Как бактериофаги укрепляют иммунитет
Пожиратели бактерий
Константин Мирошников, «Популярная механика» № 10-2013
У всех существ, обитающих на земле, есть микроскопические паразиты – вирусы. Есть свои вирусы и у бактерий. Цикл размножения бактериальных вирусов неизбежно заканчивается гибелью микроба. Чтобы подчеркнуть такую особенность, один из первооткрывателей этого эффекта, Феликс Д’Эрель, придумал специальное название – «бактериофаги», в переводе с греческого – «пожиратели бактерий».
Фотография, сделанная с помощью электронного микроскопа,
показывает процесс закрепления бактериофагов (колифагов T1) на поверхности бактерии E. coli.
В конце ХХ века стало ясно, что бактерии безусловно доминируют в биосфере Земли, составляя более 90% ее биомассы. У каждого вида имеется множество специализированных типов вирусов. По предварительным оценкам, число видов бактериофагов составляет около 1015. Чтобы понять масштаб этой цифры, можно сказать, что если каждый человек на Земле будет каждый день открывать по одному новому бактериофагу, то на описание всех их понадобится 30 лет.
Таким образом, бактериофаги – самые малоизученные существа в нашей биосфере. Большинство известных сегодня бактериофагов принадлежит к отряду Caudovirales – хвостатые вирусы. Их частицы имеют размер от 50 до 200 нм. Хвост разной длины и формы обеспечивает присоединение вируса к поверхности бактерии-хозяина, головка (капсид) служит хранилищем для генома. Геномная ДНК кодирует структурные белки, формирующие «тело» бактериофага, и белки, которые обеспечивают размножение фага внутри клетки в процессе инфекции.
Можно сказать, что бактериофаг – это природный высокотехнологичный нанообъект. Например, хвосты фагов представляют собой «молекулярный шприц», который протыкает стенку бактерии и, сокращаясь, впрыскивает свою ДНК внутрь клетки. С этого момента начинается инфекционный цикл. Его дальнейшие этапы состоят из переключения механизмов жизнедеятельности бактерии на обслуживание бактериофага, размножение его генома, построение множества копий вирусных оболочек, упаковки в них ДНК вируса и, наконец, разрушение (лизис) хозяйской клетки.
Бактериофаг – это не живое существо, а молекулярный наномеханизм, созданный природой.
Хвост бактериофага – шприц, который протыкает стенку бактерии и впрыскивает вирусную ДНК,
которая хранится в головке (капсиде), внутрь клетки.
У каждого этапа существует множество нюансов, имеющих глубокий эволюционный и экологический смысл. Ведь бактерии и их вирусные паразиты сосуществуют сотни миллионов, если не миллиарды лет. И эта борьба за выживание не закончилась ни тотальным уничтожением одноклеточных, ни приобретением тотальной устойчивости к фагам и бесконтрольным размножением бактерий.
Помимо постоянного эволюционного соревнования механизмов защиты у бактерий и нападения у вирусов, причиной сложившегося равновесия можно считать и то, что бактериофаги специализировались по своему инфекционному действию. Если имеется крупная колония бактерий, где своих жертв найдут и следующие поколения фагов, то уничтожение бактерий литическими (убивающими, дословно – растворяющими) фагами идет быстро и непрерывно.
Если потенциальных жертв маловато или внешние условия не слишком подходят для эффективного размножения фагов, то преимущество получают фаги с лизогенным циклом развития. В этом случае после внедрения внутрь бактерии ДНК фага не сразу запускает механизм инфекции, а до поры до времени существует внутри клетки в пассивном состоянии, зачастую внедряясь в бактериальный геном.
В таком состоянии профага вирус может существовать долго, проходя вместе с хромосомой бактерии циклы деления клетки. И лишь когда бактерия попадает в благоприятную для размножения среду, активируется литический цикл инфекции. При этом, когда ДНК фага освобождается из бактериальной хромосомы, часто захватываются и соседние участки бактериального генома, а их содержимое в дальнейшем может перенестись в следующую бактерию, которую заразит бактериофаг. Этот процесс (трансдукция генов) считается важнейшим средством переноса информации между прокариотами – организмами без клеточных ядер.
Как действует бактериофаг
Все эти молекулярные тонкости не были известны во втором десятилетии ХХ века, когда были открыты «невидимые инфекционные агенты, уничтожающие бактерий». Но и без электронного микроскопа, с помощью которого в конце 1940-х впервые удалось получить изображения бактериофагов, было понятно, что они способны уничтожать бактерии, в том числе и болезнетворные. Это свойство было незамедлительно востребовано медициной.
Первые попытки лечения фагами дизентерии, раневых инфекций, холеры, тифа и даже чумы были проведены достаточно аккуратно, и успех выглядел вполне убедительно. Но после начала массового выпуска и использования фаговых препаратов эйфория сменилась разочарованием. О том, что такое бактериофаги, как производить, очищать и применять их лекарственные формы, было известно еще очень мало. Достаточно сказать, что по результатам предпринятой в США в конце 1920-х годов проверки во многих промышленных фагопрепаратах собственно бактериофагов вообще не оказалось.
Проблема с антибиотиками
Вторую половину ХХ века в медицине можно назвать «эрой антибиотиков». Однако еще первооткрыватель пенициллина Александр Флеминг в своей нобелевской лекции предупреждал, что устойчивость микробов к пенициллину возникает довольно быстро. До поры до времени антибиотикоустойчивость компенсировалась разработкой новых типов противомикробных лекарств. Но с 1990-х годов стало ясно, что человечество проигрывает «гонку вооружений» против микробов.
Виновато прежде всего бесконтрольное применение антибиотиков не только в лечебных, но и в профилактических целях, причем не только в медицине, но и в сельском хозяйстве, пищевой промышленности и быту. В результате устойчивость к этим препаратам начала вырабатываться не только у болезнетворных бактерий, но и у самых обычных микроорганизмов, живущих в почве и воде, делая из них «условных патогенов».
Такие бактерии комфортно существуют в медицинских учреждениях, заселяя сантехнику, мебель, медицинскую аппаратуру, порой даже дезинфицирующие растворы. У людей с ослабленным иммунитетом, каких в больницах большинство, они вызывают тяжелейшие осложнения.
Неудивительно, что медицинское сообщество бьет тревогу. В прошедшем, 2012 году гендиректор ВОЗ Маргарет Чен выступила с заявлением, предсказывающим конец эры антибиотиков и беззащитность человечества перед инфекционными заболеваниями. Впрочем, практические возможности комбинаторной химии – основы фармакологической науки – далеко не исчерпаны. Другое дело, что разработка противомикробных средств – очень дорогой процесс, не приносящий таких прибылей, как многие другие лекарства. Так что страшилки о «супербактериях» – это скорее предостережение, побуждающее людей к поискам альтернативных решений.
Бактериофаги и иммунитет
Поскольку бактериофагов в природе несметное количество и они постоянно попадают в организм человека с водой, воздухом и пищей, то иммунитет их просто игнорирует. Существует даже гипотеза о симбиозе бактериофагов в кишечнике, регулирующем кишечную микрофлору. Добиться какой-то иммунной реакции можно лишь при длительном введении в организм больших доз фагов.
Но таким образом можно добиться аллергии на почти любые вещества. И наконец, очень важно, что бактериофаги недороги. Разработка и производство препарата, состоящего из точно подобранных бактериофагов с полностью расшифрованными геномами, культивированных по современным биотехнологическим стандартам на определенных штаммах бактерий в химически чистых средах и прошедших высокую очистку, на порядки дешевле, чем современных сложных антибиотиков.
Это позволяет быстро приспосабливать фаготерапевтические препараты к меняющимся наборам патогенных бактерий и применять бактериофаги в ветеринарии, где дорогие лекарства экономически не оправданы.
На медицинской службе
Вполне логичным выглядит возрождение интереса к использованию бактериофагов – естественных врагов бактерий – для лечения инфекций. Действительно, за десятилетия «эры антибиотиков» бактериофаги активно служили науке, но не медицине, а фундаментальной молекулярной биологии. Достаточно упомянуть расшифровку «триплетов» генетического кода и процесса рекомбинации ДНК. Сейчас о бактериофагах известно достаточно, чтобы обоснованно выбирать фаги, подходящие для терапевтических целей.
Достоинств у бактериофагов как потенциальных лекарств множество. Прежде всего – это их несметное количество. Хотя изменять генетический аппарат бактериофага тоже намного проще, чем у бактерии, и тем более – у высших организмов, в этом нет необходимости. Всегда можно подобрать что-то подходящее в природе. Речь идет скорее о селекции, закреплении востребованных свойств и размножении нужных бактериофагов.
Это можно сравнить с выведением пород собак – ездовых, сторожевых, охотничьих, гончих, бойцовых, декоративных… Все они при этом остаются собаками, но оптимизированы под определенный вид действий, нужных человеку. Во-вторых, бактериофаги строго специфичны, то есть они уничтожают только определенный вид микробов, не угнетая при этом нормальную микрофлору человека.
В-третьих, когда бактериофаг находит бактерию, которую должен уничтожить, он в процессе своего жизненного цикла начинает размножаться. Таким образом, не столь острым становится вопрос дозировки. В-четвертых, бактериофаги не вызывают побочных эффектов. Все случаи аллергических реакций при использовании терапевтических бактериофагов были вызваны либо примесями, от которых препарат был недостаточно очищен, либо токсинами, выделяющимися при массовой гибели бактерий. Последнее явление, «эффект Герксхаймера», нередко наблюдается и при применении антибиотиков.
Две стороны медали
К сожалению, недостатков у медицинских бактериофагов тоже немало. Самая главная проблема проистекает из достоинства – высокой специфичности фагов. Каждый бактериофаг инфицирует строго определенный тип бактерий, даже не таксономический вид, а ряд более узких разновидностей, штаммов. Условно говоря, как если бы сторожевая собака начинала лаять только на одетых в черные плащи громил двухметрового роста, а на лезущего в дом подростка в шортах никак не реагировала.
Поэтому для нынешних фаговых препаратов нередки случаи неэффективного применения. Препарат, сделанный против определенного набора штаммов и прекрасно лечащий стрептококковую ангину в Смоленске, может оказаться бессильным против по всем признакам такой же ангины в Кемерове. Болезнь та же, вызывается тем же микробом, а штаммы стрептококка в разных регионах оказываются различными.
Для максимально эффективного применения бактериофага необходима точная диагностика патогенного микроба, вплоть до штамма. Самый распространенный сейчас метод диагностики – культуральный посев – занимает много времени и требуемой точности не дает. Быстрые методы – типирование с помощью полимеразной цепной реакции или масс-спектрометрии – внедряются медленно из-за дороговизны аппаратуры и более высоких требований к квалификации лаборантов. В идеале подбор фагов-компонентов лекарственного препарата можно было бы делать против инфекции каждого конкретного пациента, но это дорого и на практике неприемлемо.
Другой важный недостаток фагов – их биологическая природа. Кроме того, что бактериофаги для поддержания инфекционности требуют особых условий хранения и транспортировки, такой метод лечения открывает простор для множества спекуляций на тему «посторонней ДНК в человеке». И хотя известно, что бактериофаг в принципе не может заразить человеческую клетку и внедрить в нее свою ДНК, поменять общественное мнение непросто.
Из биологической природы и довольно большого, по сравнению с низкомолекулярными лекарствами (теми же антибиотиками), размера вытекает третье ограничение – проблема доставки бактериофага в организм. Если микробная инфекция развивается там, куда бактериофаг можно приложить напрямую в виде капель, спрея или клизмы, – на коже, открытых ранах, ожогах, слизистых оболочках носоглотки, ушей, глаз, толстого кишечника – то проблем не возникает.
Но если заражение происходит во внутренних органах, ситуация сложнее. Случаи успешного излечения инфекций почек или селезенки при обычном пероральном приеме препарата бактериофага известны. Но сам механизм проникновения относительно крупных (100 нм) фаговых частиц из желудка в кровоток и во внутренние органы изучен плохо и сильно разнится от пациента к пациенту. Бактериофаги бессильны и против тех микробов, которые развиваются внутри клеток, например возбудителей туберкулеза и проказы. Через стенку человеческой клетки бактериофаг пробраться не может.
Нужно отметить, что противопоставлять применение бактериофагов и антибиотиков в медицинских целях не следует. При совместном их действии наблюдается взаимное усиление противобактериального эффекта. Это позволяет, например, снизить дозы антибиотиков до значений, не вызывающих выраженных побочных эффектов. Соответственно, и механизм выработки у бактерий устойчивости к обоим компонентам комбинированного лекарства почти невозможен.
Расширение арсенала противомикробных препаратов дает больше степеней свободы в выборе методики лечения. Таким образом, научно обоснованное развитие концепции применения бактериофагов в противомикробной терапии – перспективное направление. Бактериофаги служат не столько альтернативой, сколько дополнением и усилением в борьбе с инфекциями.
Автор – и.о. зав.лаб. молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии им. Шемякина и Овчинникова РАН
Портал «Вечная молодость» https://vechnayamolodost.ru
01.11.2013
Бактериофаги – вирусы, заражающие археи и бактерии, «хищники» микромира. Это многочисленная и эволюционно наиболее древняя группа вирусов на планете, жизнь которых построена на контроле численности микробов и уничтожении стареющих клеток.
Их популяция примерно в 10 раз превышает общую численность бактерий и распространены они везде, где обитают уязвимые для них микроорганизмы – в почве, воде, слизистых оболочках человека и животных. В любой природной экосистеме.
Существа способны сохранять смертоносность и выжидать свою жертву десятилетиями. Было подсчитано, что за 1 секунду бактериофаги способны заразить собой септиллион бактерий.
Как устроен хищный мир микроорганизмов и почему бактериофаги называют вторым иммунитетом человека?
Немного истории
Теорию о возможном существовании в природе естественных врагов бактерий впервые высказал русский микробиолог Николай Гамалея в 1897 году. Однако по-настоящему вирусы микробов были открыты лишь в 1910-х годах.
