерии стали более устойчивы к лекарствам. Сейчас исследования в этой области активно ведутся по всему миру.

Несмотря на соблазн использовать бактериофаги во всех ситуациях, где задействованы бактериальные патогены, перед разработкой любого фагового продукта требуется провести тщательный и всесторонний анализ проекта, включая техническую осуществимость, стоимость, конкурентную среду и т. д. Важным фактором является и маркетинговая стратегия: некоторые фагосодержащие препараты лучше позиционировать как лекарства, однако другие можно использовать как биологически активные добавки-пробиотики, которые продаются без рецепта. Дело в том, что способность литических бактериофагов уничтожать определенные болезнетворные бактерии, не влияя на нормальную бактериальную флору, позволяет использовать их не только для лечения, но и для профилактики многих бактериальных заболеваний.

Литические бактериофаги направленно атакуют патогенные бактерии, обитающие в наших органах, включая слизистую кишечника, не трогая полезную микрофлору

К примеру, фаговые препараты, мишень которых — патогены, вызывающие диарею, вполне могут стать биологически активной добавкой для профилактики таких острых кишечных инфекций, как шигеллез. Кстати сказать, об успешном применении фагов против Shigella spp. у людей свидетельствует ряд публикаций в научной литературе бывшего СССР (Goodridge, 2013). Такие пробиотики будут незаменимы для людей, много путешествующих по странам, где высока заболеваемость бактериальной диареей.

И, конечно, стоимость разработки, стратегии нормативно-правового регулирования и временные рамки для коммерциализации разных продуктов будут также существенно различаться.

Оптом и под заказ

С практической точки зрения для этого нужно проводить мониторинг чувствительности патогена и по мере необходимости обновлять фагосодержащие препараты. Что касается первого условия, то тестирование бактерий на чувствительность к антибиотикам — стандартная практика во всех крупных больницах. Эти процедуры можно достаточно легко адаптировать под бактериофаги, повысив пропускную способность оборудования и внедрив фагоспецифичные протоколы.

Однако с нормативной точки зрения возможны трудности. Обновление фаговых препаратов путем замены старых штаммов на новые, более эффективные, успешно проводилось в бывшем СССР и странах Восточной Европы. Но такая практика внове для западных регулирующих органов, для которых каждое изменение в лекарственном препарате служит предметом нового нормативного применения. Такие требования будут препятствовать развитию новых эффективных средств на основе бактериальных вирусов, ориентированных на один или несколько патогенов (Sulakvelidze, 2012).

Позитивным моментом можно считать гибкость FDA (американского Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) в отношении использования фагов для обеспечения безопасности пищевых продуктов. FDA разрешило в будущем обновлять несколько таких препаратов в ответ на появление в пищевых продуктах новых фагоустойчивых штаммов бактериальных патогенов (Woolston & Sulakvelidze, 2015). Может ли подобный подход быть реализован для лечения человека, еще предстоит выяснить. Однако делать это необходимо, иначе мы не сможем оптимально использовать в здравоохранении все сильные стороны фаготерапии.

В пищевых продуктах могут содержаться бактерии, вызывающие кишечные инфекции. Чтобы снизить вероятность заражения, их можно обрабатывать фаговыми препаратами, прицельно убивающими только патогены

Наконец, необходимо продумать логистику, чтобы такой подход был еще и коммерчески жизнеспособным. Может оказаться целесообразным на первых порах создать небольшое количество опорных клиник или центров с хорошо подготовленным персоналом, где будут реализованы соответствующие технологии. Число (размер) этих центров может впоследствии возрасти по мере того, как персонализированный подход к лечению будет завоевывать все больше сторонников среди специалистов-медиков.

Фаги-пробиотики

Одно из самых интригующих потенциальных применений бактериофагов — использование их в качестве пробиотиков для тонкой настройки микрофлоры желудочно-кишечного тракта и (или) других органов — кожи, полости рта, влагалища.

