Пожирачі бактерій

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 60

Костянтин Мірошников

У всіх істот, що мешкають на землі, є мікроскопічні паразити — віруси. Є свої віруси і у бактерій. Цикл розмноження бактеріальних вірусів неминуче закінчується загибеллю мікроба. Щоб підкреслити таку особливість, один з першовідкривачів цього ефекту, Фелікс Д’Ерель, придумав спеціальну назву — «бактеріофаги», в перекладі з грецької — «пожирачі бактерій».

Наприкінці ХХ століття стало ясно, що бактерії безумовно домінують у біосфері Землі, складаючи понад 90% її біомаси. У кожного виду є безліч спеціалізованих типів вірусів. За попередніми оцінками, число видів бактеріофагів становить близько 10¹⁵. Щоб зрозуміти масштаб цієї цифри, можна сказати, що якщо кожна людина на Землі буде кожен день відкривати по одному новому бактеріофагу, то на опис всіх їх знадобиться 30 років.

Таким чином, бактеріофаги — найбільш маловивчені істоти в нашій біосфері. Більшість відомих сьогодні бактеріофагів належить до загону Caudovirales — хвостаті віруси. Їх частинки мають розмір від 50 до 200 нм. Хвіст різної довжини і форми забезпечує приєднання вірусу до поверхні бактерії-господаря, головка (капсид) служить сховищем для геному. Геномна ДНК кодує структурні білки, що формують «тіло» бактеріофагу, і білки, які забезпечують розмноження фагу всередині клітини в процесі інфекції.

Можна сказати, що бактеріофаг — це природний високотехнологічний нанооб’єкт. Наприклад, хвости фагів — це «молекулярний шприц», який протикає стінку бактерії і, скорочуючись, впорскує свою ДНК всередину клітини. З цього моменту починається інфекційний цикл. Його подальші етапи складаються з перемикання механізмів життєдіяльності бактерії на обслуговування бактеріофагу, розмноження його геному, побудова безлічі копій вірусних оболонок, упаковки в них ДНК вірусу і, нарешті, руйнування (лізис) господарської клітини.

Бактеріофаг — це не жива істота, а молекулярний наномеханізм, створений природою. Хвіст бактеріофагу — шприц, який протикає стінку бактерії і впорскує вірусну ДНК, яка зберігається в головці (капсиді), всередину клітини.

У кожного етапу існує безліч нюансів, що мають глибокий еволюційний та екологічний сенс. Адже бактерії та їхні вірусні паразити співіснують сотні мільйонів, якщо не мільярди років. І ця боротьба за виживання не закінчилася ні тотальним знищенням одноклітинних, ні придбанням тотальної стійкості до фаг і безконтрольним розмноженням бактерій.

Крім постійного еволюційного змагання механізмів захисту у бактерій і нападу у вірусів, причиною сформованої рівноваги можна вважати і те, що бактеріофаги спеціалізувалися за своєю інфекційною дією. Якщо є велика колонія бактерій, де своїх жертв знайдуть і наступні покоління фагів, то знищення бактерій літичними (вбиваючими, дослівно — розчинними) фагами йде швидко і безперервно.

Якщо потенційних жертв замало або зовнішні умови не надто підходять для ефективного розмноження фагів, то перевагу отримують фаги з лизогенним циклом розвитку. У цьому випадку після впровадження всередину бактерії ДНК фага не відразу запускає механізм інфекції, а до пори до часу існує всередині клітини в пасивному стані, часто впроваджуючись у бактеріальний геном.

Як діє бактеріофаг

У такому стані профагу вірус може існувати довго, проходячи разом з хромосомою бактерії цикли ділення клітини. І лише коли бактерія потрапляє в сприятливе для розмноження середовище, активується літичний цикл інфекції. При цьому, коли ДНК фага звільняється з бактеріальної хромосоми, часто захоплюються і сусідні ділянки бактеріального геному, а їх вміст в подальшому може перенестися в наступну бактерію, яку заразить бактеріофаг. Цей процес (трансдукція генів) вважається найважливішим засобом перенесення інформації між прокаріотами — організмами без клітинних ядер.

Всі ці молекулярні тонкощі не були відомі в другому десятилітті ХХ століття, коли були відкриті «невидимі інфекційні агенти, що знищують бактерій». Але і без електронного мікроскопа, за допомогою якого в кінці 1940-х вперше вдалося отримати зображення бактеріофагів, було зрозуміло, що вони здатні знищувати бактерії, в тому числі і хвороботворні. Ця властивість була негайно затребувана медициною.

