Чому фаги не використовуються проти бактерій
З появою мультирезистентних бактерій до антибіотиків можна задатися питанням, чому фаги (або бактеріофаги) так мало відомі і використовуються. Наприклад, у 2016 році жінка в штаті Невада померла від бактеріальної інфекції, спричиненої Klebsiella pneumoniae, яка була стійкою до всіх наявних антибіотиків. У свинарських господарствах Китаю були виявлені бактерії, стійкі до колістіну, антибіотика останньої інстанції. Бактерії еволюціонували, щоб протистояти антибіотикам швидше, ніж будь-коли.
Тим часом вченим знадобилося щонайменше десять років, щоб розробити новий антибіотик та отримати схвалення FDA. Ця повільна реакція означає, що ми програємо цю гонку озброєнь антибіотиками. Нам терміново потрібен альтернативний метод боротьби з бактеріальними інфекціями. Перспективним методом знищення бактерій є використання бактеріофагів: вірусів, які інфікують і вбивають бактерії.
Бактеріофаги: природні вороги бактерій
Бактеріофаги, коротше звані фагами, були відкриті Фредеріком Твортом у 1915 році та Феліком д'Ерелем у 1917 році, більш ніж за десять років до пеніциліну найвідоміший антибіотик. У наступні роки фаги успішно використовувались для лікування дизентерії та холери. Ці фаги були виділені зі стільця пацієнтів, які несподівано одужали від хвороби. Вчені припустили, що в цих пацієнтах є щось, що допомогло очистити шкідливі бактерії з кишечника.
Вони виділили фаги зі стільця, очистили і передали фаги іншим пацієнтам. В одному дослідженні померло 63% людей, які не отримували лікування холери в Пенджабі, штат Індія, тоді як лише 8% людей, які отримували лікування фагами, померли. Незважаючи на цей успіх, фаготерапія затьмарилася відкриттям пеніциліну та зростанням антибіотиків.
Ще в ті часи, коли фаги вперше використовувались для лікування холери, вчені тільки розпочали вивчення вірусів і припустили, як вони працюють. Лише в 1940 році перші зображення фагів були отримані за допомогою електронного мікроскопа. Зараз ми знаємо, що фаги - це віруси, які заражають лише бактерії. Як тип вірусу, фаги не можуть жити і розмножуватися самостійно. Вони повинні вторгнутися в клітину хазяїна, спожити поживні речовини хазяїна для розмноження і, нарешті, вийти з клітини хазяїна, часто вбиваючи господаря в процесі.
Загалом, фаги починають своє знищення з розпізнавання і висадки на бактерію. Кожен тип фага має певну зону посадки. Потім фаг вводить свою ДНК в бактерії. Ця ДНК копіює себе, додатково покриває фагову оболонку і загортає новостворену ДНК в нову оболонку. Нарешті, фаг виробляє токсичні хімічні речовини, які розщеплюють бактеріального господаря зсередини, звільняючи новостворені фаги зовні, щоб заразити ще більше бактерій (рис. 1).
Рисунок 1: Як фаги вбивають бактерії. (1) Фаг спочатку потрапляє на бактерію. (2) Потім він вводить свою ДНК в бактерію. (3) ДНК копіюється і використовується для виготовлення упаковки для нового покоління фагів. (4) Нарешті, нові фаги збирають сплеск бактерій, що вбиває їх.
Переваги фагів перед антибіотиками
Антибіотик - це хімічна речовина, яка вбиває бактерії. Це робиться, порушуючи один або кілька важливих процесів, необхідних для виживання бактерій. Оскільки ці процеси характерні для багатьох бактерій, один антибіотик «широкого спектру дії» може потенційно знищити кілька видів бактерій одночасно. Хоча антибіотики зробили революцію в медицині і часто дуже ефективно придушують бактеріальну інфекцію, добре розвинені фаги можуть мати кілька переваг перед антибіотиками.
По-перше, фаги специфічні для виду бактерій і тому навряд чи можуть порушити корисні мікроби, що живуть у нашому кишечнику. Людське тіло населене понад тисячею видів мікробів, що становить приблизно від 3 до 5 кілограм ваги нашого тіла. Ці мікроби виконують для нас важливу роботу, наприклад, допомагають нам виробляти поживні речовини, які ми не можемо зробити самостійно.
Оскільки багато антибіотиків без розбору вбивають бактерії, лікування інфекції антибіотиком також знищує ці корисні бактерії кишечника. На відміну від цього, кожен фаг еволюціонував, щоб знищити лише певний набір бактерій. Оскільки фаг вбиває вузький обсяг, його можна використовувати для лікування інфекції, не порушуючи спільноти корисних бактерій у нашому організмі.