Большая часть бактерий находится в желудочно-кишечном тракте, который колонизирован обильной и разнообразной микрофлорой, играющей важную роль не только в образовании фекалий, но и в защите слизистых оболочек, регуляции иммунологической толерантности и синтеза витамина К. Многочисленные факторы (лечение антибиотиками, неправильное питание, психологический и физический стресс и др.) могут вызывать изменения состава микрофлоры кишечника, что способствует развитию различных хронических и дегенеративных заболеваний, включая ревматоидный артрит.

Препараты на основе бактериофагов могут решить многие проблемы со здоровьем в качестве дополнения к бактериальным пробиотикам

Фаговый биоконтроль

Медленно, но неуклонно завоевывает признание в США и концепция использования бактериофагов для обеспечения безопасности пищевых продуктов. Все больше производителей пищевых продуктов признают преимущество использования бактериальных вирусов; о бактериофагах и их широком распространении в окружающей среде больше узнают и сами потребители.

С помощью фагов можно действительно безопасным и экологически чистым способом снизить количество патогенных бактерий (листерий, патогенных штаммов кишечной палочки, сальмонелл и др.) в пищевых продуктах без потери их питательной ценности и с сохранением нормальной, часто полезной микрофлоры. Для этого к продуктам добавляются (к примеру, распыляются по поверхности) соответствующие литические бактериофаги в нужной концентрации. Если бактерий-мишеней в продуктах не появится, то со временем фаги просто исчезнут.

За последние годы FDA уже одобрила несколько таких препаратов для обеспечения безопасности пищевых продуктов (Sulakvelidze, 2012; Woolston & Sulakvelidze, 2015). Первым официально признанным фагосодержащим препаратом для пищевых продуктов (в том числе готовых к применению) стал ListShield от компании Intralytix Inc. Кстати сказать, он является на сегодняшний день единственным препаратом на основе фага, одобренным FDA в качестве пищевой добавки. Препарат активен в отношении бактерии Listeria monocytogenes, вызывающей тяжелое заболевание, которое у людей со слабым иммунитетом может приводить к серьезным осложнениям и даже летальному исходу.

Производственная база американской биотехнологической компании Intralytix Inc. (Балтимор, США). Фото автора

Чтобы фаготерапия стала широко доступной во всем мире, безусловно, необходимо решить ряд технических и других проблем (Sulakvelidze & Kutter, 2005; Sulakvelidze, 2011). Однако, учитывая уже имеющийся потенциал бактериофагов для безопасного и эффективного лечения заболеваний, вызванных бактериями со множественной лекарственной устойчивостью, давно назрела необходимость приложить все усилия по внедрению этого природного антибактериального подхода в современную медицину.

Так мир познакомился с микроорганизмами, питающимися бактериями, которые много тысяч лет делали свое дело слаженно, не давая бактериям уничтожить все живое на земле. В 1921 г. Д. Мэйсон и Р. Брайон впервые описали успешное лечение стафилококковой инфекции кожи с помощью стафилококкового бактериофага. Во время Второй мировой войны бактериофаги использовались при гнойно-септических инфекциях, дизентерии, тифе и др.

Бактериофаги еще в прошлом столетии доказали свою эффективность и безопасность. Почему же бактериофаги до сих пор не стали основными средствами борьбы с инфекцией? Это объясняется несколькими причинами. Главная — открытие новой группы препаратов – антибиотиков, надолго оттеснившее интерес к бактериофагам. Плюс:

недостаточная информированность врачей и пациентов,
отсутствие фагов ко многим патогенным бактериям,
неэффективность лечения в связи с неправильным подбором бактериофагов для лечения конкретного больного,
недостаточно изученное иммунологическое взаимодействие бактериофагов и организма человека,
отсутствие нормативно-правовых аспектов применения бактериофагов в лечении инфекций человека.

Что такое бактериофаги

В 1939 году А. Флемингом был открыт антибиотик, и началась эра антибиотиков в лечении бактериальных инфекций. Появилось большое количество антибиотиков 1, 2, 3, 4 поколений, причем антибиотики последнего поколения, которыми пользуются и сейчас, появились еще в 70-е годы прошлого столетия. На Западе и Америке отказались от бактериофагов и активно начали применять антибиотики.