Перші спроби лікування фагами дизентерії, раневих інфекцій, холери, тифу і навіть чуми були проведені досить акуратно, і успіх виглядав цілком переконливо. Але після початку масового випуску і використання фагових препаратів ейфорія змінилася розчаруванням. Про те, що таке бактеріофаги, як виробляти, очищати і застосовувати їх лікарські форми, було відомо ще дуже мало. Достатньо сказати, що за результатами здійсненої в США наприкінці 1920-х років перевірки в багатьох промислових фагопрепаратах власне бактеріофагів взагалі не виявилося.

Проблема з антибіотиками

Другу половину ХХ століття в медицині можна назвати «ерою антибіотиків». Однак ще першовідкривач пеніциліну Олександр Флемінг у своїй нобелівській лекції попереджав, що стійкість мікробів до пеніциліну виникає досить швидко. До пори до часу антибіотикостійкість компенсувалася розробкою нових типів протимікробних ліків. Але з 1990-х років стало ясно, що людство програє «гонку озброєнь» проти мікробів.

Винне насамперед безконтрольне застосування антибіотиків не тільки в лікувальних, а й у профілактичних цілях, причому не тільки в медицині, а й у сільському господарстві, харчовій промисловості та побуті. У результаті стійкість до цих препаратів почала вироблятися не тільки у хвороботворних бактерій, але і у самих звичайних мікроорганізмів, що живуть в ґрунті і воді, роблячи з них «умовних патогенів».

Такі бактерії комфортно існують в медичних установах, заселяючи сантехніку, меблі, медичну апаратуру, часом навіть дезінфікуючі розчини. У людей з ослабленим імунітетом, яких у лікарнях більшість, вони викликають важкі ускладнення.

Не дивно, що медична спільнота б’є на сполох. У минулому, 2012 році гендиректор ВООЗ Маргарет Чен виступила із заявою, що пророкує кінець ери антибіотиків і беззахисність людства перед інфекційними захворюваннями. Втім, практичні можливості комбінаторної хімії — основи фармакологічної науки — далеко не вичерпані. Інша річ, що розробка протимікробних засобів — дуже дорогий процес, що не приносить таких прибутків, як багато інших ліків. Тож страшилки про «супербактерії» — це скоріше застереження, що спонукає людей до пошуків альтернативних рішень.

Бактеріофаги та імунітет

Оскільки бактеріофагів у природі несмітна кількість і вони постійно потрапляють в організм людини з водою, повітрям і їжею, то імунітет їх просто ігнорує. Існує навіть гіпотеза про симбіоз бактеріофагів у кишківнику, що регулює кишкову мікрофлору. Домогтися якоїсь імунної реакції можна лише при тривалому введенні в організм великих доз фагів.

Але таким чином можна досягти алергії на майже будь-які речовини. І нарешті, дуже важливо, що бактеріофаги недороги. Розробка і виробництво препарату, що складається з точно підібраних бактеріофагів з повністю розшифрованими геномами, культивованих за сучасними біотехнологічними стандартами на певних штамах бактерій в хімічно чистих середовищах і минулих високе очищення, на порядки дешевше, ніж сучасних складних антибіотиків.

Це дозволяє швидко пристосовувати фаготерапевтичні препарати до мінливих наборів патогенних бактерій і застосовувати бактеріофаги у ветеринарії, де дорогі ліки економічно не виправдані.

На медичній службі

Фотографія, зроблена за допомогою електронного мікроскопа, показує процес закріплення бактеріофагів (коліфагів T₁) на поверхні бактерії E. coli

Цілком логічним виглядає відродження інтересу до використання бактеріофагів — природних ворогів бактерій — для лікування інфекцій. Дійсно, за десятиліття «ери антибіотиків» бактеріофаги активно служили науці, але не медицині, а фундаментальній молекулярній біології. Достатньо згадати розшифровку «триплетів» генетичного коду і процесу рекомбінації ДНК. Зараз про бактеріофаги відомо достатньо, щоб обґрунтовано вибирати фаги, що підходять для терапевтичних цілей.

Достоїнств у бактеріофагів як потенційних ліків безліч. Насамперед — це їх несмітна кількість. Хоча змінювати генетичний апарат бактеріофагу теж набагато простіше, ніж у бактерії, і тим більше — у вищих організмів, у цьому немає необхідності. Завжди можна підібрати щось відповідне в природі. Йдеться радше про селекцію, закріплення затребуваних властивостей і розмноження потрібних бактеріофагів.