По-друге, фаги здатні вбивати бактерії, стійкі до антибіотиків. Спосіб знищення бактерій фагами важче розвивати бактеріям, ніж антибіотики для знищення бактерій. Замість того, щоб заважати бактеріям виконувати певний процес, як у випадку з антибіотиками, фаги активно руйнують клітинну стінку бактерій і клітинну мембрану і вбивають бактерії, створюючи численні отвори всередині. Крім того, багато бактерій розвивають біоплівку - товстий шар слизового матеріалу, який захищає їх від антибіотиків. Багато фагів оснащені інструментами, здатними перетравлювати цю біоплівку.
Чому фаги не використовуються?
За винятком варіантів лікування, доступних у кількох країнах, фаги в основному відмовляються від лікування бактеріальної інфекції. Однією з головних причин є те, що за останні 50 років антибіотики працювали досить добре, тому що більшість країн ще не провели дослідження щодо клінічного використання фагів. Але інша причина полягає в тому, що існують певні обмеження щодо використання фагів як лікування.
По-перше, фаги важче підготувати чисто. Для отримання фагів спочатку вчені повинні вирощувати велику кількість бактерій, які є природним господарем фага. Потім бактерії заражаються фагами, які відтворюють і вбивають всі бактерії. Складність починається з ізоляції живих фагів від безлічі мертвих трупів бактерій. Якщо їх не вилучити з ліків, що даються пацієнту, тіла мертвих бактерій можуть спровокувати смертельну імунну відповідь, яка називається сепсисом.
Іншою проблемою є отримання правильної концентрації фага, оскільки його концентрацію неможливо виміряти безпосередньо. Якщо концентрація занадто низька, лікування фагами буде неефективним. Багато ранніх комерційних фагових продуктів були низької якості та не могли лікувати інфекційні захворювання, що призвело до дискредитації їх лікування.
По-друге, використання фага займає більше часу в лікуванні порівняно з антибіотиками. Оскільки один тип фага може заразити лише кілька видів бактерій, відбір фагів повинен проводитися обережно. По-перше, лікарі повинні визначити ідентичність бактерій, що викликають захворювання. Потім вони повинні перевірити, чи не можуть наявні фаги вбити цей штам бактерій.
В іншому випадку їм доводиться шукати нових фагів, які могли б виконати цю роботу. Цей процес займає багато часу, чого у пацієнтів може не бути - особливо, коли фаги використовуються лише в крайньому випадку для дуже хворих пацієнтів. З іншого боку, оскільки антибіотики вбивають без розбору, лікарі можуть призначити антибіотик для лікування пацієнта, не попередньо визначаючи конкретний тип бактерій.
Інші проблеми, пов'язані з фаготерапією, стосуються його безпеки та ефективності. Оскільки західний світ десятки років тому відмовився від фагової терапії, даних щодо цих тем мало. Однак дослідження щодо лікування фагами продовжуються і розширюються у Франції та країнах Східної Європи, особливо в Грузії. Згідно з їх дослідженнями, фаготерапія не викликає серйозних проблем з безпекою.
Малюнок 2: Фаги можна використовувати двома способами: для захисту або зцілення. Ось два приклади. Фаги можна використовувати при сильних опіках, щоб захистити шкіру від бактеріальних інфекцій. Фаги також можна використовувати для лікування пацієнта, ураженого бактеріями, стійкими до антибіотиків.
Де ми зараз?
Зараз, коли все більше і більше бактерій розвивають стійкість до антибіотиків, вчені у всьому світі знову зацікавлені у фагах. Наприклад, у США FDA затвердила Listshield, харчову добавку, що містить фаги, яка вбиває Listeria monocytogenes; один з найбільш вірулентних збудників харчових продуктів та одна з причин менінгіту. В даний час проводиться багато клінічних випробувань з використанням фагів для лікування або профілактики бактеріальних інфекцій, таких як туберкульоз та MRSA. В Європі також відновлюється інтерес до фагів.
Хоча FDA ще не затвердила лікування фагами, фаги вже використовувались для порятунку життя в експериментальних процедурах. У Сан-Дієго повідомлялося про дивовижне одужання пацієнта з стійкими до антибіотиків бактеріями. Перебуваючи у відпустці в Єгипті, Том Паттерсон був заражений мультирезистентним штамом Acinetobacter baumannii. Його повернули назад до Каліфорнії і лікували антибіотиками понад 100 днів, але Паттерсон не покращився і впав у кому. Врешті-решт його врятував коктейль з фагів, очищений від стічних вод Техасу.
Найближчим часом, оскільки антибіотики втрачають свою ефективність, ми можемо почати чути все більше і більше подібних історій. Також, можливо, одного дня фаги можуть перейти від нашого останнього засобу проти стійких до антибіотиків бактерій до нашого першого рубежу захисту.
Джерело та зображення: Гарвардський університет