Но А. Флеминг предупреждал о некоторых обязательных моментах применения антибиотиков:

строгих показаниях к назначению,
соблюдении продолжительности и запрете прерывания курса лечения,
адекватных дозах препарата,
способах введения,
назначения их обязательно врачом,
отпуске антибиотиков исключительно по рецепту.

Несоблюдение хотя бы части этих требований могло привести и, как оказалось, приводит к кризису антибиотиковой эры. Бактерии перестают реагировать на препараты. Пока ещё действуют антибиотики последнего поколения, решая труднейшие клинические проблемы, но рассчитывать на появление новых антибиотиков не приходится.

Россия на сегодняшний день оказалась самой развитой страной в области микробиологии изучения бактериофагов. Бактериофаги – это естественные антагонисты бактерий.

Каков механизм действия бактериофагов

Сегодня многие заболевания вызываются стафилококками, стрептококками, клебсиеллами и другими бактериями, и успешно могут лечиться бактериофагами. Это естественная альтернатива антибиотикам, возврат к природе.

Какие преимущества имеют бактериофаги в лечении бактериальных инфекций

Бактериофаги много тысяч лет делали свое дело, не давая бактериям уничтожить все живое на земле.

Бактериофаги могут применяться и у беременных, и у детей, во всех возрастных группах людей. Противопоказаний к их применению нет.

Фаги совместимы с различными лекарствами, в том числе с антибиотиками, причем они уменьшают непереносимость (резистентность) бактерий к антибиотикам.

Курс лечения бактериофагами более короткий (7-14 дней). Фаги практически не дают побочных явлений. Они определяются бактериальной зараженностью и распадом бактерий с выделением эндотоксина, но они значительно меньше, чем при приеме антибиотиков, эти явления легко снимаются приёмом энтеросорбентов. Бактериофаги можно применять при аллергических реакциях на антибиотики.

Бактериофаги, благодаря своей специфичности воздействия на бактерии, не убивают хорошие бактерии и не изменяют нормальную микрофлору кишечника. Они, в отличие от антибиотиков, не нарушают микробиом человека.

Какие виды бактериофагов известны

Известно, что бактериофаги действуют на один штамм бактерий, поэтому производятся препараты бактериофагов, действующих против разных штаммов одного возбудителя:

стафилококковый бактериофаг,
сальмонеллезный бактериофаг,
стрептококковый бактериофаг,
клебсиеллёзный бактериофаг (Клебсиелла пневмония),
бактериофаг псевдомонас (против синегнойной палочки).

Производятся препараты против двух и более возбудителей, поливалентные бактериофаги:

бактериофаг дизентерийный, действующий на разные штаммы дизентерийной палочки,
клебсиеллезный бактериофаг против трёх видов клебсиелл,
бактериофаг бактериальный поливалентный очищенный (действует на стрептококк, стафилококк, протей, клебсиеллу пневмонию, кишечную палочку, синегнойную палочку),
пиобактериальный комплексный бактериофаг (против стафилококка, стрептококка, двух видов протея, двух видов клебсиеллы, энтерококков, энтеропатогенной кишечной палочки, синегнойной палочки),
бактериофаг интестин-бактериальный против дизентерийной палочки, сальмонеллы, кишечной палочки, протея, энтерококков, стафилококков, синегнойной палочки,
пиобактериофаг поливалентный или секстафаг (против стафилококка, стрептококка, протея, синегнойной палочки, клебсиеллы пневмонии, энтеропатогенной кишечной палочки).

Особенность бактериофагов – узкая специфичность, в следствие чего они могут применяться против определенных штаммов бактерий, поэтому необходимо иметь большую коллекцию бактериофагов, из которой можно выбрать подходящий препарат или фаговый коктейль для конкретного пациента. Коллекция бактериофагов составляет более 200 препаратов.

Производителем бактериофагов в России является научно-производственное объединение Микроген — мировой лидер изучения бактериофагов.