Николай Фёдорович Гамалея – российский и советский врач, микробиолог и эпидемиолог, почётный член АН СССР, академик АМН СССР. Лауреат Сталинской премии.
В 1915 году английский ученый Фредерик Туорт обнаружил в своей лаборатории загадочные существа, перебившие стафилококки в чашках Петри. Спустя два года загадочное явление повторилось в лаборатории французско-канадского исследователя Феликса Д’Эрелля.
Д’Эрелль дал название открытому вирусу и выяснил, что бактериофаг – это паразит, который способен уничтожать патогенные бактерии, а затем создавать специфический иммунитет против них.
С тех пор, «хищные» вирусы оказались на переднем крае в войне против инфекционных заболеваний. Ими лечили всё – от воспаления носовых пазух до ожогов и заражения крови. Особых успехов бактериофаги добились в борьбе с дизентерией, брюшным тифом, холерой и различными гнойными инфекциями.
До появления пенициллиновых антибиотиков в 1940-х годах, бактериофаги были главным оружием медиков.
Правда, не обошлось и без недоразумений. До изобретения микроскопа увидеть вирус было невозможно. А потому его биология, специфичность и степень литической активности были неизвестны. В итоге где-то бактериофаги помогали хорошо, а где-то не очень. Это стало причиной, по которой антибиотики почти полностью вытеснили бактериальные вирусы из медицины.
Сегодня интерес к бактериофагам снова возвращается. Оказалось, что в ряде случаев естественные враги микробов даже более эффективны, чем современные антибиотики.
Как фаговые вирусы уничтожают бактерии?
Процесс уничтожения бактерии фагами напоминает сюжет из фильма «Чужие». Вирусы сами размножаться не могут, поэтому они паразитируют на микробах.
Фаг находит клетку микроба, локально растворяет её оболочку и инъецирует свою ДНК. Инъецированная ДНК вызывает полную перестройку метаболизма клетки и, фактически, подчиняет её вирусу.
Адсорбция бактериофагов на поверхности бактериальной клетки.
С этого момента внутри клетки начинают развиваться новые фаги. Спустя 30-60 минут они созревают и разрывают клетку изнутри. Из одной клетки может высвободиться от 50 до 800 дочерних шаговых частиц, которые тут же атакуют соседние клетки.
Существует огромное количество видов бактериофагов, каждый из которых нацелен на определенную популяцию микробов, то есть уничтожает (лизирует) бактерии только одного конкретного типа.
Почему бактериофаги называют вторым иммунитетом?
В здоровом человеческом организме количество разнообразных бактериофагов в 10-30 раз больше, чем бактерий.
Александр Зурабов, генеральный директор научно-производственного центра «Микромир», компания которого производит комплексные средства на основе бактериофагов, пояснил, что вирусы первыми реагируют на дисбиотический процесс (начало активного размножения бактерий). Если фагов достаточно, то они тут же убивают излишки микробов, не позволяя им достичь критической массы.
Собственная иммунная система не успевает включиться в работу, а человек даже не узнает, что был атакован инфекцией. Поэтому ученые часто сравнивают бактериофаги со вторым иммунитетом.
Кроме того, если в организме всё-таки начался инфекционный процесс, фаги будут активно помогать иммунитету бороться с недугом, взяв на себя часть вредоносных микробов.
Бактериофаг ϕpp2 патогенных вибрионов.
Медицинские препараты, включающие в себя фаги определенного типа, работают именно по такому принципу. Они увеличивают концентрацию полезных вирусов, чтобы «союзники» иммунитета получили численное превосходство над бактериями и сократили их популяцию.
При этом не стоит рассматривать бактериальные вирусы в качестве лекарства, подчеркивает Александр Зурабов. Они не призваны уничтожать бактерии все до одного, как это делают, например, антибиотики. Задача фагов в природе – это лишь поддержание сбалансированной численности микробов.
Применяются ли бактериофаги в современной медицине?
В России зарегистрировано и применяются 13 медицинских препаратов на основе фагов.
Бактериофаги используют в качестве альтернативы антибиотикам. Преимущество полезных вирусов в том, что они способны проникать через биологические мембраны клетки, куда антибиотики обычно не попадают. Кроме того, микроб не может приобрести устойчивость к бактериофагам.
Вирусы не нарушают микрофлору, не взаимодействуют с органами и системой организма, не провоцируют аллергическую реакцию, действуют точечно и полностью безвредны. Излишки размножившихся вирусов выводятся из организма естественным путем.
Несмотря на эффективность бактериальных вирусов, полностью заменить собой антибиотики они не могут. Ученые рассматривают фаги, как средство для профилактики, которое можно использовать в сочетании с лекарствами. Это первая линия обороны, «второй иммунитет», который лучше всего укреплять до болезни.