Це можна порівняти з виведенням порід собак — їздових, сторожових, мисливських, гончих, бійцівських, декоративних… Всі вони при цьому залишаються собаками, але оптимізовані під певний вид дій, потрібних людині. По-друге, бактеріофаги суворо специфічні, тобто вони знищують тільки певний вид мікробів, не пригнічуючи при цьому нормальну мікрофлору людини.

По-третє, коли бактеріофаг знаходить бактерію, яку повинен знищити, він у процесі свого життєвого циклу починає розмножуватися. Таким чином, не настільки гострим стає питання дозування. По-четверте, бактеріофаги не викликають побічних ефектів. Всі випадки алергічних реакцій при використанні терапевтичних бактеріофагів були викликані або домішками, від яких препарат був недостатньо очищений, або токсинами, що виділяються при масовій загибелі бактерій. Останнє явище, «ефект Герксхаймера», нерідко спостерігається і при застосуванні антибіотиків.

Дві сторони медалі

На жаль, недоліків у медичних бактеріофагів теж чимало. Найголовніша проблема спливає з гідності — високої специфічності фагів. Кожен бактеріофаг інфікує строго певний тип бактерій, навіть не таксономічний вид, а ряд більш вузьких різновидів, штамів. Умовно кажучи, як якби сторожова собака починала лаяти тільки на одягнених у чорні плащі громив двометрового зросту, а на молодого підлітка в шортах ніяк не реагувала.

Тому для нинішніх фагових препаратів нерідкі випадки неефективного застосування. Препарат, зроблений проти певного набору штамів і чудово лікуючий стрептококову ангіну в Смоленську, може виявитися безсилим проти за всіма ознаками такої ж ангіни в Кемерові. Хвороба та ж, викликається тим же мікробом, а штами стрептокока в різних регіонах виявляються різними.

Для максимально ефективного застосування бактеріофагу необхідна точна діагностика патогенного мікроба, аж до штаму. Найпоширеніший зараз метод діагностики — культуральний посів — займає багато часу і необхідної точності не дає. Швидкі методи — типування за допомогою полімеразної ланцюгової реакції або мас-спектрометрії — впроваджуються повільно через дорожнечу апаратури і більш високі вимоги до кваліфікації лаборантів. В ідеалі підбір фагів-компонентів лікарського препарату можна було б робити проти інфекції кожного конкретного пацієнта, але це дорого і на практиці неприйнятно.

Інший важливий недолік фагів — їхня біологічна природа. Крім того, що бактеріофаги для підтримки інфекційності вимагають особливих умов зберігання і транспортування, такий метод лікування відкриває простір для безлічі спекуляцій на тему «сторонньої ДНК в людині». І хоча відомо, що бактеріофаг в принципі не може заразити людську клітку і впровадити в неї свою ДНК, змінити громадську думку непросто.

З біологічної природи і досить великого, порівняно з низькомолекулярними ліками (тими ж антибіотиками), розміру випливає третє обмеження — проблема доставки бактеріофагу в організм. Якщо мікробна інфекція розвивається там, куди бактеріофаг можна докласти безпосередньо у вигляді крапель, спрею або клізми, — на шкірі, відкритих ранах, опіках, слизових оболонках носоглотки, вух, очей, товстого кишечника — то проблем не виникає.

Але якщо зараження відбувається у внутрішніх органах, ситуація складніша. Випадки успішного лікування інфекцій нирок або селезінки при звичайному пероральному прийомі препарату бактеріофагу відомі. Але сам механізм проникнення відносно великих (100 нм) фагових частинок зі шлунка в кровотік і у внутрішні органи вивчений погано і сильно різниться від пацієнта до пацієнта. Бактеріофаги безсилі і проти тих мікробів, які розвиваються всередині клітин, наприклад збудників туберкульозу і прокази. Через стінку людської клітини бактеріофаг пробратися не може.

Потрібно зазначити, що протиставляти застосування бактеріофагів і антибіотиків в медичних цілях не слід. При спільній їх дії спостерігається взаємне посилення протибактеріального ефекту. Це дозволяє, наприклад, знизити дози антибіотиків до значень, що не викликають виражених побічних ефектів. Відповідно, і механізм вироблення у бактерій стійкості до обох компонентів комбінованих ліків майже неможливий.

Розширення арсеналу протимікробних препаратів дає більше ступенів свободи у виборі методики лікування. Таким чином, науково обґрунтований розвиток концепції застосування бактеріофагів у протимікробній терапії — перспективний напрямок. Бактеріофаги служать не стільки альтернативою, скільки доповненням і посиленням у боротьбі з інфекціями.