При каких заболеваниях применяются бактериофаги

Бактериофаги применяются при:

трофических язвах,
раневых инфекциях,
инфекциях органов дыхания,
мочеполовой системы,
желудочно-кишечных тракта,
болезнях лор-органов и др. заболеваниях.

Инфекции желудочно-кишечного тракта, вызванные сальмонеллой, золотистым стафилококком, протеем, и др. и сопровождающиеся диареей (поносами), успешно лечатся бактериофагами.

Применяться бактериофаги при острых кишечных инфекциях могут:

в виде монотерапии при легких формах,

в сочетании с антибиотиками при

средне-тяжелых формах болезни,
бактерионосительстве – выделении энтеропатогенных бактерий,
комплексной терапии условно-патогенной флоры и нарушении микробиома (микрофлоры) кишечника.

Используются бактериофаги в дерматологии, в детской практике, хирургии. С профилактической целью — в детских садах и школах для предотвращения эпидемий, например, дизентерии. Бактериофаги уже более 100 лет на службе человека. Может быть, как раз сейчас начинается эпоха бактериофагов. В новосибирском научном центре разрабатываются технологии персонализированного лечения. Медицинские центры Франции, Бельгии, Швейцарии проводят клинические исследования коктейлей бактериофагов.

Важным условием успешного лечения бактериофагами является знание микрофлоры тех органов, где предполагается бактериальная инфекция. Ниже приведены необходимые исследования микрофлоры для различных очагов заражения:

Участок заражения	Обследование
желудочно-кишечный тракт	анализ на микробиом толстой кишки (на дисбактериоз)
носоглотка	мазок на микрофлору
урологические заболевания	посев мочи, посев секрета простаты
гинекологические заболевания	мазки
раневые поверхности и язвы, в том числе при диабетической стопе	посев

В настоящее время при выявлении бактериального возбудителя болезни есть возможность определить его чувствительность к бактериофагу. Перед началом лечения необходимо пройти это обследование.

Как принимаются бактериофаги

Бактериофаги хранятся в холодильнике при температуре 2-8 градусов.

Бактериофаги — это крупные частицы. Они трудно проникают в ткани органов, поэтому лучше вводить их при лечении прямо к месту локализации инфекции. Это могут быть ингаляции при легочной патологии, промывания при лор-заболеваниях, аппликации при трофических язвах, ожогах, ранах. При инфекциях мочевыводящих путей для достижения успеха препараты бактериофагов вводятся в полость мочевого пузыря (хронический цистит).

Для внутреннего употребления есть бактериофаги во флаконах по 20 мл, 4 флакона в упаковке. Перед употреблением флакон следует подержать в руке, согреть, перелить в чистую посуду и принять внутрь. Принимать 2 раза в день натощак и после ужина, курс лечения 6 дней.

Есть упаковки по 50 мл и 100 мл. Поскольку следует максимально сохранять стерильность препарата (при помутнении запрещён его приём), необходимый для однократного приёма объём следует набирать в шприц.

В настоящее время проводят лечение бактериофагами диабетической стопы. Из больных тканей берут мазок для выявления конкретных патогенных бактерий. Затем из коллекции бактериофагов подбирают те, которые способны ликвидировать именно эти бактерии. Бактериофаг наносят на стерильную салфетку, прикладывают к ране. Лечение около недели.

Бактериофаги применяются в медицине местно или внутрь. Еще в 30-ые годы прошлого столетия бактериофаги доказали свою безопасность и высокую эффективность в клинических условиях. Но покупать бактериофаги и лечиться самостоятельно не стоит.

Заключение

Не всегда бактериофаги могут заменить антибиотики. Так, если имеет место острая ситуация, когда заподозрена бактериальная инфекция, но нет времени определить бактериальный фон болезни, чтобы подобрать препарат бактериофаг, то применяется лечение антибиотиками. При хронических инфекционных болезнях, когда установлена нечувствительность бактерий к антибиотикам и бактериальный фон заболевания, предпочтение следует отдать бактериофагам.

Хотя бактериофаги, возможно, не смогут полностью заменить антибиотики, но вместе они могут бороться со многими серьезными болезнями в клинической практике.

Читайте также: